React Fiber架构浅析
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1.浏览器渲染
为了更好的理解 React Fiber, 我们先简单了解下渲染器进程的内部工作原理。
参考资料:
从内部了解现代浏览器(3)[1]
渲染树构建、布局及绘制[2]
1.1 渲染帧
帧 (frame): 动画过程中，每一幅静止的画面叫做帧。
帧率 (frame per second): 即每秒钟播放的静止画面的数量。
帧时长 (frame running time): 每一幅静止的画面的停留时间。
丢帧 (dropped frame): 当某一帧时长高于平均帧时长。
-
一般来说浏览器刷新率在60Hz, 渲染一帧时长必须控制在16.67ms (1s / 60 = 16.67ms)。
-
如果渲染超过该时间, 对用户视觉上来说，会出现卡顿现象，即丢帧 (dropped frame)。
1.2 帧生命周期
图: 简单描述帧生命周期
简单描述一帧的生命周期:
1. 一帧开始。
2. 主线程:
- Event Handlers: UI交互输入的事件回调, 例如input、click、wheel等。
- RAF: 执行requestAnimationFrame回调。
- DOM Tree: 解析HTML, 构建DOM Tree, 当JS对DOM有变更会重新触发该流程。
- CSS Tree: 构建CSS Tree。至此构建出Render Tree。
- Layout: 所有元素的position、size信息。
- Paint: 像素填充, 例如颜色、文字、边框等可视部分。
- Composite: 绘制的指令信息传到合成线程中。
- RequestIdleCallback: 如果此时一帧还有空余时间, 则执行该回调。
3. 合成线程:
- Raster: 合成线程将信息分块, 并把每块发送给光栅线程, 光栅线程创建位图, 并通知GPU进程刷新这一帧。
4. 一帧结束。1.3 丢帧实验
怎么就丢帧了呢?
对于流畅的动画，如果一帧处理时间超过16ms，就能感到页面的卡顿了。
Demo: https://linjiayu6.github.io/FE-RequestIdleCallback-demo/
Github: RequestIdleCallback 实验[3]
当用户点击任一按键 A，B，C，因为主线程执行Event Handlers任务，动画因为浏览器不能及时处理下一帧，导致动画出现卡顿的现象。
// 处理同步任务，并占用主线程
const bindClick = id =>
element(id).addEventListener('click', Work.onSyncUnit)
// 绑定click事件
bindClick('btnA')
bindClick('btnB')
bindClick('btnC')
var Work = {
// 有1万个任务
unit: 10000,
// 处理每个任务
onOneUnit: function () { for (var i = 0; i <= 500000; i++) {} },
// 同步处理: 一次处理完所有任务
onSyncUnit: function () {
let _u = 0
while (_u < Work.unit) {
Work.onOneUnit()
_u ++
}
}
}
1.4 解决丢帧
上述，我们发现 JS运算是占用渲染的时间的。
在连续动画中，要做高耗时的操作，如何保证帧平稳呢？
解决丢帧思考如下:
-
一帧空闲时处理, 利用 RequestIdleCallback[4] 处理任务。
window.requestIdleCallback()方法将在浏览器的空闲时段内调用的函数排队。这使开发者能够在主事件循环上执行后台和低优先级工作，而不会影响延迟关键事件，如动画和输入响应。函数一般会按先进先调用的顺序执行，然而，如果回调函数指定了执行超时时间timeout，则有可能为了在超时前执行函数而打乱执行顺序。
-
对高耗时的任务，进行分步骤处理。
-
Web worker 貌似也可以解决上述问题，这里不做扩展。
-
...
这里我们利用 RequestIdleCallback[5] 做个实验咩。
Demo: https://linjiayu6.github.io/FE-RequestIdleCallback-demo/
Github: RequestIdleCallback 实验
const bindClick = id =>
element(id).addEventListener('click', Work.onAsyncUnit)
// 绑定click事件
bindClick('btnA')
bindClick('btnB')
bindClick('btnC')
var Work = {
// 有1万个任务
unit: 10000,
// 处理每个任务
onOneUnit: function () { for (var i = 0; i <= 500000; i++) {} },
// 异步处理
onAsyncUnit: function () {
// 空闲时间 1ms
const FREE_TIME = 1
let _u = 0
function cb(deadline) {
// 当任务还没有被处理完 & 一帧还有的空闲时间 > 1ms
while (_u < Work.unit && deadline.timeRemaining() > FREE_TIME) {
Work.onOneUnit()
_u ++
}
// 任务干完, 执行回调
if (_u >= Work.unit) {
// 执行回调
return
}
// 任务没完成, 继续等空闲执行
window.requestIdleCallback(cb)
}
window.requestIdleCallback(cb)
}
}
requestIdleCallback 启发
将一个大任务分割成N个小任务，在每一帧有空余时间情况下，逐步去执行小任务。
2.React15 (-) 架构缺点
React: stack reconciler实现[7]
React 算法之深度优先遍历[8]
递归 Recursion: 利用 调用栈[9]，实现自己调用自己的方法。
最常见的就是 Leetcode: 斐波拉契数列[10] 、Leetcode: 70. 爬楼梯[11]。
2.1 概述原因
该情况，类似我们上述# 1.3丢帧实验。
2.2 流程和代码解析
可能需要你有点 深度优先遍历、递归、回溯思想、 等数据结构的知识。
这里只做流程解析，代码也为阉割版，重点是理解思想哈。
某React节点如下:
class A extends React.Component {
...
render() {
return (
图 DFS + 递归遍历的路径
下面是 ReactFiberWorkLoop.old.js[12] 阉割版代码，为了简要说明该流程。
// 工作循环同步处理
function workLoopSync() {
// 有任务
while (workInProgress !== null) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
}
function performUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {
// 对该节点 开始工作: return workInProgress.child; 返回的是该节点的孩子
let next = beginWork(...);
if (next === null) {
// 对某Node 完成工作: 回溯向上, 向上找到某节点的兄弟 sibling 或 直到向上为root代表, 遍历结束。
completeUnitOfWork(unitOfWork);
} else {
// 从ta 孩子入手, 继续向下工作
workInProgress = next;
}
}
/**
* siblingFiber: 兄弟节点
* returnFiber: 父亲节点
*/
function completeUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {
let completedWork = unitOfWork;
// 这里又是一个循环
do {
// 1. 判断任务是否完成, 完成就打个完成的标签, 没有完成就抛出异常
// 2. 如果有兄弟节点, 那么接下来工作节点是该 xd
if (completedWork.sibling !== null) {
workInProgress = siblingFiber;
return;
}
// 3. 否则, 返回父亲节点
completedWork = completedWork.return;
workInProgress = completedWork;
} while (completedWork !== null);
// 最后, 是root节点, 结束
if (workInProgressRootExitStatus === RootIncomplete) {
workInProgressRootExitStatus = RootCompleted;
}
}3.上述总结
因果关系
基于这些原因，React不得不重构整个框架。
1. React (15ver-) 对创建和更新节点的处理，是通过 递归 。
2. 递归 ， 在未完成对整个 的遍历前，是不会停止的。
3. 该 任务 一直占用浏览器主线程，导致无 响应优先级更高 的任务。
4. 故，浏览器渲染超过临界时间，从视觉上来看，卡死 。主动思考
为了快速响应，防止丢帧，解决思路:
1. 将 任务 分解成 N个小任务；
2. If 一帧里没有 优先级更高的任务，则执行自己。
else 有其他 优先级高的事务, 优先执行其他。
If 等一帧有 空闲 再执行自己。
else 下一帧。我们再回头看下这个图，问题即转换如下:
如何将任务拆分？
如何判断优先级？
如何判断一帧空闲时，再执行？
...
Fiber 架构
推荐 https://github.com/7kms/react-illustration-series/tree/v17.0.1
推荐 https://react.iamkasong.com/preparation/oldConstructure.html
下面，不会有大段大段代码，去讲具体的实现。
而是，以因果逻辑，带你去了解 why，how，when (为什么、怎么做、何时做)。
4.抽象问题
上面我们说到了什么任务、优先级等等，我们通过图的方式，抽象下问题。
描述:
1. 任务A进入执行区域。
2. 在执行任务A的过程中，更高优先级任务B，请求被执行。
3. 但因为先来后到嘛，此时任务B因为无法被执行，而暂时被挂起，只能等待执行。
4. 只有执行完任务A后，才会执行任务B。上述流程可类比: 你在吃饭，突然你老板 给你打电话，你一定要坚持吃完饭，才接你老板的电话。
(脑补一下老板的表情)
很明显，这样处理问题，效率奇低无比。
按照我们在前情总结部分的诉求，将上述图变成这样是不是更合理些。
描述:
1. 任务A进入执行区域。
2. 在执行任务A的过程中，更高优先级任务B，请求被执行。
3. 考虑到任务B优先级更高，则将任务A没有执行完成的部分，Stash暂存。
4. 任务B被执行。当任务B被执行完成后，去执行剩余没有完成的任务A。上述流程可类比: 你在吃饭，突然你老板给你打电话，即使你没有吃完饭，也接起了你老板的电话，后继续吃饭。(脑补一下老板的表情)
5.核心关注
5.1 并发、调度
Concurrency & Scheduler
Concurrency 并发: 有能力优先处理更高优事务，同时对正在执行的中途任务可暂存，待高优完成后，再去执行。
concurrency is the ability of different parts or units of a program[13], algorithm[14], or problem[15] to be [executed](https://en.wikipedia.org/wiki/Execution_(computing "executed")) out-of-order or at the same time simultaneously partial order[16], without affecting the final outcome.
https://en.wikipedia.org/wiki/Concurrency_(computer_science)
Scheduler 协调调度: 暂存未执行任务，等待时机成熟后，再去安排执行剩下未完成任务。
考虑 所有任务可以被并发执行，就需要有个协调任务的调度算法。
看到这里，不知道你有没有发现一个大bug。
肯定是Call Stack[17]。
5.2 调用栈、虚拟调用栈帧
调用栈这里看起来就很不合理。
因为浏览器是利用调用栈来管理函数执行顺序的，秉承着先进后出原则，是如何做到某任务都入栈了，但是因为中途有其他事儿，就被中断。中断就不算了，还能中断后，接着后续再执行。
问题突然间就变成: pause a functioin call (暂停对一个函数的调用)。
巧了，像 generator 和 浏览器debugger 就可以做到中断函数调用。但考虑到可中断渲染，并可重回构造。React自行实现了一套体系叫做 React fiber 架构。
React Fiber 核心: 自行实现 虚拟栈帧。
That's the purpose of React Fiber. Fiber is reimplementation of the stack, specialized for React components. You can think of a single fiber as a virtual stack frame.
https://github.com/acdlite/react-fiber-architecture
看到这里，是不是觉得 React yyds。ps: 反正看不太懂的都是 yyds。
5.3 React 16 (+) 架构
6.数据结构
FiberNode.js[18]
Fiber的数据结构有三层信息: 实例属性、构建属性、工作属性。
下面以该demo代码为例:
123 6.1 实例属性
该Fiber的基本信息，例如组件类型等。
6.2 构建属性
构建属性 (return、child、sibling)，根据上面代码，我们构建一个Fiber树。
构建流程
和 2.2 流程和代码解析 部分不同的是:
-
分为同步或异步更新。
-
且增加的异步更新 使用该字段 shouldYield 来判断是否需要中断。
// performSyncWorkOnRoot会调用该方法
function workLoopSync() {
while (workInProgress !== null) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
}
// performConcurrentWorkOnRoot会调用该方法
function workLoopConcurrent() {
while (workInProgress !== null && ! shouldYield ()) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
}在一个递归循环里，递: beginWork()[19], 归 completeWork()[20]
虚线: 表达构建关系，但未完成状态。
实线: 已构建关系，并已执行某个状态。
实线 child 和 sibling 已执行beginWork()
实线 return 已执行 completeUnitOfWork()
1. 创建fiberNode FiberRootNode
2. 创建fiberNode rootFiber (即示例中 )
进入循环工作区域, workInProgress(工作指针指向 rootFiber)
3. 创建fiberNode App
beginWork() -> 只有一个子节点 -> workInProgress(工作指针指向App)
4. 创建fiberNode div
beginWork() -> 有多个子节点 -> workInProgress(工作指针指向div) 
5. 构建孩子们节点
按照5.1 -> 5.2 -> 5.3 顺序将每个节点创建。
6. workInProgress (工作指针指向h1)
beginWork() -> 没有子节点 -> completeUnitOfWork() -> 有兄弟节点，继续 ...6.3 工作属性
-
【数据】数据的变更会导致UI层的变更。
-
【协调】为了减少对DOM的直接操作，通过Reconcile进行diff查找，并将需要变更节点，打上标签，变更路径保留在effectList里。
-
【调度】待变更内容要有Scheduler优先级处理。
故，涉及到diff等查找操作，是需要有个高效手段来处理前后变化，即双缓存机制。
有关双缓存机制、数据更新、diff算法等，这里不做过多介绍。
7.Reconciler 和 Scheduler
上面，我们概述了fiberNode的数据结构，链表结构即可支持随时随时中断的诉求。
下面我们简述下架构中两个核心模块:
-
Reconciler (协调): 负责找出变化的组件。
-
Scheduler (调度): 负责找出高优任务。
7.1 Reconciler 运行流程浅析
-
【输入】 当数据初始化或变化，最后会调用
schedulerUpdateOnFiber该方法。
-
不需要调度，直接去构造fiber树。
-
需要调度，注册调度任务。
// scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime) 以下为阉割版代码
// 同步
if (lane === SyncLane) {
if (
// Check if we're inside unbatchedUpdates (没有一次事件回调中触发多次更新)
(executionContext & LegacyUnbatchedContext) !== NoContext &&
// Check if we're not already rendering (是否尚未渲染)
(executionContext & (RenderContext | CommitContext)) === NoContext) {
// 不调度, 直接去构造fiber树
performSyncWorkOnRoot(root);
}
}
// 否则，需要调度交给Scheduler后，再去构造fiber树
ensureRootIsScheduled(root, eventTime);-
【注册任务】
ensureRootIsScheduled
两类任务:
-
performSyncWorkOnRoot 同步构建tree。
-
performConcurrentWorkOnRoot 异步构建tree。
scheduleSyncCallback 或 scheduleCallback: 将上述两类任务封装到了对应的任务队列中。
// ensureRootIsScheduled
function ensureRootIsScheduled(root, currentTime) {
// ....
// 1. 优先级最高，立刻马上要同步执行
if (newCallbackPriority === SyncLanePriority) {
newCallbackNode = scheduleSyncCallback(performSyncWorkOnRoot.bind(null, root));
// 2. 同步批量更新
} else if (newCallbackPriority === SyncBatchedLanePriority) {
newCallbackNode = scheduleCallback(ImmediatePriority$1, performSyncWorkOnRoot.bind(null, root));
} else {
// 3. 异步优先级登记
var schedulerPriorityLevel = lanePriorityToSchedulerPriority(newCallbackPriority);
newCallbackNode = scheduleCallback(schedulerPriorityLevel, performConcurrentWorkOnRoot.bind(null, root));
}
// ...
// 更新rootFiber 任务
root.callbackNode = newCallbackNode;
}同步任务会放到syncQueue 队列，会被立即被执行。
var _queue = syncQueue;
// 执行所有同步任务
runWithPriority(ImmediatePriority, () => {
for (; i < queue.length; i++) {
let callback = queue[i];
do {
callback = callback(isSync);
} while (callback !== null);
}
});
// 清空同步任务
syncQueue = null;异步处理会调用 scheduler方法 unstable_scheduleCallback，其实是requestIdleCallback替代品，该方法传入回调任务，和过期时间，来安排任务的执行。
function unstable_scheduleCallback(callback, deprecated_options) {}-
【执行任务回调】
下面 performSyncWorkOnRoot 和 performConcurrentWorkOnRoot 不同的是: 异步执行任务，可随时中断渲染 shouldYield()
同步执行构建树
function performSyncWorkOnRoot(root) {
// 1. 构建树
/*
renderRootSync 会 调用该方法 workLoopSync
while (workInProgress !== null) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
*/
renderRootSync(root, lanes)
// 2. 输出树 (可看下双缓存机制)
finishedWork = root.current.alternate;
}异步执行构建树
function performConcurrentWorkOnRoot(root) {
// 1. 构建树
/*
renderRootConcurrent 会 调用该方法 workLoopConcurrent
while (workInProgress !== null && !shouldYield() ) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
*/
renderRootConcurrent(root, lanes);
// 2. 输出树 (可看下双缓存机制)
finishConcurrentRender(root, exitStatus, lanes);
// 3. check 是否还有其他更新, 是否需要发起新调度
ensureRootIsScheduled(root, now());
if (root.callbackNode === originalCallbackNode) {
// 当前执行的任务被中断，返回个新的，再次渲染。
return performConcurrentWorkOnRoot.bind(null, root);
}
return null;
}-
【输出】
将变更内容，输出至界面。详细看 commitRoot方法的实现。这里不做扩展。
-
小总结
7.2 Scheduler 运行流程浅析
workloop.js[21]
上面我们说到了同步和异步的任务，异步任务是可以中断且需要Scheduler配合处理。
注意只有异步任务即开启了并发模式，才会有时间分片。
workLoop是 实现时间切片 和 可中断渲染的核心。也是我们上面说到的虚拟栈帧的能力 。
以下为了说明，简化流程:
// 并发任务的入口
function workLoopConcurrent() {
// Perform work until Scheduler asks us to yield
// 有任务 & 是否需要中断
while (workInProgress !== null && !shouldYield() ) {
performUnitOfWork(workInProgress);
}
}
const scheduler = {
// 任务放到队列里，等待空闲执行
taskQueue: [
{
// 每个任务是个回调的概念, 且回调任务是可中断的
callback: workLoopConcurrent
}
],
// 判断: 是否需要中断, 将控制权交给主进程
shouldYieldToHost () {
// 没有剩余时间
if (currentTime >= deadline) {
// 但需要渲染 和 有更高优任务
if (needsPaint || scheduling.isInputPending()) {
return true; // 中断
}
// 是否超过 300ms
return currentTime >= maxYieldInterval;
}
// 还有剩余时间
return false;
},
// 执行入口可见
workLoop () {
// 当前第一个任务
currentTask = taskQueue[0];
// 每次 currentTask 退出 就是一个时间切切片
while(currentTask !== null) {
// 任务没有过期, 但一帧已经无可用时间 或 需要被中断, 则让出主线程
// 每一次执行均进行超时检测，做到让出主线程。
if (currentTask.expirationTime > currentTime
&& (!hasTimeRemaining || shouldYieldToHost())) {
break
}
// 执行任务
const callback = currentTask.callback;
const continuationCallback = callback(didUserCallbackTimeout);
// 如果该任务后, 还有连续回调
if (typeof continuationCallback === 'function') {
// 则保留当前
currentTask.callback = continuationCallback;
} else {
// 将currentTask移除该队列
pop(taskQueue);
}
// 更新currentTask
currentTask = peek(taskQueue);
}
},
}简而言之:
-
有个任务队列 queue，该队列存放可中断的任务。
-
workLoop对队列里取第一个任务currentTask，进入循环开始执行。
-
如果任务执行完后，还有连续的回调，则 currentTask.callback = continuationCallback
-
否则移除已完成的任务
-
当该任务没有时间 或 需要中断 (渲染任务 或 其他高优任务插入等)，则让出主线程。
-
否则执行任务 currentTask.callback()
-
更新任务currentTask，继续循环走起。
这里还涉及更多细节，例如:
-
requestAnimationFrame 计算一帧的空余时间；
-
使用new MessageChannel () 执行宏任务;
-
优先级;
-
...
这里不做详细说明。
8.小总结
-
我们想要实现并发诉求，就需要从底层重构，即FiberNode的实现。
-
调用栈call stack是无法做到并发 (异步可中断) 诉求，故React自行实现了一套虚拟栈帧。
-
虚拟栈帧 是要具备调度能力的，也就是如何在适当的时候去执行任务。
-
scheduler 可做到异步可中断，并可自主分配优先级高低的任务。
(即任务 (状态: 运行/中断/继续) Lane运行策略)
(实际上，scheduler + Lane 调度策略远比该处理复杂的多)
图: 前后对比 (个人理解, 错误请指正)
以上，同学们是不是对React Fiber架构有了初步的理解哦~
其他说明
双缓存机制
参考: 双缓存Fiber树[22]
至多有两棵 Fiber Tree。
分别叫做current fiber tree 和 workInProgress fiber tree。
即在屏幕上已建立的fiber tree 和 因为数据变化重新在内存里创建的fiber tree。
他们之间是通过 alternate属性(指针) 建立连接。
简单的说:
-
就是workInProgress fiber的创建 是否可复用 current fiber的节点。后续可再详看diff算法。
-
workInProgress fiber tree 将确定要变更节点，渲染到屏幕上。
-
workInProgress fiber tree 晋升为 current fiber tree。
参考资料
[1]
从内部了解现代浏览器(3): https://juejin.cn/post/6844903687383416840
[2]渲染树构建、布局及绘制: https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/critical-rendering-path/render-tree-construction
[3]RequestIdleCallback 实验: https://github.com/Linjiayu6/FE-RequestIdleCallback-demo
[4]RequestIdleCallback: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Window/requestIdleCallback
[5]RequestIdleCallback: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Window/requestIdleCallback
[6]RequestIdleCallback 实验: https://github.com/Linjiayu6/FE-RequestIdleCallback-demo
[7]React: stack reconciler实现: https://zh-hans.reactjs.org/docs/implementation-notes.html
[8]React 算法之深度优先遍历: https://juejin.cn/post/6912280245055782920
[9]调用栈: https://segmentfault.com/a/1190000010360316
[10]Leetcode: 斐波拉契数列: https://leetcode-cn.com/problems/fei-bo-na-qi-shu-lie-lcof/
[11]Leetcode: 70. 爬楼梯: https://leetcode-cn.com/problems/climbing-stairs/
[12]ReactFiberWorkLoop.old.js: https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.1/packages/react-reconciler/src/ReactFiberWorkLoop.old.js#L1558
[13]program: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_program
[14]algorithm: https://en.wikipedia.org/wiki/Algorithm
[15]problem: https://en.wikipedia.org/wiki/Problem_solving
[16]partial order: https://en.wikipedia.org/wiki/Partial_Order
[17]Call Stack: https://segmentfault.com/a/1190000021456103
[18]FiberNode.js: https://github.com/facebook/react/blob/1fb18e22ae66fdb1dc127347e169e73948778e5a/packages/react-reconciler/src/ReactFiber.new.js#L117
[19]beginWork(): https://github.com/facebook/react/blob/970fa122d8188bafa600e9b5214833487fbf1092/packages/react-reconciler/src/ReactFiberBeginWork.new.js#L3058
[20]completeWork(): https://github.com/facebook/react/blob/970fa122d8188bafa600e9b5214833487fbf1092/packages/react-reconciler/src/ReactFiberCompleteWork.new.js#L652
[21]workloop.js: https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.1/packages/scheduler/src/Scheduler.js#L164
[22]双缓存Fiber树: https://react.iamkasong.com/process/doubleBuffer.html#update%E6%97%B6