Vue 3 Fiber架构（潜在）：探讨实现并发渲染与时间切片的可能性 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Vue 3 Fiber 架构：探索并发渲染与时间切片

大家好！今天我们来深入探讨一下 Vue 3 中 Fiber 架构，以及它如何赋能并发渲染和时间切片，从而提升 Vue 应用的性能和用户体验。Fiber 架构是 React 引入的一个重要概念，Vue 3 也借鉴了其思想，并进行了自己的实现。理解 Fiber 架构对于优化 Vue 应用至关重要。

1. 渲染的瓶颈：同步更新的问题

在传统的 Vue 2 渲染过程中，更新视图是同步进行的。这意味着当组件状态发生改变时，Vue 会立即执行虚拟 DOM 的 Diff 算法，并直接更新真实的 DOM。如果组件树非常庞大，或者 Diff 和 DOM 更新过程复杂，这个同步更新过程就会阻塞 JavaScript 主线程，导致页面卡顿，影响用户交互。

想象一下一个大型电商网站，用户在搜索框输入关键词，每次输入都会触发组件更新。如果每次更新都阻塞主线程，用户就会明显感觉到输入延迟，体验非常糟糕。

解决这个问题的关键在于将同步更新任务分解成更小的、可中断的任务，并在浏览器空闲时逐步执行，这就是并发渲染和时间切片的核心思想。

2. Fiber 架构：任务拆分的基础

Fiber 架构的核心思想是将组件树的更新过程分解成一个个Fiber 节点，每个 Fiber 节点代表一个工作单元。Fiber 节点不仅包含了组件的信息，还包含了该组件需要执行的工作（例如 Diff、DOM 更新等）。

我们可以把 Fiber 节点想象成一个个独立的任务，这些任务可以被打断、暂停、恢复，甚至可以设置优先级。Vue 3 通过 Fiber 架构，将庞大的同步更新任务分解成多个小的 Fiber 任务，从而实现并发渲染。

Fiber 节点的主要属性：

属性	描述
`type`	组件类型（例如：`div`, `MyComponent`）
`key`	用于 Diff 算法优化，标识唯一性
`props`	组件的属性
`children`	子 Fiber 节点
`return`	父 Fiber 节点
`alternate`	指向另一个 Fiber 节点，用于双缓冲技术（稍后会详细介绍）
`effectTag`	标记 Fiber 节点需要执行的操作（例如：`Placement`, `Update`, `Deletion`）
`stateNode`	指向组件实例或者 DOM 节点
`memoizedProps`	上一次渲染的 props，用于比较前后 props 是否发生改变
`memoizedState`	上一次渲染的 state，用于比较前后 state 是否发生改变
`pendingProps`	即将用于下一次渲染的 props
`pendingState`	即将用于下一次渲染的 state
`updateQueue`	存储更新队列，用于处理异步更新

代码示例（简化的 Fiber 节点结构）：

class FiberNode {
  constructor(type, key, props) {
    this.type = type;
    this.key = key;
    this.props = props;
    this.children = null;
    this.return = null;
    this.alternate = null;
    this.effectTag = null;
    this.stateNode = null;
    this.memoizedProps = null;
    this.memoizedState = null;
    this.pendingProps = props;
    this.pendingState = null;
    this.updateQueue = [];
  }
}

这个简单的 FiberNode 类包含了 Fiber 节点的基本属性。在实际的 Vue 3 实现中，Fiber 节点的结构更加复杂，包含了更多的属性和方法。

3. 工作循环：并发渲染的核心

有了 Fiber 节点，接下来就是如何利用这些节点进行并发渲染。Vue 3 采用了一个工作循环 (Work Loop) 来处理 Fiber 任务。

工作循环是一个循环执行的函数，它会不断地从 Fiber 树中获取下一个需要处理的 Fiber 节点，执行相应的操作，并更新 Fiber 树。

工作循环的主要步骤：

选择下一个 Fiber 节点： 从 Fiber 树的根节点开始，根据一定的策略（例如深度优先遍历），选择下一个需要处理的 Fiber 节点。
执行 Fiber 节点的工作： 根据 Fiber 节点的 effectTag 属性，执行相应的操作，例如 Diff 算法、创建 DOM 节点、更新 DOM 节点等。
更新 Fiber 树： 根据执行结果，更新 Fiber 节点的属性，例如 memoizedProps, memoizedState 等。
判断是否需要中断： 在执行完一个 Fiber 节点的工作后，判断是否需要中断工作循环，例如浏览器是否需要处理更高优先级的任务（例如用户交互）。如果需要中断，则暂停工作循环，并将控制权交还给浏览器。
恢复工作循环： 当浏览器空闲时，恢复工作循环，继续处理剩余的 Fiber 节点。

代码示例（简化的工作循环）：

let nextUnitOfWork = null; // 下一个要执行的 Fiber 节点

function workLoop(deadline) {
  let shouldYield = false; // 是否应该让出控制权
  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork); // 执行 Fiber 节点的工作
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1; // 判断是否还有剩余时间
  }

  if (!nextUnitOfWork) {
    // 所有 Fiber 节点都处理完毕
    commitRoot();
  }

  requestIdleCallback(workLoop); // 注册下一次空闲回调
}

function performUnitOfWork(fiber) {
  // 执行 Fiber 节点的工作，并返回下一个 Fiber 节点
  // ...
}

function commitRoot() {
  // 将 Fiber 树的更新应用到真实的 DOM
  // ...
}

requestIdleCallback(workLoop); // 启动工作循环

这段代码展示了一个简化的工作循环。requestIdleCallback 是一个浏览器 API，它允许我们在浏览器空闲时执行回调函数。deadline.timeRemaining() 方法可以获取浏览器剩余的空闲时间。

通过 requestIdleCallback 和 deadline.timeRemaining()，我们可以实现时间切片，将庞大的更新任务分解成多个小的任务，并在浏览器空闲时逐步执行，从而避免阻塞主线程。

4. 双缓冲：保证视图的一致性

在并发渲染的过程中，我们可能会中断工作循环，这意味着 Fiber 树可能会处于一个不完整的状态。如果直接将这个不完整的 Fiber 树应用到真实的 DOM，就会导致视图出现撕裂 (Tearing) 的问题。

为了解决这个问题，Vue 3 采用了双缓冲 (Double Buffering) 技术。

双缓冲技术维护了两棵 Fiber 树：

current Fiber 树： 代表当前屏幕上显示的视图。
workInProgress Fiber 树： 代表正在构建的新的视图。

在工作循环中，我们不断地更新 workInProgress Fiber 树，当 workInProgress Fiber 树构建完成后，我们会将 current Fiber 树指向 workInProgress Fiber 树，并将新的视图应用到真实的 DOM。

这个过程是原子性的，也就是说，要么全部更新成功，要么全部不更新。这样就可以保证视图的一致性，避免出现撕裂的问题。

代码示例（双缓冲）：

let currentRoot = null; // 当前的 Fiber 树
let workInProgressRoot = null; // 正在构建的 Fiber 树

function commitRoot() {
  // 将 workInProgressRoot 应用到真实的 DOM
  commitWork(workInProgressRoot.child);
  currentRoot = workInProgressRoot; // 更新 currentRoot
  workInProgressRoot = null; // 重置 workInProgressRoot
}

function commitWork(fiber) {
  if (!fiber) {
    return;
  }

  const domNode = fiber.stateNode;

  if (fiber.effectTag === "Placement") {
    // 创建 DOM 节点
    // ...
  } else if (fiber.effectTag === "Update") {
    // 更新 DOM 节点
    // ...
  } else if (fiber.effectTag === "Deletion") {
    // 删除 DOM 节点
    // ...
  }

  commitWork(fiber.child);
  commitWork(fiber.sibling);
}

这段代码展示了双缓冲的基本原理。currentRoot 指向当前的 Fiber 树，workInProgressRoot 指向正在构建的 Fiber 树。commitRoot 函数会将 workInProgressRoot 应用到真实的 DOM，并更新 currentRoot。

5. Effect Tag：标记需要执行的操作

在 Fiber 架构中，每个 Fiber 节点都有一个 effectTag 属性，用于标记该节点需要执行的操作。

常见的 Effect Tag：

Effect Tag	描述
`Placement`	需要创建新的 DOM 节点
`Update`	需要更新已有的 DOM 节点
`Deletion`	需要删除已有的 DOM 节点
`Passive`	需要执行副作用（例如：`useEffect`）
`Snapshot`	需要在 DOM 更新之前执行的操作（例如：获取滚动位置）

在工作循环中，我们会根据 Fiber 节点的 effectTag 属性，执行相应的操作。

代码示例（根据 Effect Tag 执行操作）：

function commitWork(fiber) {
  if (!fiber) {
    return;
  }

  const domNode = fiber.stateNode;

  switch (fiber.effectTag) {
    case "Placement":
      // 创建 DOM 节点
      // ...
      break;
    case "Update":
      // 更新 DOM 节点
      // ...
      break;
    case "Deletion":
      // 删除 DOM 节点
      // ...
      break;
    case "Passive":
      // 执行副作用
      // ...
      break;
  }

  commitWork(fiber.child);
  commitWork(fiber.sibling);
}

这段代码展示了如何根据 Fiber 节点的 effectTag 属性，执行相应的操作。

6. 优先级调度：区分任务的重要性

在并发渲染中，并不是所有的更新都具有相同的优先级。例如，用户交互（例如点击、输入）应该具有更高的优先级，而后台数据更新可以具有较低的优先级。

Vue 3 允许我们为不同的更新设置不同的优先级，并根据优先级调度任务的执行顺序。

常见的优先级：

优先级	描述
`Immediate`	立即执行，用于处理用户交互等高优先级任务
`UserBlocking`	阻止用户操作，用于处理一些重要的更新，例如页面跳转
`Normal`	默认优先级，用于处理大部分更新
`Low`	低优先级，用于处理一些不重要的更新，例如数据预加载
`Idle`	空闲优先级，用于在浏览器空闲时执行的任务，例如统计分析

在工作循环中，我们会根据任务的优先级，选择下一个要执行的 Fiber 节点。高优先级的任务会优先执行，从而保证用户体验。

代码示例（优先级调度）：

// 假设我们有一个任务队列，存储了不同优先级的任务
const taskQueue = {
  Immediate: [],
  UserBlocking: [],
  Normal: [],
  Low: [],
  Idle: [],
};

function getNextTask() {
  // 从任务队列中获取下一个要执行的任务，优先级高的任务优先执行
  if (taskQueue.Immediate.length > 0) {
    return taskQueue.Immediate.shift();
  } else if (taskQueue.UserBlocking.length > 0) {
    return taskQueue.UserBlocking.shift();
  } else if (taskQueue.Normal.length > 0) {
    return taskQueue.Normal.shift();
  } else if (taskQueue.Low.length > 0) {
    return taskQueue.Low.shift();
  } else if (taskQueue.Idle.length > 0) {
    return taskQueue.Idle.shift();
  } else {
    return null;
  }
}

function workLoop(deadline) {
  let shouldYield = false;
  while (!shouldYield) {
    const task = getNextTask();
    if (task) {
      task(); // 执行任务
    } else {
      break; // 没有任务了
    }
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1;
  }

  requestIdleCallback(workLoop);
}

requestIdleCallback(workLoop);

这段代码展示了一个简单的优先级调度机制。taskQueue 存储了不同优先级的任务，getNextTask 函数会从任务队列中获取下一个要执行的任务，优先级高的任务优先执行。

7. Vue 3 中的 Fiber 架构实现细节

虽然 Vue 3 借鉴了 React 的 Fiber 架构思想，但在具体的实现上有所不同。

基于 Proxy 的响应式系统： Vue 3 使用 Proxy 替代了 Vue 2 的 Object.defineProperty，从而实现了更高效的响应式系统。Proxy 可以更细粒度地追踪数据的变化，减少不必要的组件更新。
静态提升 (Static Hoisting)： Vue 3 会将静态节点提升到模板之外，避免在每次渲染时都重新创建这些节点，从而提升渲染性能。
Patch Flag： Vue 3 引入了 Patch Flag，用于标记动态节点的变化类型，从而更精确地更新 DOM，减少不必要的 DOM 操作。

这些优化措施与 Fiber 架构相结合，使得 Vue 3 在性能方面有了显著的提升。

8. 总结：Fiber 架构带来的性能优势

通过 Fiber 架构，Vue 3 实现了并发渲染和时间切片，从而提升了应用的性能和用户体验。

避免阻塞主线程： 将庞大的更新任务分解成多个小的任务，并在浏览器空闲时逐步执行，从而避免阻塞主线程，提高页面的响应速度。
提高用户体验： 通过优先级调度，优先处理用户交互等高优先级任务，从而提高用户体验。
保证视图的一致性： 通过双缓冲技术，保证视图的一致性，避免出现撕裂的问题。

Vue 3 的 Fiber 架构是一个复杂而精妙的设计，它充分利用了浏览器的空闲时间，实现了更高效的渲染。理解 Fiber 架构对于优化 Vue 应用至关重要。

9. 实践建议：优化 Vue 应用性能

合理使用 key 属性： 在使用 v-for 渲染列表时，一定要为每个列表项设置唯一的 key 属性，这可以帮助 Vue 更高效地进行 Diff 算法。
避免不必要的组件更新： 使用 computed 属性和 memo 函数，避免不必要的组件更新。
合理使用异步组件： 将不重要的组件延迟加载，可以减少初始加载时间。
利用 Vue Devtools 进行性能分析： Vue Devtools 可以帮助我们分析应用的性能瓶颈，找到需要优化的部分。

通过这些实践建议，我们可以更好地利用 Vue 3 的 Fiber 架构，优化应用的性能，提升用户体验。

总而言之，深入理解 Fiber 架构对于构建高性能的 Vue 应用至关重要，它使我们能够更好地控制渲染过程，优化用户体验。

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