Scheduler 调度器原理：React 是如何模拟实现 `requestIdleCallback` 的？ - 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

各位编程爱好者，大家好！

今天，我们将深入探讨一个在现代前端框架中至关重要的概念：调度器（Scheduler）。特别是，我们将聚焦于 React，这个广受欢迎的 JavaScript 库，如何在其核心深处模拟并实现一个与浏览器原生 requestIdleCallback 精神相符，但又更强大、更可控的调度机制。这不仅是理解 React Concurrent Mode 的基石，更是掌握高性能、响应式用户界面构建原理的关键。

1. 响应式用户界面的挑战与合作式调度的崛起

在用户界面（UI）开发中，流畅的交互体验是黄金法则。这意味着动画不能卡顿，用户输入必须立即得到响应，页面滚动要平滑无阻。然而，JavaScript 是单线程的。当主线程被长时间的计算任务霸占时，它无法处理用户输入、更新渲染，从而导致 UI 卡顿，也就是我们常说的“掉帧”或“Jank”。

传统的 JavaScript 执行模型是“抢占式”的。一旦一个函数开始执行，它就会一直运行直到完成，或者抛出错误，期间不会被中断。这对于简单的任务来说没问题，但对于复杂的 UI 更新（如 React 中的调和过程，即 Reconcile），如果一次性处理所有组件的更新，很容易阻塞主线程。

为了解决这个问题，我们需要一种机制，让长时间的任务能够被分解成小块，并且在每一小块执行完毕后，主动地将控制权交还给浏览器，让浏览器有机会去处理更高优先级的任务，比如渲染更新或用户输入。这种机制被称为 合作式调度（Cooperative Scheduling）。

合作式调度的核心思想是：

任务拆分： 将一个大的任务拆分成多个小的、可管理的工作单元。
主动让出： 在每个工作单元执行完毕后，任务主动检查是否有时间剩余，或者是否有更高优先级的任务等待执行。如果没有足够的时间或存在更高优先级任务，它就暂停执行，将控制权让给浏览器。
恢复执行： 当浏览器再次空闲时，或者在下一个合适的时机，被暂停的任务可以从上次中断的地方继续执行。

这与操作系统的抢占式调度不同，后者是由操作系统强制中断正在运行的进程。合作式调度则依赖于任务自身的自觉。

2. `requestIdleCallback`：浏览器的初步尝试

浏览器社区也认识到了合作式调度的重要性，并为此引入了一个实验性的 API：requestIdleCallback。

requestIdleCallback 的设计初衷是让开发者能够在浏览器空闲时执行一些低优先级的、非必要的任务，而不会影响用户体验。例如，发送分析数据、预取资源、或者执行一些后台计算。

2.1 `requestIdleCallback` 的工作原理

当浏览器判断当前帧绘制完毕，并且在下一帧到来之前有一段空闲时间时，它就会触发 requestIdleCallback 的回调函数。

其基本语法如下：

window.requestIdleCallback(callback, { timeout });

callback: 一个在浏览器空闲时执行的函数。这个函数会接收一个 IdleDeadline 对象作为参数。
options: 一个可选对象，目前只支持一个属性：
- timeout: 一个数字，表示如果指定毫秒内没有空闲时间，回调函数也必须被执行。这为低优先级任务提供了一个最长等待时间，防止它们永远不被执行。

2.2 `IdleDeadline` 对象

IdleDeadline 对象是 requestIdleCallback 回调函数的唯一参数，它包含两个有用的属性：

didTimeout: 一个布尔值，表示回调函数是否是因为 timeout 选项而强制执行的。如果是 true，意味着浏览器并没有真正的空闲时间，但为了确保任务完成，它被强制执行了。
timeRemaining(): 一个函数，返回当前帧还剩余多少毫秒的空闲时间。这个值是动态变化的，并且会随着浏览器执行其他任务而减少。如果为 0，意味着已经没有空闲时间了，应该立即停止当前任务或将其拆分。

以下是一个简单的 requestIdleCallback 示例：

function myLowPriorityTask(deadline) {
  // 检查是否因为超时而强制执行
  if (deadline.didTimeout) {
    console.warn("任务因为超时而强制执行，可能导致性能问题。");
  }

  // 只要还有时间，就继续执行任务
  while (deadline.timeRemaining() > 0 && tasksQueue.length > 0) {
    const task = tasksQueue.shift();
    console.log(`执行任务：${task}，剩余时间：${deadline.timeRemaining().toFixed(2)}ms`);
    // 模拟耗时操作
    doSomeWork(task);
  }

  // 如果队列中还有任务，但时间已用尽，则重新调度
  if (tasksQueue.length > 0) {
    console.log("时间用尽，重新调度剩余任务...");
    window.requestIdleCallback(myLowPriorityTask, { timeout: 1000 });
  } else {
    console.log("所有任务完成。");
  }
}

const tasksQueue = ["Task A", "Task B", "Task C", "Task D", "Task E"];

function doSomeWork(task) {
  // 模拟一个耗时操作，例如：
  // let start = performance.now();
  // while (performance.now() - start < 5) {} // 假设每个任务需要5ms
}

console.log("开始调度低优先级任务...");
window.requestIdleCallback(myLowPriorityTask, { timeout: 1000 });

2.3 `requestIdleCallback` 的局限性

尽管 requestIdleCallback 的理念非常先进，但它作为 React 这样核心调度器的基础，存在一些关键的局限性：

浏览器支持不佳： 直到今天，requestIdleCallback 仍然不是所有主流浏览器都完全支持的稳定 API。尤其是在移动端浏览器和一些较旧的桌面浏览器中，它的表现可能不一致或根本不存在。
调用频率和时机不可控： 浏览器对“空闲时间”的判断是启发式的，它不保证在每一帧都有空闲时间，甚至可能在很长时间内都不调用回调。这意味着依赖 requestIdleCallback 的任务可能被无限期地延迟。
空闲时间往往很短： 即使 requestIdleCallback 被调用，timeRemaining() 返回的值也可能非常小，甚至为 0。这使得执行复杂任务变得困难，因为任务需要被切分得非常细碎，增加了管理开销。
超时机制的副作用： 虽然 timeout 选项可以确保任务最终执行，但如果任务是因超时而强制执行，意味着浏览器并没有真正的空闲时间，此时执行任务仍可能导致 UI 卡顿。这违背了合作式调度的初衷。
无法精确控制优先级： requestIdleCallback 本身只处理“低优先级”任务，它没有内置机制来区分不同级别的低优先级任务（例如，用户输入处理后的次要更新 vs. 后台数据同步）。

鉴于这些局限性，React 无法直接依赖 requestIdleCallback 来实现其核心的调度逻辑。它需要一个更稳定、更可控、更可预测的自定义调度器。

3. React 的调度哲学：Fiber 架构与时间切片

在深入 React 如何模拟 requestIdleCallback 之前，我们必须理解 React 内部架构的演变。React 16 引入了 Fiber 架构，这是一个从根本上改变了 React 调和过程的新实现。

在 Fiber 之前，React 使用的是“栈调和器”（Stack Reconciler）。它的工作方式是递归地遍历组件树，一次性计算出所有更新。这个过程是同步且不可中断的。一旦开始，就必须完成，这正是导致 UI 卡顿的根本原因。

Fiber 架构的目标就是实现 可中断的调和。它将调和过程分解成一系列小的工作单元（Fiber）。每个 Fiber 代表一个组件或一个 DOM 节点，并且可以被视为一个“工作单元”。

通过 Fiber 架构，React 能够：

暂停和恢复工作： 调和过程不再是同步的递归，而是一个链表遍历。React 可以在处理完一个 Fiber 后，检查是否有时间剩余，或者是否有更高优先级的任务。如果需要，它可以暂停当前工作，将控制权交还给浏览器，并在稍后从中断的地方继续。
分配优先级： 不同的更新可以有不同的优先级。例如，用户输入触发的更新（如文本输入）应该比不重要的后台数据更新具有更高的优先级。
时间切片（Time Slicing）： React 不再一次性处理所有更新，而是将工作切分成小的“时间片”。在每个时间片内，它会尽可能多地处理工作，但一旦时间片用尽，它就会暂停并等待下一个机会。

Fiber 架构为 React 的调度器提供了底层支持，使得合作式调度成为可能。而调度器则负责协调这些 Fiber 工作单元的执行，决定何时暂停、何时恢复、以及以何种优先级执行。

4. 浏览器事件循环与调度器选型

要理解 React 调度器的实现，我们必须对浏览器事件循环有一个清晰的认识。事件循环是 JavaScript 运行时模型的核心，它决定了代码的执行顺序。

4.1 浏览器事件循环的简化模型

调用栈（Call Stack）： 执行同步代码。
Web API： 浏览器提供的异步功能，如 setTimeout, setInterval, Promise, fetch, DOM 事件等。
任务队列（Task Queue / Macrotask Queue）： 存储宏任务的回调函数，如 setTimeout, setInterval, I/O, UI rendering, MessageChannel。
微任务队列（Microtask Queue）： 存储微任务的回调函数，如 Promise.then(), MutationObserver。

事件循环的执行顺序大致如下：

执行调用栈中的所有同步代码。
当调用栈清空后，执行微任务队列中的所有微任务，直到微任务队列清空。
执行完微任务后，如果需要渲染，浏览器会进行渲染。
渲染完成后，从宏任务队列中取出一个宏任务执行。
重复上述过程。

4.2 常用调度 API 在事件循环中的位置

不同的浏览器 API 在事件循环中具有不同的优先级和执行时机。

API / 机制	类型	执行时机	宏任务	任务队列	优先级最低，每次事件循环迭代结束，且微任务队列已清空后，从宏任务队列中取一个任务执行。在执行完所有宏任务后，如果需要，浏览器会进行渲染。	Macrotask (`setTimeout(0)`)	宏任务	在所有微任务执行完毕后，并且当前微任务队列清空后，从宏任务队列中取出一个任务执行。`setTimeout(0)` 并不是立即执行，而是至少等待当前调用栈清空后，并且在下一个宏任务事件循环迭代中执行。它的延迟可能比 `MessageChannel` 更好预测，但在某些情况下（如后台标签页）可能被浏览器节流。
`setTimeout(callback, 0)`	宏任务	优先级最低，`setTimeout(0)` 的作用是把回调函数放到任务队列中，在当前宏任务执行完成后，并且微任务队列被清空后，浏览器会从宏任务队列中取出一个任务执行。它不保证立即执行，但能将一个长任务分解，给浏览器渲染和其他任务留出机会。在没有 `MessageChannel` 的环境（如 Web Workers），或作为 `MessageChannel` 的降级方案时使用。

1. 响应式用户界面的挑战与合作式调度的崛起

2. requestIdleCallback：浏览器的初步尝试

2.1 requestIdleCallback 的工作原理

2.2 IdleDeadline 对象

2.3 requestIdleCallback 的局限性