什么是 ‘Component as a Function of State’ (UI = f(S)) 的物理实现？Fiber 树作为状态映射的本质

UI = f(S) 的物理实现：Fiber 树作为状态映射的本质

在现代前端开发中，"UI 是状态的函数"（UI = f(S)）这一范式已成为构建复杂用户界面的基石。它将用户界面抽象为应用程序状态的纯函数映射，极大地简化了开发人员对界面行为的推理。但这一优雅的数学概念如何在物理世界中，即在浏览器环境中，被高效且健壮地实现呢？React 框架中的 Fiber 架构，正是这一抽象理念在工程实践中的一次深刻且精妙的物理实现。

本次讲座将深入探讨 UI = f(S) 范式的物理实现机制，特别是围绕 React 的 Fiber 树，揭示其如何将抽象的状态映射转化为浏览器 DOM 的实际操作，从而实现高性能、可中断且具有优先级的界面更新。

1. UI = f(S)：范式革命与核心理念

在深入物理实现之前，我们必须首先巩固对 UI = f(S) 这一核心理念的理解。

什么是 UI = f(S)？

简单来说，UI = f(S) 意味着你的用户界面（UI）是应用程序当前状态（S）的一个直接、确定的输出。给定相同的状态 S，函数 f 总是返回相同的 UI。

• UI (User Interface): 用户在屏幕上看到和交互的所有元素。
• f (Function): 一个纯函数，它接收状态作为输入，并返回一个描述 UI 结构的输出。
• S (State): 应用程序在特定时间点的所有数据，包括用户输入、从服务器获取的数据、组件内部管理的数据等。

与传统命令式编程的对比

在 UI = f(S) 出现之前，前端开发通常采用命令式（Imperative）的方式。当状态发生变化时，开发者需要手动编写代码来：

1. 找到需要更新的 DOM 元素。
2. 修改它们的属性、内容或样式。
3. 添加或移除元素。

例如，一个计数器应用，每次点击按钮后，你需要：

// 传统命令式
let count = 0;
const button = document.getElementById('incrementButton');
const display = document.getElementById('countDisplay');

button.addEventListener('click', () => {
    count++;
    display.textContent = count; // 直接操作 DOM
    display.style.color = count % 2 === 0 ? 'blue' : 'red'; // 直接操作 DOM 样式
});

这种方法在小型应用中尚可管理，但在大型、复杂的应用中，它很快会变得难以维护：

• 状态与 UI 之间缺乏清晰的映射： 状态变化如何影响 UI 变化，需要手动跟踪和推断。
• 容易出错： 忘记更新某个 DOM 属性或在错误的时机操作 DOM 可能会导致界面不一致。
• 性能挑战： 频繁的直接 DOM 操作是昂贵的，可能导致回流（reflow）和重绘（repaint），降低用户体验。
• 调试困难： 难以追踪是哪个操作导致了界面的异常状态。

声明式编程的优势

UI = f(S) 拥抱了声明式（Declarative）编程范式。开发者不再关心“如何”更新 UI，而是声明“什么”样的 UI 应该在给定状态下呈现。框架负责将这种声明转化为实际的 DOM 操作。

// 声明式 (React 风格)
import React, { useState } from 'react';

function Counter() {
    const [count, setCount] = useState(0);

    const handleClick = () => {
        setCount(count + 1); // 声明状态变化
    };

    // 声明 UI 应该是什么样子，它是 count 的函数
    return (
        <div>
            <p style={{ color: count % 2 === 0 ? 'blue' : 'red' }}>Count: {count}</p>
            <button onClick={handleClick}>Increment</button>
        </div>
    );
}

其核心优势在于：

• 可预测性： 相同的状态总是导致相同的 UI。
• 易于推理： 开发者只需关注状态和 UI 之间的声明式关系。
• 可维护性： 代码更简洁，更容易理解和修改。
• 性能优化潜力： 框架可以在底层进行智能的更新批处理和最小化 DOM 操作。
• 调试友好： 通过检查状态就能理解 UI 的当前情况。

UI = f(S) 解决了“状态与 UI 视图同步”这一前端领域最核心的挑战，但它也引入了一个新的问题：如何高效地将状态函数式地映射到实际的 DOM 结构，并且只更新那些真正改变的部分？这就是虚拟 DOM 和 Fiber 架构所要解决的物理实现问题。

2. 概念桥梁：虚拟 DOM (Virtual DOM)

UI = f(S) 的概念很美好，但将一个 JavaScript 对象或组件树直接映射到真实的浏览器 DOM 并非易事。真实 DOM 操作是浏览器中最昂贵的操作之一。为了弥补 JavaScript 逻辑层与浏览器渲染层之间的性能鸿沟，React 引入了“虚拟 DOM”这一概念作为物理实现的第一步。

什么是虚拟 DOM？

虚拟 DOM（Virtual DOM）是一个轻量级的、内存中的、JavaScript 对象树，它代表了真实 DOM 的结构、属性和内容。它不是真实的 DOM 元素，而是一个“蓝图”或“快照”。

当你的组件 render 方法（或函数组件体）执行时，它返回的 JSX 最终会被编译成一系列 React.createElement 调用，这些调用会创建普通的 JavaScript 对象。这些对象构成的树就是虚拟 DOM。

// JSX:
function MyComponent() {
    return <div className="container"><p>Hello</p></div>;
}

// 经过 Babel 编译后大致等同于:
function MyComponent() {
    return React.createElement(
        'div',
        { className: 'container' },
        React.createElement('p', null, 'Hello')
    );
}

// 这些 createElement 调用返回的 JavaScript 对象结构大致如下:
const vdomNode = {
    type: 'div',          // 元素类型 (字符串 'div', 'p', 或组件函数/类)
    props: {              // 元素的属性 (className, onClick, style, children 等)
        className: 'container',
        children: [
            {
                type: 'p',
                props: {
                    children: 'Hello'
                }
            }
        ]
    },
    // ... 其他内部属性，如 key, ref 等
};

虚拟 DOM 的作用

1. 性能优化： 避免直接、频繁地操作真实 DOM。DOM 操作很慢，而 JavaScript 对象操作很快。
2. 跨平台能力： 虚拟 DOM 只是一个抽象的 UI 描述，理论上可以被渲染到任何宿主环境（如浏览器 DOM、Native App UI、Canvas、WebGL、Server-Side Rendering 等）。
3. 批处理更新： 虚拟 DOM 允许 React 在状态变化后收集所有需要进行的更新，然后一次性地应用到真实 DOM 上，减少回流和重绘的次数。
4. 声明式 UI 的底层支撑： 它是将声明式 UI 描述转化为实际 UI 表现的关键中间层。

虚拟 DOM 的工作流程

1. 首次渲染：

   • 应用程序的初始状态 S 经过 f(S) 生成第一个虚拟 DOM 树 (V1)。
   • React 遍历 V1，根据其结构创建真实的 DOM 元素，并将其挂载到浏览器中。
   • 保存 V1 作为旧的虚拟 DOM 树。

2. 状态更新：

   • 应用程序状态 S 发生变化，新的状态 S’ 再次经过 f(S') 生成新的虚拟 DOM 树 (V2)。
   • React 不会立即更新真实 DOM，而是将 V2 与之前保存的 V1 进行比较（这个比较过程就是“diffing”或“reconciliation”）。

3. 协调 (Reconciliation) 与差异计算 (Diffing)：

   • React 的协调算法会找出 V1 和 V2 之间最小的差异集合。例如，一个文本节点的改变，一个元素的属性变化，或者子节点的增删改。
   • 这一步是虚拟 DOM 性能优化的核心。

4. 真实 DOM 更新：

   • 根据差异计算的结果，React 构建一个最小的 DOM 操作列表（例如：appendChild、removeChild、setAttribute、setTextContent）。
   • React 将这些操作批量地应用到真实的浏览器 DOM 上。

通过这种“先在内存中计算，再批量更新真实 DOM”的策略，虚拟 DOM 极大地提升了 UI 更新的效率，并为 UI = f(S) 提供了坚实的物理实现基础。然而，虚拟 DOM 本身是一个静态的树结构，它仅仅代表了 UI 的“快照”。如何高效地进行差异计算并管理更新的优先级，这需要更精密的机制，而 Fiber 架构正是为此而生。

3. 协调 (Reconciliation)：从状态到 UI 更新的算法

虚拟 DOM 解决了直接操作真实 DOM 的性能问题，但其核心价值在于“协调”过程，也就是我们常说的“diffing 算法”。这个算法的目标是：在旧的虚拟 DOM 树和新的虚拟 DOM 树之间，找出最少的操作来更新真实 DOM。

React 的协调算法基于以下几个关键的启发式规则，这些规则在实践中被证明非常高效，尽管它们不保证找到绝对最少的操作，但能找到足够少且计算成本可接受的操作：

启发式规则

1. 元素类型不同，销毁重建：

   • 如果两个同层级的元素类型不同（例如，一个 <div> 变成了 <span>），React 会销毁旧的 DOM 树及其所有子节点，然后从头开始创建新的 DOM 树。
   • 示例：

     // 旧
     <div><p>Hello</p></div>
     // 新
     <span><p>Hello</p></span> // div 变为 span，p 即使内容相同也会被销毁重建

   • 原因： 经验表明，不同类型的元素通常意味着完全不同的组件逻辑和结构，复用它们的开销可能比重建更大。

2. 元素类型相同，仅更新属性：

   • 如果两个同层级的元素类型相同，React 会保留现有的 DOM 节点，只更新其变化的属性。
   • 示例：

     // 旧
     <div className="old" style={{ color: 'blue' }}>Hello</div>
     // 新
     <div className="new" style={{ color: 'red' }}>Hello</div>

   • 操作： 仅修改 className 和 style 属性。

3. 列表元素的 key 属性：

   • 当处理列表（例如，map 函数渲染的列表）时，key 属性变得至关重要。key 帮助 React 识别列表中哪些项是新增的、哪些是删除的、哪些是移动的。
   • 如果没有 key 或 key 不唯一且不稳定，React 会按照默认顺序比较列表项，这可能导致低效的更新（例如，在列表头部插入新项时，所有后续项都可能被重新渲染）。
   • key 必须在同一层级的兄弟节点中是唯一的，并且应该是稳定的（不应使用数组索引作为 key，除非列表项永不变化、增删或重新排序）。

   • 示例：

     // 无 key (不推荐)
     <ul>
         {items.map(item => <li>{item.text}</li>)}
     </ul>
     
     // 有 key (推荐)
     <ul>
         {items.map(item => <li key={item.id}>{item.text}</li>)}
     </ul>

   • 效果：
     • 无 key： 如果在列表开头插入一项，React 可能认为旧列表的第一个元素被更新了内容，然后第二个元素被更新了内容…直到最后一个元素。
     • 有 key： React 能识别出哪个 key 是新的（插入），哪个 key 消失了（删除），哪个 key 只是改变了位置（移动），从而执行精确的 DOM 操作。

4. 递归比较子节点：

   • 当比较两个相同类型的元素时，React 会递归地比较它们的子节点。
   • 子节点的比较策略可以是深度优先的。

协调算法的局限性

尽管高效，但协调算法并非完美，它有一些已知的局限性：

• 无法检测跨层级移动： 如果一个 DOM 元素从一个父节点移动到另一个父节点，React 不会识别为移动，而是会销毁旧位置的元素并在新位置创建新的元素。
• 依赖 key 的正确使用： key 的不当使用会导致性能下降甚至出现奇怪的 bug。
• 子组件的内部状态： 即使父组件的 props 没有变化，如果父组件被重新渲染，其所有子组件（即使是 React.memo 过的）也会被重新比较。这只是比较，不一定意味着真实的 DOM 更新，但组件函数会重新执行。

协调算法是虚拟 DOM 核心逻辑的体现，它描述了“如何找出变化”。然而，这个过程在最初的 React 实现中是同步且不可中断的。这意味着一旦开始渲染，它必须一次性完成整个虚拟 DOM 树的遍历和差异计算，这可能导致在处理大型、复杂组件树时阻塞主线程，造成界面卡顿。为了解决这一问题，React 团队引入了全新的 Fiber 架构。

4. 物理实现核心：Fiber 架构

Fiber 架构是 React 16+ 版本中对核心协调算法的重写，它不是虚拟 DOM 的替代品，而是虚拟 DOM 概念的更先进、更灵活的物理实现。Fiber 的引入，使得 React 能够实现并发模式（Concurrent Mode）、时间切片（Time Slicing）和 Suspense 等高级特性，极大地提升了用户体验。

传统 Stack Reconciler 的局限性

在 Fiber 之前，React 使用的是基于“栈”（Stack）的协调器。它是一个递归的过程，本质上是深度优先遍历。当状态更新触发渲染时：

1. React 会从根组件开始，同步地执行所有组件的 render 方法。
2. 构建新的虚拟 DOM 树。
3. 与旧树进行 diffing。
4. 将所有变更一次性提交到 DOM。

这种模型是同步且不可中断的。这意味着一旦渲染开始，它必须在主线程上不间断地完成所有工作，直到所有 DOM 更新都被计算出来。如果组件树非常庞大，或者某个组件的 render 方法执行时间较长，这就会阻塞浏览器的主线程，导致 UI 响应迟钝，用户感觉“卡顿”。

Fiber 的核心思想：可中断的工作单元

Fiber 架构解决了同步渲染的问题，它将协调过程拆分为可中断的“工作单元”（Units of Work）。其核心理念是：

• 增量渲染（Incremental Rendering）： 将渲染工作分解成小块，在多个帧中执行，而不是一次性完成。
• 暂停与恢复： React 可以在渲染过程中暂停，让浏览器处理更重要的任务（如用户输入、动画），然后在稍后恢复渲染。
• 优先级： 可以为不同的更新分配不同的优先级，确保高优先级的更新（如用户输入响应）能够更快地被处理。

什么是 Fiber？

在 Fiber 架构中，一个 Fiber 是一个普通的 JavaScript 对象，它代表了一个组件实例、一个 DOM 元素或一个文本节点在整个协调过程中的工作单元。你可以将 Fiber 想象成一个“虚拟栈帧”，它包含了关于组件实例的所有上下文信息。

每个 Fiber 节点包含以下关键信息：

| 属性名称 | 类型/描述 | 作用 type 属性。

• type：表示 Fiber 节点的类型。对于宿主组件（如 <div>），它是一个字符串。对于类组件，它是类构造函数本身。对于函数组件，它是函数本身。
• tag：一个数字常量，用于标识 Fiber 节点的具体类型（例如，HostComponent 表示宿主元素，FunctionComponent 表示函数组件，ClassComponent 表示类组件）。这比 type 更具体，用于内部处理。
• key：在列表渲染中用于识别元素的唯一标识符。
• pendingProps：新的输入 props，从父 Fiber 传递而来。
• memoizedProps：上次渲染时使用的 props。用于优化，如果 pendingProps 与 memoizedProps 相同，则可以跳过此 Fiber 的工作。
• pendingState：等待应用的最新状态。
• memoizedState：上次渲染时使用的状态。对于函数组件，它存储 useState 和 useReducer 的当前值，以及 useEffect 等 Hook 的链表。
• updateQueue：一个链表，存储了等待应用的更新（例如，setState 调度）。
• effectTag：一个位掩码，表示此 Fiber 需要执行的副作用（如插入、更新、删除 DOM，或执行生命周期方法/Hooks）。
• expirationTime / lanes：表示此 Fiber 及其子树的更新优先级。高优先级的更新会更快地被处理。
• alternate：指向另一个 Fiber 节点。在双缓冲机制中，它指向上一次渲染的 Fiber（或正在构建的 Fiber）。

Fiber 树结构

Fiber 节点通过链表的形式连接起来，形成一棵 Fiber 树。这棵树不是简单的父子关系，而是通过三个核心指针构建：

1. child: 指向它的第一个子 Fiber。
2. sibling: 指向它的下一个兄弟 Fiber。
3. return: 指向它的父 Fiber。

通过这三个指针，React 可以遍历整个 Fiber 树，而无需依赖 JavaScript 的调用栈，这正是实现可中断性的关键。

双缓冲 (Double Buffering)

Fiber 架构使用双缓冲技术来管理 Fiber 树：

• Current Tree (当前树): 对应于浏览器中当前渲染的 UI 结构。它是稳定且已提交到 DOM 的树。
• Work-in-Progress Tree (工作中的树): 在协调阶段构建的树。当状态更新发生时，React 会从 Current Tree 的根节点开始，创建 Work-in-Progress Tree。它会将 Current Tree 中没有变化的 Fiber 节点克隆到 Work-in-Progress Tree 中，并标记需要更新的节点。

这两个树通过 Fiber 节点上的 alternate 属性相互链接。当 Work-in-Progress Tree 构建完成并所有变更都被计算出来后，如果渲染成功，React 会将 root.current 指针指向新的 Work-in-Progress Tree，使其成为新的 Current Tree。旧的 Current Tree 则成为下一次更新的 Work-in-Progress Tree 的蓝本。

这种双缓冲机制确保了：

• 原子性更新： 真实 DOM 总是只在所有计算完成后，一次性更新，避免了显示不完整的中间状态。
• 平滑过渡： 用户始终看到一个完整的、一致的 UI 视图。

Fiber 协调的两个阶段

Fiber 协调过程被明确地分为两个主要阶段：

1. 渲染/协调阶段 (Render/Reconciliation Phase)：

   • 职责： 构建 Work-in-Progress Fiber 树，并计算需要对 DOM 进行哪些更改。
   • 特点：
     • 可中断： 这个阶段的工作可以被暂停、稍后恢复。React 可以将控制权交还给浏览器，处理更高优先级的任务（如用户输入、动画），然后再继续。
     • 异步： 可以在不阻塞主线程的情况下进行。
     • 无副作用： 不应在这个阶段执行任何会影响真实 DOM 或可观测外部世界的副作用（如修改 DOM、发起网络请求）。组件的 render 方法、函数组件体、useState 更新等都是在这个阶段执行。
   • 工作流程：
     • beginWork (向下遍历): 对于每个 Fiber 节点，React 会从父节点开始向下遍历到子节点。在这个过程中，它会：
       • 克隆 Current Fiber 到 Work-in-Progress Fiber。
       • 执行组件的 render 方法或函数组件体，生成子元素。
       • 比较新旧 props 和 state，计算 effectTag。
       • 处理 useState 和 useReducer 的更新队列。
     • completeWork (向上冒泡): 当一个 Fiber 节点的所有子节点都处理完毕后，React 会从子节点向上冒泡到父节点。在这个过程中，它会：
       • 为宿主组件（如 div）创建或更新真实的 DOM 元素。
       • 收集所有子节点的 effectTag，将它们合并到父节点上。
       • 处理 ref 属性。
       • 准备好需要提交到 DOM 的所有信息。
   • 暂停点： 在 beginWork 和 completeWork 之间，React 可以检查是否有更高优先级的任务，并决定是否暂停当前工作。

2. 提交阶段 (Commit Phase)：

   • 职责： 将渲染阶段计算出的所有更改一次性应用到真实的浏览器 DOM 上。
   • 特点：
     • 不可中断： 这个阶段必须同步且快速地完成，以确保 UI 的原子性更新。
     • 有副作用： 允许执行所有对真实 DOM 或外部世界的副作用。
   • 工作流程： React 会遍历 Work-in-Progress Tree 中所有带有 effectTag 的 Fiber 节点（这些节点构成了副作用链表），并执行以下操作：
     • commitBeforeMutationEffects： 在 DOM 实际改变之前执行的副作用，例如类组件的 getSnapshotBeforeUpdate 生命周期方法。
     • commitMutationEffects： 执行所有实际的 DOM 操作，包括：
       • 插入、移动、更新、删除 DOM 节点。
       • 更新 DOM 元素的属性和事件监听器。
     • commitLayoutEffects： 在 DOM 已经改变之后，浏览器进行布局和绘制之前执行的副作用，例如类组件的 componentDidMount / componentDidUpdate，以及 useEffect 的布局效果（useLayoutEffect）。
     • commitPassiveEffects： 在浏览器完成绘制之后异步执行的副作用，例如 useEffect 的清理函数和副作用函数。

阶段	特点	职责	例子
渲染/协调阶段	可中断、异步、无副作用（纯计算）	构建 Work-in-Progress Fiber 树，计算 DOM 差异和副作用标记	render 方法执行、函数组件体执行、useState/useReducer 计算新状态
提交阶段	不可中断、同步、有副作用（实际操作 DOM）	将计算出的差异应用到真实 DOM，执行生命周期方法和 Hook 副作用	DOM 插入/更新/删除、getSnapshotBeforeUpdate、componentDidMount、componentDidUpdate、useLayoutEffect、useEffect

调度与优先级 (Scheduling and Prioritization)

Fiber 架构引入了调度器（Scheduler）来管理工作单元的执行。调度器负责：

• 决定何时执行任务： 使用 requestIdleCallback (作为一种模拟，实际使用 MessageChannel 或 setTimeout) 来在浏览器空闲时执行低优先级的任务。
• 分配优先级： React 内部有一套优先级系统（在 React 18+ 中使用 Lane 模型），为不同的更新分配不同的优先级。例如，用户输入（如文本框输入）具有最高优先级，而数据获取或不重要的更新则具有较低优先级。
• 中断与恢复： 当高优先级任务到来时，调度器可以中断当前正在进行的低优先级任务，先处理高优先级任务，然后（如果需要）再恢复或丢弃之前的低优先级任务。

通过 Fiber 架构，React 成功地将 UI = f(S) 的抽象理念转化为一个高性能、响应迅速的物理实现，它在后台默默地管理着复杂的状态更新和 DOM 操作，为开发者提供了声明式的简洁性，同时为用户提供了流畅的交互体验。

5. 状态管理与数据流在 Fiber 中的体现

Fiber 架构不仅是渲染机制的底层重构，它也深刻影响了 React 中状态管理和数据流的物理实现。每个 Fiber 节点都承载着其对应组件实例或 DOM 元素的运行时上下文信息，这包括状态、属性、副作用等。

5.1 useState 和 useReducer 的物理实现

当你在函数组件中使用 useState 或 useReducer 时，这些 Hook 的状态值实际上是存储在对应的 Fiber 节点上的。

• 存储位置： 每个函数组件的 Fiber 节点内部维护着一个 memoizedState 属性。这个 memoizedState 实际上是一个链表（或数组），其中每个节点对应一个 Hook（例如，第一个 useState 对应链表中的第一个节点，第二个 useState 对应第二个节点）。
• Hook 对象的结构： 每个 Hook 节点包含：
  • memoizedState: Hook 的当前值。
  • queue: 一个更新队列，存储了通过 setCount(count + 1) 这样的调度函数传递的更新操作。
  • next: 指向下一个 Hook 节点的指针。

更新流程：

1. 调度更新： 当你调用 setCount(count + 1) 时，这个更新操作会被添加到对应 Fiber 节点上 useState Hook 对象的 queue 中。同时，React 会标记这个 Fiber 节点及其祖先为需要更新，并调度一次新的渲染。
2. 渲染阶段 (beginWork)：
   • 当 React 再次访问这个组件的 Fiber 节点时，它会从 memoizedState 链表中取出对应的 Hook 节点。
   • 它会遍历 queue 中的所有更新，并根据更新函数（例如，prevCount => prevCount + 1）计算出新的状态值。
   • 这个新的状态值会更新 Hook 节点的 memoizedState。
   • 然后，React 会使用这个最新的状态值重新执行函数组件体。
3. 批处理： React 会在事件循环结束前批处理多个状态更新。例如，在同一个事件处理器中多次调用 setCount，React 通常会在下一次渲染中一次性处理它们，而不是每次调用都触发一次渲染。在并发模式下，批处理更加智能，可以跨越多个事件。

代码示例 (简化概念)

// Fiber 节点的大致结构 (内部实现远比这复杂)
const functionalComponentFiber = {
    // ...其他 Fiber 属性
    type: MyFunctionalComponent,
    memoizedState: { // 这是一个 Hook 链表
        memoizedState: 0, // 对应第一个 useState 的 count 值
        queue: { // 存储待处理的更新
            last: null, // 指向最后一个更新
            pending: null, // 指向第一个更新
            dispatch: /* setCount 函数 */
        },
        next: { // 指向下一个 Hook
            memoizedState: /* 第二个 useState 的值 */,
            queue: { /* ... */ },
            next: null
        }
    },
    // ...
};

// 假设我们有一个更新
// setCount(count + 1);
// 这个更新会被添加到 memoizedState.queue 中

// 在渲染阶段，React 会处理队列:
function processUpdateQueue(queue, baseState) {
    let currentState = baseState;
    let update = queue.pending;
    while (update) {
        currentState = typeof update.action === 'function'
            ? update.action(currentState)
            : update.action;
        update = update.next;
    }
    queue.pending = null; // 清空队列
    return currentState;
}

// 当执行 MyFunctionalComponent 时，React 会调用:
// const [count, setCount] = readHook(functionalComponentFiber, 0); // 伪代码
// readHook 内部会从 functionalComponentFiber.memoizedState 链表读取或创建 Hook
// 并且会调用 processUpdateQueue 来计算最新的 count 值

5.2 useEffect 的物理实现

useEffect 用于在组件渲染到 DOM 之后执行副作用，如数据获取、订阅事件、手动改变 DOM 等。

• 存储位置： 类似于 useState，useEffect 的信息也存储在函数组件 Fiber 节点的 memoizedState 链表中。每个 useEffect Hook 节点包含：
  • memoizedState: 存储副作用函数和清理函数。
  • deps: 依赖数组的当前值。
  • next: 指向下一个 Hook 节点。
• effectTag： 如果一个 Fiber 节点包含 useEffect，并且其依赖项发生变化，React 会在 Fiber 节点上标记一个特殊的 effectTag（例如 Passive | Update），表示需要在提交阶段执行被动副作用。

执行流程：

1. 渲染阶段： useEffect 的回调函数本身不会在这个阶段执行，但它的依赖项会被保存。React 只是在这个阶段收集所有需要执行的副作用（effect）。
2. 提交阶段 (commitPassiveEffects)：
   • 在 DOM 已经更新并且浏览器完成绘制之后，React 会异步地遍历 Work-in-Progress Tree 中所有带有 Passive effectTag 的 Fiber 节点。
   • 对于每个这样的节点，React 会首先执行上一次渲染留下的清理函数（如果存在且依赖项发生变化），然后执行当前渲染的副作用函数。
   • 这些副作用函数可以访问最新的 DOM 和状态。

代码示例 (简化概念)

// Fiber 节点中的 Hook 链表可能包含 useEffect 节点
const functionalComponentFiber = {
    // ...
    memoizedState: {
        // ... useState Hook
        next: { // 下一个 Hook 可能是 useEffect
            memoizedState: { // 存储 useEffect 相关信息
                create: /* 副作用函数 */,
                destroy: /* 清理函数 */,
                deps: [/* 依赖数组 */]
            },
            next: null
        }
    },
    effectTag: /* 包含 Passive | Update 标记 */,
    // ...
};

// 在提交阶段的 commitPassiveEffects 步骤中：
function commitPassiveEffect(fiber) {
    // 假设 fiber 是一个函数组件 Fiber 且带有 Passive effectTag
    let hook = fiber.memoizedState;
    while (hook !== null) {
        if (hook.tag === HookPassiveEffect) { // 假设 HookPassiveEffect 是 useEffect 的 tag
            const { create, destroy, deps: newDeps } = hook.memoizedState;
            const { deps: oldDeps } = hook.lastEffect || {}; // 从上一次渲染的 Fiber 获取旧依赖

            // 比较依赖数组，如果不同则执行清理和副作用
            if (!areHookInputsEqual(newDeps, oldDeps)) {
                if (typeof destroy === 'function') {
                    destroy(); // 执行清理
                }
                hook.lastEffect.destroy = create(); // 执行副作用，并保存清理函数
            }
        }
        hook = hook.next;
    }
}

5.3 useContext 的物理实现

useContext 允许组件订阅最近的 Context 提供者（Provider）的值。

• Context 对象： Context 本身是一个 JavaScript 对象，包含 _currentValue 等内部属性。
• Provider Fiber： 当你使用 <MyContext.Provider value={someValue}> 时，这个 Provider 组件会对应一个 Fiber 节点。这个 Fiber 节点会将其 value 存储在一个内部结构中，并更新 MyContext._currentValue。
• Consumer Fiber： 当一个组件 useContext(MyContext) 时，React 会从当前 Fiber 节点向上遍历 return 指针，找到最近的 MyContext.Provider Fiber。然后，它会从该 Provider Fiber 中读取 Context 值。
• 订阅机制： useContext 不仅仅是读取值。当 Provider 的 value 发生变化时，所有订阅了该 Context 的 Consumer Fiber 都会被标记为需要更新，从而触发它们重新渲染。

5.4 Memoization (useMemo, useCallback, React.memo) 的物理实现

Memoization 是优化性能的关键，它通过跳过不必要的计算或渲染来减少工作量。在 Fiber 中，memoized 值和依赖项也存储在 Fiber 节点上。

• useMemo / useCallback：
  • 存储位置： 它们也是 Hook，其值和依赖项存储在 Fiber 节点的 memoizedState 链表中。
  • memoizedState 结构： 包含 value（memoized 的值或函数）和 deps（依赖数组）。
  • 工作原理： 在渲染阶段，React 会比较当前渲染的 deps 数组与上一次渲染保存的 deps 数组。如果所有依赖项都相同（浅比较），它就直接返回 memoizedState.value，而不会重新执行昂贵的计算或重新创建函数。
• React.memo：
  • 存储位置： React.memo 是一个高阶组件（HOC），它会包装你的组件。当 React.memo 包装的组件对应的 Fiber 节点进入渲染阶段时，React 会比较新旧 props。
  • 工作原理： 如果 props 在浅比较下没有变化（或者自定义的 arePropsEqual 函数返回 true），React 会完全跳过这个 Fiber 节点及其子树的 beginWork 过程，直接复用其上一次渲染的结果，从而避免不必要的组件执行和子树协调。

代码示例 (简化概念)

// useMemo Hook 节点
const useMemoHook = {
    memoizedState: {
        value: /* 缓存的值 */,
        deps: [/* 依赖数组 */]
    },
    next: null
};

// 在渲染阶段处理 useMemo
function readUseMemoHook(fiber, calculateValue, newDeps) {
    const hook = getNextHook(fiber); // 获取或创建对应的 Hook 节点
    const { value: prevValue, deps: prevDeps } = hook.memoizedState || {};

    if (areHookInputsEqual(newDeps, prevDeps)) {
        return prevValue; // 依赖未变，返回缓存值
    } else {
        const newValue = calculateValue(); // 依赖变化，重新计算
        hook.memoizedState = { value: newValue, deps: newDeps };
        return newValue;
    }
}

// React.memo 的 Fiber 节点处理逻辑 (伪代码)
function beginWorkForMemoComponent(fiber) {
    const Component = fiber.type.type; // 原始组件
    const newProps = fiber.pendingProps;
    const oldProps = fiber.memoizedProps;

    if (oldProps && arePropsEqual(newProps, oldProps)) { // 浅比较 props
        // Props 未变，跳过此 Fiber 及其子树的渲染工作
        fiber.flags |= DidNotCatchHydrationError; // 标记为未更新
        return bailoutOnAlreadyFinishedWork(fiber); // 优化跳过
    }

    // Props 变化，正常渲染组件
    // ... 执行 Component(newProps)
}

通过将状态、副作用、上下文和 memoization 的相关数据直接绑定到其对应的 Fiber 节点上，React Fiber 架构为 UI = f(S) 提供了极其精细且高效的物理实现。它确保了在协调过程中，每个组件的所有运行时信息都触手可及，从而支持了可中断、可恢复、有优先级的渲染。

6. 不变性原则及其作用

在 UI = f(S) 范式中，特别是与 Fiber 这样的协调机制相结合时，不变性（Immutability）原则扮演着至关重要的角色。它是确保 UI 更新高效且可预测的基础。

什么是不变性？

不变性意味着一旦一个数据结构被创建，它就不能被修改。如果需要改变数据，你必须创建一个新的数据结构，其中包含所有旧数据以及所需的修改。

// 可变 (Mutable)
const person = { name: 'Alice', age: 30 };
person.age = 31; // 直接修改原始对象

// 不可变 (Immutable)
const person = { name: 'Alice', age: 30 };
const newPerson = { ...person, age: 31 }; // 创建新对象，旧对象不变

为什么不变性在 UI = f(S) 和 Fiber 中如此重要？

1. 简化变更检测 (Diffing)：

   • React 的协调算法（包括 Fiber 内部的比较逻辑）在比较新旧 props 或 state 时，主要依赖浅比较（shallow comparison）。
   • 如果状态是不可变的，那么判断一个对象或数组是否发生变化就非常简单：只需比较它们的引用地址。如果引用地址不同，就说明它是一个新对象，内容可能已更改；如果引用地址相同，则内容必然未变。
   • 如果状态是可变的，即使内部属性发生了变化，对象或数组的引用地址也可能保持不变。这意味着浅比较会失效，React 无法检测到真实的变化，导致 UI 不更新，或者需要进行深度比较，而深度比较的性能开销非常大。

   // 假设是 React 组件的 state
   const [user, setUser] = useState({ name: 'Alice', hobbies: ['reading'] });
   
   // 错误示例：可变修改，React 浅比较可能无法检测到变化
   const mutableUpdate = () => {
       user.hobbies.push('swimming'); // 直接修改了 user.hobbies 数组
       setUser(user); // user 对象的引用地址没有变，React 可能认为 state 没有更新
   };
   
   // 正确示例：不可变修改，创建新对象和新数组
   const immutableUpdate = () => {
       const newHobbies = [...user.hobbies, 'swimming']; // 创建新数组
       setUser({ ...user, hobbies: newHobbies }); // 创建新对象
   };

2. 避免副作用和时间性耦合：

   • 在渲染阶段，React 的 Fiber 协调过程是可中断和异步的。这意味着组件的 render 方法或函数组件体可能会被多次调用，或者在不同的时间点被调用。
   • 如果在这个阶段直接修改共享的可变状态，可能会导致不一致性或竞态条件。
   • 不变性确保了每个渲染周期都基于一个“快照”般的状态，避免了在计算过程中状态被意外修改的问题。

3. 可预测性和调试：

   • 不变性使得状态的流转更加清晰和可预测。每次状态更新都会产生一个新的状态对象，这创建了一个清晰的状态历史。
   • 这对于调试非常有帮助，你可以轻松地回溯状态的变化，理解 UI 是如何从一个状态转换到另一个状态的。Redux DevTools 等工具就是利用了这一特性。

4. 优化和并发模式的基石：

   • Fiber 架构的并发模式和时间切片依赖于能够安全地暂停和恢复渲染工作。如果状态在渲染过程中是可变的，那么暂停和恢复就会变得极其复杂，因为在暂停期间状态可能已经被其他操作修改了。
   • 不变性使得 React 可以安全地在 Work-in-Progress Tree 上进行操作，即使在渲染被中断时，Current Tree 及其状态仍然是稳定和一致的。

强制不变性的实践

• 对于对象和数组： 始终使用展开运算符 (...)、Object.assign()、Array.prototype.map/filter/reduce/slice 等方法来创建新的副本，而不是直接修改原始对象或数组。
• 对于原始值： 原始值（字符串、数字、布尔值、null、undefined）本身就是不可变的，可以直接使用。
• 使用 Immutable.js 或 Immer.js： 对于大型或嵌套复杂的状态结构，手动管理不变性可能会很繁琐且容易出错。
  • Immutable.js： 提供了一套持久化不可变数据结构（List, Map, Set 等），通过结构共享（structural sharing）来优化内存和性能。
  • Immer.js： 允许你以可变的方式“草稿”状态，然后 Immer 会在后台自动为你生成不可变的新状态，极大地简化了代码。

不变性原则并非 React 特有，它是函数式编程和声明式 UI 范式的核心组成部分。在 Fiber 架构的物理实现中，它是一个至关重要的约定，确保了 React 能够高效、安全、可预测地将应用程序状态映射到用户界面。

7. 超越 React：UI = f(S) 的其他实现

UI = f(S) 范式并非 React 独有。虽然 React 以其虚拟 DOM 和 Fiber 架构提供了强大的实现，但其他现代前端框架也以各自独特的方式实现了这一理念。了解这些不同的物理实现，有助于我们更全面地理解这一范式的深远影响和工程取舍。

7.1 Vue 的响应式系统

Vue.js 也支持声明式 UI 和 UI = f(S) 范式，但其物理实现与 React 的虚拟 DOM + Fiber 模型有所不同，尤其是在响应式（Reactivity）方面。

• 核心机制：Proxy 或 Object.defineProperty：
  • 在 Vue 3 中，响应式系统基于 ES6 的 Proxy 对象。当一个组件的数据对象被创建时，Vue 会用 Proxy 包装它。
  • Proxy 可以在访问和修改属性时拦截操作（get 和 set 陷阱）。
  • 当组件的 render 函数执行时，它会“触摸”数据对象的属性。Proxy 的 get 陷阱会记录下当前组件对这些属性的“依赖”。
  • 当这些属性被修改时，Proxy 的 set 陷阱会被触发，它会通知所有依赖于这些属性的组件进行更新。
  • Vue 2 则使用 Object.defineProperty，其原理类似，但有数组和新增属性的局限性。
• 虚拟 DOM： Vue 也使用虚拟 DOM 进行差异计算和批处理 DOM 更新，类似于 React。然而，由于其精细的响应式追踪，Vue 通常可以在更小的粒度上知道哪些组件需要重新渲染，而不必像 React 那样每次状态更新都从根部开始协调整个子树（尽管 React 也有 React.memo 等优化手段）。
• 更新粒度： Vue 的响应式系统可以精确地知道哪个数据变化影响了哪个组件的哪个部分，从而实现更细粒度的更新。这通常意味着在某些场景下，Vue 可能会执行更少的组件 render 函数。

7.2 Svelte 的编译时方法

Svelte 采取了与 React 和 Vue 都截然不同的物理实现路径。它不是运行时框架，而是一个编译器。

• 核心机制：编译时生成原生 JavaScript：
  • 当你编写 Svelte 组件时，Svelte 编译器会在构建时将其转换成高度优化的、小的、独立的 JavaScript 模块。
  • 这些模块不依赖于任何运行时框架（如虚拟 DOM 或响应式系统库）。它们直接包含用于创建和更新 DOM 的代码。
  • Svelte 会在编译时分析你的代码，找出哪些变量是响应式的，并生成在这些变量改变时直接更新 DOM 的代码。
• 无虚拟 DOM： Svelte 完全跳过了虚拟 DOM。它直接生成命令式的 JavaScript 代码来操作真实的 DOM，但这种操作是经过编译时优化和最小化处理的。
• 更新粒度： Svelte 能够实现极度细粒度的更新。当一个响应式变量改变时，只有直接依赖于该变量的 DOM 部分才会被更新。例如，一个 <span>{count}</span>，当 count 改变时，Svelte 会生成直接更新该 <span> 文本内容的 JavaScript 代码，而不会重新渲染整个组件。
• 性能优势： 由于没有运行时开销（虚拟 DOM 比较、响应式系统监听等），Svelte 生成的代码通常体积更小，并且在某些基准测试中表现出更快的初始加载和运行时性能。

比较表格

特性	React (Fiber)	Vue (响应式系统)	Svelte (编译时)
UI = f(S) 实现	虚拟 DOM + Fiber 协调	响应式系统 (Proxy) + 虚拟 DOM 协调	编译时生成 DOM 更新代码
更新机制	协调 Fiber 树，批处理 DOM 更新，可中断	精细响应式追踪，触发相关组件更新，批处理 DOM 更新	直接生成原生 JS，精确更新 DOM，无运行时开销
虚拟 DOM	有，核心组成部分	有，作为协调层	无，直接操作 DOM
响应式系统	基于 setState/useState 的手动触发，使用不变性	基于 Proxy 的自动追踪	编译时分析并生成响应式代码
运行时大小	较大 (包含 React 运行时和调度器)	中等 (包含 Vue 运行时和响应式系统)	极小 (组件代码即运行时，无额外框架包)
开发体验	声明式，函数组件和 Hook，生态丰富	声明式，单文件组件，易上手，生态成熟	声明式，类似原生 HTML/JS/CSS，学习曲线平缓
性能优化	React.memo, useMemo, useCallback	自动细粒度更新，memo 优化	编译时优化，零运行时开销

这些不同的实现路径都殊途同归，旨在高效地实现 UI = f(S) 这一核心范式。React 的 Fiber 架构以其卓越的并发能力和对复杂场景的适应性，在运行时层面提供了一个强大而灵活的解决方案。Vue 则通过其智能的响应式系统在虚拟 DOM 层面进行了优化。而 Svelte 则将大部分工作推向了编译时，以牺牲一些运行时灵活性为代价，换取了极致的性能和轻量化。

8. 高级话题与未来方向

Fiber 架构的诞生不仅仅是为了解决旧版 Stack Reconciler 的同步阻塞问题，更是为 React 的未来发展奠定了坚实的基础。它开启了许多高级特性和未来的可能性。

8.1 并发模式 (Concurrent Mode) 与 Suspense

Fiber 是实现并发模式的关键。并发模式允许 React 在不阻塞主线程的情况下，同时处理多个渲染任务。

• 并发渲染： 借助 Fiber 的可中断性，React 可以在渲染阶段暂停当前工作，检查是否有更高优先级的任务。如果用户进行了交互（例如，点击了一个按钮），React 可以中断正在进行的低优先级渲染，优先处理用户交互，然后再恢复或重新开始之前的渲染。这极大地提升了用户感知的响应速度和应用的流畅性。
• 时间切片 (Time Slicing)： 这是并发模式的核心技术之一。React 不会一次性完成所有渲染工作，而是将工作分解成小块，并在浏览器空闲时逐块执行。
• Suspense： Suspense 是一种新的机制，允许组件“暂停”渲染，直到某些异步操作（如数据获取、代码分割加载）完成。
  • 在 Fiber 架构中，当一个组件 suspend 时，React 会捕获到这个“暂停”信号。
  • 它不会立即显示错误或空白，而是会向上查找最近的 <Suspense fallback={...}> 边界。
  • 然后，它会在渲染异步内容的同时，显示 fallback 内容，从而提供更好的用户体验。
  • 一旦异步数据准备就绪，React 会在后台继续渲染暂停的组件，并无缝切换到最终内容。
  • 这解决了传统异步加载中常见的“加载状态跳动”和“瀑布式请求”问题。

8.2 Server Components (服务器组件)

React Server Components (RSC) 是 React 生态系统的一个革命性新方向，它将组件渲染的职责从客户端转移到服务器。

• 核心思想： 允许开发者编写在服务器上渲染的 React 组件，这些组件可以直接访问服务器端数据源和文件系统，而无需 API 调用。
• Fiber 的作用： 虽然 Server Components 本身在服务器上渲染，并以特殊的数据格式（RSC Payload）发送到客户端，但客户端的 React Fiber 架构仍然是不可或缺的。
  • 客户端 Fiber 负责将接收到的 RSC Payload 协调并渲染到客户端 DOM。
  • 它将 Server Components 的输出（通常是序列化的 JSX 或部分客户端组件树）与客户端组件融合，形成最终的 UI。
  • Fiber 树在客户端仍然是管理整个组件树状态和更新的核心。
• 优势： 减少客户端 JavaScript 包大小，提高初始加载性能，简化数据获取逻辑，改善 SEO。

8.3 持久化 Fiber 树与不可变性

在 Fiber 架构中，当前树和 Work-in-Progress 树是相互独立的。这使得 Fiber 树在某种程度上是“持久化”的，即在更新过程中，旧的树仍然是完整且可访问的。这种持久性与状态的不可变性结合，为未来的功能提供了可能性，例如：

• 时间旅行调试 (Time-travel Debugging)： 理论上，可以记录 Fiber 树的状态快照，并在不同的时间点之间切换。
• 更强大的并发策略： 允许 React 在后台同时尝试渲染多个不同版本或不同优先级的 UI，并根据结果选择最佳的一个进行提交。

8.4 持续演进的协调模型

React Fiber 架构仍在不断演进。React 团队持续在优化调度器、Lane 模型、缓存机制等方面，以应对更复杂的用户场景和更高的性能要求。这些优化都将进一步强化 UI = f(S) 范式在物理实现上的能力。

结语

UI = f(S) 这一抽象的数学理念，通过虚拟 DOM 找到了其在软件工程中的具象化，而 React 的 Fiber 架构则是这一理念在物理世界中实现高性能、高响应性界面的精妙工程杰作。它将复杂的 UI 更新过程分解为可管理、可中断的工作单元，并通过双缓冲、优先级调度等机制，在开发者感知的声明式简洁性背后，隐藏了令人惊叹的运行时复杂性。

从概念上的状态映射到浏览器屏幕上的像素呈现，Fiber 树作为连接抽象与物理世界的桥梁，持续推动着现代前端开发的边界，为用户带来了前所未有的流畅体验，也为开发者提供了构建复杂应用所需的强大工具。理解其内部机制，不仅能帮助我们更好地使用 React，更能启发我们对未来 UI 架构的思考。