JavaScript内核与高级编程之：`React`的`Fiber`架构：如何实现可中断的渲染，以及其与调度器的关系。 - 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

各位好，欢迎来到今天的“React Fiber架构探秘”讲座。今天咱们不整那些虚头巴脑的，直接撸起袖子，看看React Fiber到底是个什么玩意儿，它怎么实现可中断渲染，又和调度器之间有什么不得不说的故事。

一、传统React的困境：卡顿！卡顿！还是卡顿！

想象一下，你正在开发一个复杂的React应用，页面上有成百上千个组件。当你更新某个组件的状态时，React会做什么？它会一口气遍历整个组件树，计算出需要更新的DOM，然后一次性更新到页面上。

这种方式简单粗暴，被称为“同步更新”。它就像一个辛勤的工人，一旦开始工作，就必须一口气干完，期间不能休息，也不能被打断。

问题来了，如果组件树非常庞大，更新过程就会非常耗时。在更新期间，浏览器会停止响应用户的操作，导致页面卡顿，用户体验直线下降。尤其是在移动端，这种卡顿更加明显。

举个例子：

function App() {
  const [count, setCount] = React.useState(0);

  const handleClick = () => {
    setCount(count + 1);
  };

  // 模拟一个复杂的组件树
  const renderLongList = () => {
    const items = [];
    for (let i = 0; i < 10000; i++) {
      items.push(<li key={i}>Item {i}</li>);
    }
    return <ul>{items}</ul>;
  };

  return (
    <div>
      <button onClick={handleClick}>Increase Count</button>
      <p>Count: {count}</p>
      {renderLongList()}
    </div>
  );
}

在这个例子中，renderLongList函数会渲染一个包含10000个<li>元素的列表。当点击按钮更新count时，React会重新渲染整个组件树，包括这个庞大的列表。在渲染过程中，浏览器可能会出现明显的卡顿。

用表格总结一下传统React同步更新的缺点：

缺点	描述
耗时	对于大型组件树，更新过程可能非常耗时。
阻塞主线程	在更新期间，浏览器会停止响应用户的操作。
导致页面卡顿	页面卡顿影响用户体验。
不利于动画和交互	同步更新会打断动画和交互，造成视觉上的不流畅。

二、 Fiber架构：化整为零，分而治之

为了解决传统React的困境，React团队推出了Fiber架构。Fiber架构的核心思想是：将一个大的更新任务分解成多个小的任务，每个任务执行一小段时间，然后让出控制权，让浏览器有机会处理其他任务（如用户输入、动画等）。当浏览器空闲时，再继续执行下一个任务。

这种方式就像一个聪明的工人，他会将一个大的工程分解成多个小的任务，每次只完成一个小任务，然后休息一下，看看有没有其他更紧急的任务需要处理。

Fiber架构引入了两个关键概念：

Fiber: Fiber可以理解为一个虚拟的堆栈帧。它代表一个React组件的渲染单元，包含组件的类型、props、state等信息。Fiber对象是React进行增量更新的基础。
Scheduler: 调度器负责调度Fiber任务的执行。它会根据任务的优先级和浏览器的空闲时间，决定何时执行哪个任务。

Fiber长什么样？

虽然我们看不到Fiber的内部结构，但可以想象它包含以下信息：

type: 组件的类型（如<div>、<MyComponent>等）。
key: 组件的key。
props: 组件的props。
stateNode: 与Fiber关联的DOM节点或组件实例。
child: 指向第一个子Fiber。
sibling: 指向下一个兄弟Fiber。
return: 指向父Fiber。
effectTag: 标记Fiber需要执行的副作用（如更新DOM、调用生命周期函数等）。
alternate: 指向当前Fiber的另一个版本（用于双缓冲）。
priorityLevel: 任务的优先级。

Fiber是如何工作的？

构建Fiber树： 当React开始渲染时，它会根据组件树构建一个Fiber树。每个Fiber对象对应一个组件。
任务分解： React会将更新任务分解成多个小的Fiber任务。每个任务负责更新一个或多个Fiber节点。
调度执行： 调度器会根据任务的优先级和浏览器的空闲时间，决定何时执行哪个任务。
可中断： 在执行每个Fiber任务时，React会检查是否需要让出控制权。如果浏览器需要处理其他任务，React会暂停当前任务，将控制权交还给浏览器。
恢复执行： 当浏览器空闲时，调度器会恢复执行之前暂停的任务。
提交更新： 当所有Fiber任务都执行完成后，React会将更新提交到DOM。

代码示例：

以下代码展示了Fiber架构的核心流程：

// 模拟Fiber节点
function Fiber(type, props, returnFiber) {
  this.type = type;
  this.props = props;
  this.return = returnFiber;
  this.child = null;
  this.sibling = null;
  this.stateNode = null;
  this.effectTag = null; // 标记副作用
}

// 模拟调度器
const scheduler = {
  nextUnitOfWork: null, // 下一个要执行的Fiber任务

  scheduleUpdate: (fiber) => {
    scheduler.nextUnitOfWork = fiber;
    requestIdleCallback(scheduler.workLoop); // 使用requestIdleCallback
  },

  workLoop: (idleDeadline) => {
    while (scheduler.nextUnitOfWork && idleDeadline.timeRemaining() > 0) {
      scheduler.nextUnitOfWork = performUnitOfWork(scheduler.nextUnitOfWork);
    }

    if (!scheduler.nextUnitOfWork) {
      commitRoot(); // 所有任务完成，提交更新
    } else {
      requestIdleCallback(scheduler.workLoop); // 继续调度
    }
  },
};

// 执行一个Fiber任务
function performUnitOfWork(fiber) {
  // 1. 创建DOM节点（如果需要）
  if (!fiber.stateNode) {
    fiber.stateNode = document.createElement(fiber.type);
    // ... 设置props
  }

  // 2. 创建子Fiber
  const children = fiber.props.children;
  if (Array.isArray(children)) {
    let previousFiber = null;
    children.forEach((child, index) => {
      const childFiber = new Fiber(child.type, child.props, fiber);
      if (index === 0) {
        fiber.child = childFiber;
      } else {
        previousFiber.sibling = childFiber;
      }
      previousFiber = childFiber;
    });
  }

  // 3. 返回下一个要执行的Fiber
  if (fiber.child) {
    return fiber.child;
  }

  let nextFiber = fiber;
  while (nextFiber) {
    if (nextFiber.sibling) {
      return nextFiber.sibling;
    }
    nextFiber = nextFiber.return;
  }

  return null;
}

// 提交更新
function commitRoot() {
  // ... 更新DOM
  console.log("Commit Root");
}

// 使用示例
const rootFiber = new Fiber("div", { children: [{ type: "p", props: { text: "Hello Fiber" } }] }, null);
scheduler.scheduleUpdate(rootFiber);

注意： 这段代码只是一个简化的示例，用于演示Fiber架构的核心思想。真正的React Fiber实现要复杂得多。

三、调度器：幕后英雄，运筹帷幄

调度器是Fiber架构中不可或缺的一部分。它负责调度Fiber任务的执行，确保React应用能够高效地响应用户的操作。

调度器是如何工作的？

接收任务： 当React需要更新组件时，它会将更新任务交给调度器。
确定优先级： 调度器会根据任务的类型和优先级，将任务放入不同的队列中。
调度执行： 调度器会根据浏览器的空闲时间，从队列中选择合适的任务执行。
中断和恢复： 在执行任务时，调度器会监控浏览器的状态。如果浏览器需要处理其他任务，调度器会暂停当前任务，将控制权交还给浏览器。当浏览器空闲时，调度器会恢复执行之前暂停的任务。

常用的调度策略：

优先级调度： 调度器会根据任务的优先级，优先执行高优先级的任务。例如，用户交互相关的任务通常具有较高的优先级。
时间分片： 调度器会将一个大的任务分解成多个小的任务，每个任务执行一小段时间。这样可以避免长时间阻塞主线程，提高应用的响应速度。
requestIdleCallback： React使用requestIdleCallback API来利用浏览器的空闲时间执行任务。requestIdleCallback会在浏览器空闲时调用回调函数，并提供一个IdleDeadline对象，用于判断剩余的空闲时间。

优先级：

React Fiber 引入了优先级的概念，允许 React 区分不同类型的更新，并优先处理重要的更新，例如用户交互。

优先级	描述	例子
Immediate	最高优先级。用于需要立即执行的任务，例如动画。	用户输入相关的任务
UserBlocking	用户阻塞优先级。用于需要立即响应用户操作的任务，例如点击事件。	用户交互相关的任务
Normal	正常优先级。用于不需要立即执行的任务，例如数据更新。	一般的state更新
Low	低优先级。用于可以延迟执行的任务，例如分析。	打印log
Idle	最低优先级。用于可以在浏览器空闲时执行的任务，例如预加载。	离屏渲染
NoPriority	没有优先级。

代码示例：

// 模拟调度器
const scheduler = {
  tasks: [], // 任务队列

  scheduleTask: (task, priority) => {
    scheduler.tasks.push({ task, priority });
    scheduler.tasks.sort((a, b) => a.priority - b.priority); // 根据优先级排序
    requestIdleCallback(scheduler.workLoop);
  },

  workLoop: (idleDeadline) => {
    while (scheduler.tasks.length > 0 && idleDeadline.timeRemaining() > 0) {
      const task = scheduler.tasks.shift();
      task.task(); // 执行任务
    }

    if (scheduler.tasks.length > 0) {
      requestIdleCallback(scheduler.workLoop); // 继续调度
    }
  },
};

// 模拟任务
const task1 = () => {
  console.log("Task 1 (High Priority)");
};

const task2 = () => {
  console.log("Task 2 (Low Priority)");
};

// 调度任务
scheduler.scheduleTask(task1, 1); // 高优先级
scheduler.scheduleTask(task2, 5); // 低优先级

四、 Fiber架构的优势：告别卡顿，拥抱流畅

Fiber架构的引入为React带来了以下优势：

提高应用的响应速度： Fiber架构可以将大的更新任务分解成多个小的任务，避免长时间阻塞主线程，提高应用的响应速度。
改善用户体验： Fiber架构可以避免页面卡顿，提高用户体验。
支持更复杂的动画和交互： Fiber架构可以中断和恢复渲染过程，使得React可以更好地支持复杂的动画和交互。
提高CPU利用率： Fiber架构可以利用浏览器的空闲时间执行任务，提高CPU利用率。
更好的错误处理： Fiber架构允许 React 在渲染过程中中断并恢复，这使得错误处理更加容易。如果一个 Fiber 节点渲染失败，React 可以跳过它，继续渲染其他节点。

表格总结Fiber架构的优点：

优点	描述
提高响应速度	将大的更新任务分解成多个小的任务，避免长时间阻塞主线程。
改善用户体验	避免页面卡顿，提高用户体验。
支持复杂动画和交互	可以中断和恢复渲染过程，使得React可以更好地支持复杂的动画和交互。
提高CPU利用率	可以利用浏览器的空闲时间执行任务，提高CPU利用率。
更好的错误处理	允许 React 在渲染过程中中断并恢复，这使得错误处理更加容易。

五、 Fiber架构的挑战：复杂度提升，调试困难

虽然Fiber架构带来了很多优势，但也带来了一些挑战：

代码复杂度提升： Fiber架构的代码比传统React的代码更加复杂，理解和调试难度更大。
调试困难： Fiber架构的异步更新机制使得调试变得更加困难。
学习成本高： 开发者需要学习新的概念和API，才能充分利用Fiber架构的优势。

结论：

React Fiber架构是React团队为了解决传统React的性能问题而推出的一项重大改进。它通过将大的更新任务分解成多个小的任务，并利用调度器来调度任务的执行，实现了可中断的渲染，提高了应用的响应速度和用户体验。

虽然Fiber架构带来了一些挑战，但它的优势远大于劣势。作为React开发者，我们应该深入了解Fiber架构的原理和实现，以便更好地利用它来构建高性能的React应用。

今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！

一、 传统React的困境：卡顿！卡顿！还是卡顿！

二、 Fiber架构：化整为零，分而治之

三、 调度器：幕后英雄，运筹帷幄

四、 Fiber架构的优势：告别卡顿，拥抱流畅

五、 Fiber架构的挑战：复杂度提升，调试困难

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一、传统React的困境：卡顿！卡顿！还是卡顿！

三、调度器：幕后英雄，运筹帷幄

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