Vue Effect副作用的微任务队列饥饿（Starvation）：高频更新场景下的调度器优化

Vue Effect 副作用的微任务队列饥饿：高频更新场景下的调度器优化

大家好，今天我们来深入探讨 Vue 响应式系统中一个比较隐蔽但又至关重要的问题：Effect 副作用的微任务队列饥饿，以及在高频更新场景下的调度器优化策略。

响应式系统的核心：Effect 与 Scheduler

在深入问题之前，我们先回顾一下 Vue 响应式系统的核心概念：Effect 和 Scheduler。

• Effect (副作用函数)：本质上就是一个函数，它依赖于响应式数据。当这些响应式数据发生变化时，Effect 函数会被重新执行。常见的 Effect 包括组件的渲染函数、watch 回调等。

• Scheduler (调度器)：负责管理 Effect 函数的执行时机。默认情况下，Vue 使用微任务队列（microtask queue）来调度 Effect 的执行。这意味着 Effect 的更新不会立即同步执行，而是会被放入微任务队列，等待当前同步任务执行完毕后，再依次执行队列中的 Effect。

这种异步更新机制带来了诸多好处，例如：

• 性能优化：避免了不必要的重复渲染。如果在一个同步任务中多次修改响应式数据，Scheduler 会将这些修改合并，只触发一次 Effect 执行。
• 数据一致性：确保在 Effect 执行时，响应式数据已经处于最终状态。

微任务队列的调度机制

Vue 默认使用 queueMicrotask 函数（或 polyfill）将 Effect 放入微任务队列。微任务队列的特点是：

• 优先级高于宏任务：浏览器在执行完一个宏任务后，会优先检查微任务队列，执行其中所有的微任务，然后再执行下一个宏任务。
• 先进先出（FIFO）：微任务队列中的任务按照添加顺序依次执行。

简而言之，微任务队列就像一个“高优先级通道”，用于处理需要尽快执行的任务。

饥饿现象：问题浮出水面

虽然微任务队列带来了性能优势，但在某些特定的高频更新场景下，它也可能导致饥饿（Starvation）现象。

什么是饥饿？

简单来说，就是某些 Effect 函数由于长时间无法获得执行机会，导致页面卡顿或者 UI 延迟更新。

饥饿是如何发生的？

想象一下这样的场景：

1. 某个组件依赖于一个频繁变化的响应式数据（例如，鼠标移动的坐标）。
2. 每次响应式数据变化，都会触发 Effect 函数的执行，并将更新任务放入微任务队列。
3. 由于数据变化过于频繁，微任务队列中不断堆积新的 Effect 任务。
4. 如果某个 Effect 任务的执行时间比较长（例如，复杂的 DOM 操作），它可能会阻塞微任务队列的执行，导致后续的 Effect 任务长时间无法执行。

这种情况下，后续的 Effect 任务就处于“饥饿”状态，因为它们总是被新的、高优先级的 Effect 任务所“插队”。

一个简单的代码示例：

<template>
  <div>
    <p>Mouse X: {{ mouseX }}</p>
    <p>Expensive Computation: {{ expensiveResult }}</p>
  </div>
</template>

<script setup>
import { ref, computed, onMounted } from 'vue';

const mouseX = ref(0);

onMounted(() => {
  window.addEventListener('mousemove', (event) => {
    mouseX.value = event.clientX;
  });
});

// 模拟一个耗时的计算
const expensiveComputation = (x) => {
  let result = 0;
  for (let i = 0; i < 10000000; i++) {
    result += Math.sin(x + i);
  }
  return result;
};

const expensiveResult = computed(() => {
  console.log('Expensive Computation running...');
  return expensiveComputation(mouseX.value);
});
</script>

在这个例子中，mouseX 随着鼠标移动而频繁更新，expensiveResult 则是一个依赖于 mouseX 的计算属性，它模拟了一个耗时的计算过程。

当鼠标快速移动时，mouseX 会以极高的频率更新，导致 expensiveResult 的计算任务不断被添加到微任务队列中。如果 expensiveComputation 的执行时间比较长，就会阻塞微任务队列的执行，导致 expensiveResult 的更新出现明显的延迟，甚至卡顿。

饥饿的后果：

• UI 卡顿：用户界面无法及时响应用户的操作，导致卡顿感。
• 数据不同步：某些 Effect 函数长时间无法执行，导致页面上的数据与实际数据不同步。
• 性能下降：大量的 Effect 函数被阻塞在微任务队列中，占用系统资源，导致整体性能下降。

诊断饥饿：如何发现问题？

要解决饥饿问题，首先需要能够诊断它。以下是一些常用的诊断方法：

1. 浏览器 Performance 工具：使用 Chrome DevTools 或 Firefox Developer Tools 的 Performance 面板，可以清晰地看到微任务队列的执行情况。观察是否有大量的微任务堆积，以及是否有长时间的阻塞。
2. Console 日志：在 Effect 函数中添加 console.log 语句，记录 Effect 函数的执行时间。如果发现某些 Effect 函数的执行时间明显变长，或者执行频率明显低于预期，就可能存在饥饿问题。
3. Vue Devtools：Vue Devtools 可以帮助我们了解组件的更新情况。如果发现某个组件的更新频率明显低于预期，也可能存在饥饿问题。

优化策略：多管齐下，解决饥饿

针对微任务队列的饥饿问题，我们可以采取多种优化策略，从不同层面缓解或解决问题。

1. 减少不必要的更新

最有效的解决方案是减少不必要的更新。这意味着我们需要仔细分析代码，找出那些不必要的、频繁的响应式数据变化，并尽量避免它们。

常见的方法包括：

• 数据防抖（Debouncing）：对于某些频繁触发的事件（例如，鼠标移动、输入框输入），可以使用防抖技术，只在一段时间后执行最终的操作。

  import { ref, onMounted } from 'vue';
  import { debounce } from 'lodash-es'; // 引入 lodash-es 的 debounce 函数
  
  const mouseX = ref(0);
  
  onMounted(() => {
    const handleMouseMove = debounce((event) => {
      mouseX.value = event.clientX;
    }, 100); // 100ms 防抖
  
    window.addEventListener('mousemove', handleMouseMove);
  });

• 数据节流（Throttling）：类似于防抖，但节流会按照固定的频率执行操作，而不是等待一段时间后才执行。

  import { ref, onMounted } from 'vue';
  import { throttle } from 'lodash-es'; // 引入 lodash-es 的 throttle 函数
  
  const mouseX = ref(0);
  
  onMounted(() => {
    const handleMouseMove = throttle((event) => {
      mouseX.value = event.clientX;
    }, 100); // 100ms 节流
  
    window.addEventListener('mousemove', handleMouseMove);
  });

• 使用 shallowRef 和 shallowReactive：如果某个响应式对象内部的深层属性变化不需要触发 Effect 更新，可以使用 shallowRef 或 shallowReactive 来创建浅层响应式对象。

  import { shallowRef } from 'vue';
  
  const state = shallowRef({
    name: 'John',
    age: 30,
    address: {
      city: 'New York',
      country: 'USA',
    },
  });
  
  // 修改 state.value.address.city 不会触发 Effect 更新
  state.value.address.city = 'Los Angeles';

• 避免在循环中修改响应式数据：在循环中修改响应式数据会导致大量的 Effect 触发。尽量将所有的修改合并到一个操作中。

  const items = ref([]);
  
  // 错误的做法：在循环中修改响应式数据
  for (let i = 0; i < 100; i++) {
    items.value.push({ id: i, name: `Item ${i}` });
  }
  
  // 正确的做法：将所有的修改合并到一个操作中
  const newItems = [];
  for (let i = 0; i < 100; i++) {
    newItems.push({ id: i, name: `Item ${i}` });
  }
  items.value = newItems;

2. 优化 Effect 函数的执行时间

如果无法避免频繁的更新，那么就需要尽量缩短 Effect 函数的执行时间。

常见的方法包括：

• 避免复杂的 DOM 操作：DOM 操作是性能瓶颈之一。尽量减少 DOM 操作的次数，并使用高效的 DOM 操作方法。

• 使用 requestAnimationFrame：对于需要频繁更新 UI 的 Effect 函数，可以使用 requestAnimationFrame 来优化性能。requestAnimationFrame 会在浏览器下一次重绘之前执行回调函数，从而避免了不必要的渲染。

  import { ref, onMounted } from 'vue';
  
  const position = ref({ x: 0, y: 0 });
  
  onMounted(() => {
    const updatePosition = () => {
      position.value = {
        x: Math.random() * 100,
        y: Math.random() * 100,
      };
      requestAnimationFrame(updatePosition);
    };
  
    requestAnimationFrame(updatePosition);
  });

• 使用 Web Workers：对于耗时的计算任务，可以将它们放在 Web Workers 中执行，从而避免阻塞主线程。

  // main.js
  import { ref, onMounted } from 'vue';
  
  const result = ref(0);
  
  onMounted(() => {
    const worker = new Worker('worker.js');
  
    worker.onmessage = (event) => {
      result.value = event.data;
    };
  
    worker.postMessage(10000000); // 传递计算所需的参数
  });
  
  // worker.js
  self.onmessage = (event) => {
    const n = event.data;
    let result = 0;
    for (let i = 0; i < n; i++) {
      result += Math.sin(i);
    }
    self.postMessage(result);
  };

3. 自定义 Scheduler

Vue 允许我们自定义 Scheduler，从而更灵活地控制 Effect 函数的执行时机。这为解决饥饿问题提供了更大的可能性。

常见的自定义 Scheduler 策略：

• 优先级调度：为不同的 Effect 函数分配不同的优先级。优先级高的 Effect 函数优先执行。这可以确保重要的 UI 更新能够及时执行。

  import { effect, stop, ReactiveEffect } from '@vue/reactivity';
  
  const queue = [];
  const pending = false;
  
  const flushSchedulerQueue = () => {
    queue.sort((a, b) => a.priority - b.priority); // 根据优先级排序
    queue.forEach(job => job.run());
    queue.length = 0;
    pending = false;
  };
  
  const queueJob = (job) => {
    if (!queue.includes(job)) {
      queue.push(job);
    }
    if (!pending) {
      pending = true;
      Promise.resolve().then(flushSchedulerQueue);
    }
  };
  
  const customScheduler = (fn, priority = 0) => {
    const job = () => fn();
    job.priority = priority;
    return job;
  };
  
  // 使用自定义 Scheduler 创建 Effect
  const e1 = new ReactiveEffect(
    () => console.log('Effect 1'),
    () => queueJob(customScheduler(() => console.log('Effect 1 run'), 1)) // 高优先级
  );
  const e2 = new ReactiveEffect(
    () => console.log('Effect 2'),
    () => queueJob(customScheduler(() => console.log('Effect 2 run'), 0)) // 低优先级
  );
  
  e1.run(); // 立即执行
  e2.run(); // 立即执行
  
  // 模拟响应式数据变化，触发 Effect
  e1.scheduler();
  e2.scheduler(); //Effect 1 run 先于 Effect 2 run执行

• 分片执行：将一个大的 Effect 函数拆分成多个小的 Effect 函数，分批执行。这可以避免长时间阻塞微任务队列。

  import { ref, onMounted } from 'vue';
  
  const items = ref([]);
  const chunkSize = 100; // 分片大小
  
  onMounted(() => {
    const generateItems = (start, end) => {
      for (let i = start; i < end; i++) {
        items.value.push({ id: i, name: `Item ${i}` });
      }
      if (end < 1000) {
        // 使用 setTimeout 模拟异步任务，避免阻塞微任务队列
        setTimeout(() => {
          generateItems(end, Math.min(end + chunkSize, 1000));
        }, 0);
      }
    };
  
    generateItems(0, chunkSize);
  });

• 使用宏任务：将某些 Effect 函数放入宏任务队列中执行。宏任务的优先级低于微任务，因此可以避免阻塞微任务队列。但是，这也意味着这些 Effect 函数的执行时机可能会延迟。需要权衡利弊。

  const queueMacroTask = (job) => {
    setTimeout(job, 0); // 使用 setTimeout 将任务放入宏任务队列
  };
  
  // 使用宏任务队列调度 Effect
  const customScheduler = (fn) => {
    queueMacroTask(fn);
  };

• 时间片轮转：模拟操作系统的时间片轮转调度算法。为每个 Effect 函数分配一个时间片，当时间片用完后，暂停执行，将执行权交给其他 Effect 函数。

  （由于篇幅限制，这里不提供时间片轮转的具体实现代码。这需要更复杂的调度逻辑。）

4. 使用 watchEffect 的 flush 选项

watchEffect 提供了一个 flush 选项，可以控制 Effect 函数的执行时机。

• 'pre'：在组件更新之前执行 Effect 函数。
• 'sync'：同步执行 Effect 函数。
• 'post'：在组件更新之后执行 Effect 函数（默认值）。

通过调整 flush 选项，可以改变 Effect 函数的执行优先级，从而缓解饥饿问题。

<template>
  <div>
    <p>Count: {{ count }}</p>
  </div>
</template>

<script setup>
import { ref, watchEffect } from 'vue';

const count = ref(0);

watchEffect(() => {
  console.log('Count changed:', count.value);
}, {
  flush: 'pre', // 在组件更新之前执行
});
</script>

总结

微任务队列的饥饿是 Vue 响应式系统中一个需要注意的问题，尤其是在高频更新的场景下。解决饥饿问题需要综合考虑多种因素，并采取相应的优化策略。

优化策略	适用场景	优点	缺点
减少不必要的更新	频繁的响应式数据变化	从根本上解决问题，性能提升最明显	需要仔细分析代码，找出不必要的更新
优化 Effect 执行时间	无法避免频繁更新，但 Effect 函数执行时间较长	降低单个 Effect 函数的执行时间，减少对微任务队列的阻塞	需要对 Effect 函数进行优化，可能需要修改代码逻辑
自定义 Scheduler	需要更灵活地控制 Effect 函数的执行时机，例如优先级调度、分片执行	可以实现更精细的调度策略，解决特定场景下的饥饿问题	实现复杂，需要对 Vue 响应式系统有深入的了解
watchEffect flush	需要调整 Effect 函数的执行优先级	简单易用，可以通过配置选项来改变 Effect 函数的执行时机	只能调整执行优先级，无法实现更复杂的调度策略

最终选择哪种优化策略，取决于具体的应用场景和性能需求。一般来说，应该优先考虑减少不必要的更新，然后优化 Effect 函数的执行时间。如果这些方法都无法解决问题，可以考虑自定义 Scheduler。

希望今天的分享能够帮助大家更好地理解 Vue 响应式系统，并在实际开发中避免微任务队列的饥饿问题。

思考：持续优化，追求卓越

深入理解响应式原理，是优化性能的基础。针对不同的场景，灵活运用各种优化策略，才能构建出流畅、高效的 Vue 应用。

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