Tajná přísada Reactu: Hloubkový pohled na algoritmus Reconciliation a diffing virtuálního DOMu

` může být reprezentován takto:

{ type: 'div', props: { className: 'container', children: 'Hello World' } }

Protože se jedná pouze o JavaScriptové objekty, jejich vytváření a manipulace s nimi je neuvěřitelně rychlá. Nezahrnuje žádnou interakci s API prohlížeče, takže nedochází k žádným reflows ani překreslováním.

Jak virtuální DOM funguje?

VDOM umožňuje deklarativní přístup k vývoji uživatelského rozhraní. Místo toho, abyste prohlížeči říkali jak má DOM změnit krok za krokem (imperativně), jednoduše deklarujete, jak by mělo uživatelské rozhraní vypadat pro daný stav (deklarativně). React se postará o zbytek.

Proces vypadá takto:

1. Počáteční vykreslení: Když se vaše aplikace poprvé načte, React vytvoří kompletní strom virtuálního DOMu pro vaše UI a použije ho k vygenerování počátečního skutečného DOMu.
2. Aktualizace stavu: Když se změní stav aplikace (např. uživatel klikne na tlačítko), React vytvoří nový strom virtuálního DOMu, který odráží nový stav.
3. Diffing (porovnávání): React má nyní v paměti dva stromy virtuálního DOMu: starý (před změnou stavu) a nový. Poté spustí svůj "diffing" algoritmus, aby porovnal tyto dva stromy a identifikoval přesné rozdíly.
4. Seskupování a aktualizace (Batching and Updating): React vypočítá nejefektivnější a minimální sadu operací potřebných k aktualizaci skutečného DOMu tak, aby odpovídal novému virtuálnímu DOMu. Tyto operace jsou seskupeny a aplikovány na skutečný DOM v jediné, optimalizované sekvenci.

Seskupováním aktualizací React minimalizuje přímou interakci s pomalým DOMem, což výrazně zlepšuje výkon. Jádro této efektivity spočívá v kroku "diffing", který je formálně známý jako algoritmus Reconciliation.

Srdce Reactu: Algoritmus Reconciliation

Reconciliation je proces, kterým React aktualizuje DOM tak, aby odpovídal nejnovějšímu stromu komponent. Algoritmus, který toto porovnání provádí, nazýváme "diffing algoritmus".

Teoreticky je nalezení minimálního počtu transformací k převedení jednoho stromu na druhý velmi složitý problém s algoritmickou složitostí řádu O(n³), kde n je počet uzlů ve stromu. To by bylo pro reálné aplikace příliš pomalé. K vyřešení tohoto problému tým Reactu učinil několik brilantních pozorování o tom, jak se webové aplikace typicky chovají, a implementoval heuristický algoritmus, který je mnohem rychlejší – pracuje v čase O(n).

Heuristiky: Jak udělat diffing rychlým a předvídatelným

Diffing algoritmus Reactu je postaven na dvou hlavních předpokladech neboli heuristikách:

Heuristika 1: Různé typy prvků produkují různé stromy

Toto je první a nejjednodušší pravidlo. Při porovnávání dvou uzlů VDOM se React nejprve podívá na jejich typ. Pokud se typ kořenových prvků liší, React předpokládá, že vývojář nechce jeden prvek převést na druhý. Místo toho zaujme drastičtější, ale předvídatelný přístup:

• Zboří celý starý strom, odpojí (unmount) všechny staré komponenty a zničí jejich stav.
• Postaví zcela nový strom od nuly na základě nového typu prvku.

Zvažte například tuto změnu:

Před: <div><Counter /></div>
Po: <span><Counter /></span>

I když je vnořená komponenta `Counter` stejná, React vidí, že se kořenový prvek změnil z `div` na `span`. Zcela odpojí starý `div` a instanci `Counter` v něm (čímž ztratí její stav) a poté připojí nový `span` a zbrusu novou instanci `Counter`.

Klíčové ponaučení: Vyhněte se změně typu kořenového prvku podstromu komponent, pokud chcete zachovat jeho stav nebo se vyhnout úplnému překreslení tohoto podstromu.

Heuristika 2: Vývojáři mohou naznačit stabilní prvky pomocí `key` prop

Toto je pravděpodobně nejdůležitější heuristika, kterou by vývojáři měli pochopit a správně používat. Když React porovnává seznam vnořených prvků, jeho výchozím chováním je iterovat přes oba seznamy dětí současně a generovat mutaci všude, kde je rozdíl.

Problém s diffingem založeným na indexu

Představme si, že máme seznam položek a na začátek seznamu přidáme novou položku bez použití klíčů.

Počáteční seznam:

• Položka B
• Položka C

Aktualizovaný seznam (přidána 'Položka A' na začátek):

• Položka A
• Položka B
• Položka C

Bez klíčů provede React jednoduché porovnání založené na indexu:

1. Porovná starou položku na indexu 0 ('Položka B') s novou položkou na indexu 0 ('Položka A'). Jsou různé, takže zmutuje první položku.
2. Porovná starou položku na indexu 1 ('Položka C') s novou položkou na indexu 1 ('Položka B'). Jsou různé, takže zmutuje druhou položku.
3. Vidí, že na indexu 2 je nová položka ('Položka C') a vloží ji.

To je vysoce neefektivní. React provedl dvě zbytečné mutace a jedno vložení, přičemž stačilo pouze jedno vložení na začátek. Pokud by tyto položky seznamu byly složité komponenty s vlastním stavem, mohlo by to vést k vážným problémům s výkonem a chybám, protože by se stav mohl mezi komponentami pomíchat.

Síla `key` prop

`key` prop poskytuje řešení. Je to speciální řetězcový atribut, který musíte zahrnout při vytváření seznamů prvků. Klíče dávají Reactu stabilní identitu pro každý prvek.

Vraťme se ke stejnému příkladu, ale tentokrát se stabilními, unikátními klíči:

Počáteční seznam:

• Položka B
• Položka C

Aktualizovaný seznam:

• Položka A
• Položka B
• Položka C

Nyní je diffing proces Reactu mnohem chytřejší:

1. React se podívá na potomky nového seznamu a najde prvky s klíči 'b' a 'c'.
2. Ví, že prvky s klíči 'b' a 'c' již existují ve starém seznamu, takže je jednoduše přesune.
3. Vidí, že existuje nový prvek s klíčem 'a', který předtím neexistoval, takže ho vytvoří a vloží.

To je mnohem efektivnější. React správně identifikuje, že potřebuje provést pouze jedno vložení. Komponenty spojené s klíči 'b' a 'c' jsou zachovány, včetně jejich interního stavu.

Kritické pravidlo pro klíče: Klíče musí být stabilní, předvídatelné a jedinečné mezi svými sourozenci. Použití indexu pole jako klíče (`items.map((item, index) =>

...

)`) je anti-vzor, pokud se seznam může kdykoli přeuspořádat, filtrovat nebo pokud se z jeho středu přidávají/odstraňují položky, protože to vede ke stejným problémům jako nemít klíč vůbec. Nejlepšími klíči jsou jedinečné identifikátory z vašich dat, jako je ID z databáze.

Evoluce: Od Stack k Fiber architektuře

Algoritmus reconciliation popsaný výše byl základem Reactu po mnoho let. Měl však jedno velké omezení: byl synchronní a blokující. Tato původní implementace se nyní označuje jako Stack Reconciler.

Starý způsob: Stack Reconciler

V Stack Reconcileru, když aktualizace stavu spustila překreslení, React rekurzivně procházel celý strom komponent, vypočítal změny a aplikoval je na DOM – vše v jedné, nepřerušitelné sekvenci. Pro malé aktualizace to bylo v pořádku. Ale u velkých stromů komponent mohl tento proces trvat značnou dobu (např. více než 16ms), což blokovalo hlavní vlákno prohlížeče. To způsobilo, že se uživatelské rozhraní stalo nereagujícím, což vedlo k vypadlým snímkům, trhaným animacím a špatnému uživatelskému zážitku.

Představení React Fiber (React 16+)

Aby tento problém vyřešil, tým Reactu se pustil do víceletého projektu kompletního přepsání jádra algoritmu reconciliation. Výsledek, vydaný v Reactu 16, se nazývá React Fiber.

Architektura Fiber byla od základu navržena tak, aby umožňovala souběžnost (concurrency) – schopnost Reactu pracovat na více úkolech najednou a přepínat mezi nimi na základě priority.

"Fiber" je prostý JavaScriptový objekt, který představuje jednotku práce. Obsahuje informace o komponentě, jejím vstupu (props) a výstupu (children). Místo rekurzivního procházení, které nebylo možné přerušit, React nyní zpracovává propojený seznam fiber uzlů, jeden po druhém.

Tato nová architektura odemkla několik klíčových schopností:

• Inkrementální renderování: Může rozdělit práci na renderování do malých kousků a rozložit ji na více snímků.
• Prioritizace: Může přiřadit různé úrovně priority různým typům aktualizací. Například psaní uživatele do vstupního pole má vyšší prioritu než načítání dat na pozadí.
• Možnost pozastavení a zrušení: Může pozastavit práci na nízko-prioritní aktualizaci, aby zpracoval vysoko-prioritní, a může dokonce zrušit nebo znovu použít práci, která již není potřeba.

Dvě fáze Fiberu

V rámci Fiberu je proces renderování rozdělen do dvou odlišných fází:

1. Fáze renderování/reconciliation (asynchronní): V této fázi React zpracovává fiber uzly, aby vytvořil "work-in-progress" strom. Volá `render` metody komponent a spouští diffing algoritmus k určení, jaké změny je třeba provést v DOMu. Klíčové je, že tato fáze je přerušitelná. React může tuto práci pozastavit, aby se postaral o něco důležitějšího, a později v ní pokračovat. Protože může být přerušena, React během této fáze neaplikuje žádné skutečné změny v DOMu, aby se předešlo nekonzistentnímu stavu UI.
2. Fáze potvrzení (Commit Phase) (synchronní): Jakmile je "work-in-progress" strom kompletní, React vstupuje do fáze potvrzení. Vezme vypočítané změny a aplikuje je na skutečný DOM. Tato fáze je synchronní a nelze ji přerušit. Tím se zajišťuje, že uživatel vždy vidí konzistentní UI. Metody životního cyklu jako `componentDidMount` a `componentDidUpdate`, stejně jako `useLayoutEffect` a `useEffect` hooky, jsou spouštěny během této fáze.

Architektura Fiber je základem pro mnoho moderních funkcí Reactu, včetně `Suspense`, concurrent renderingu, `useTransition` a `useDeferredValue`, které všechny pomáhají vývojářům vytvářet responzivnější a plynulejší uživatelská rozhraní.

Praktické optimalizační strategie pro vývojáře

Porozumění procesu reconciliation v Reactu vám dává sílu psát výkonnější kód. Zde jsou některé praktické strategie:

1. Vždy používejte stabilní a jedinečné klíče pro seznamy

Toto nelze dostatečně zdůraznit. Je to jediná nejdůležitější optimalizace pro seznamy. Používejte jedinečné ID z vašich dat (např. `product.id`). Vyhněte se používání indexů pole, pokud seznam není zcela statický a nikdy se nezmění.

2. Vyhněte se zbytečným překreslením

Komponenta se překreslí, pokud se změní její stav nebo se překreslí její rodič. Někdy se komponenta překreslí i tehdy, když by její výstup byl identický. Tomu můžete zabránit pomocí:

• `React.memo()`: Komponenta vyššího řádu pro funkční komponenty. Provádí mělké porovnání props komponenty. Pokud se props nezměnily, React přeskočí překreslení komponenty a znovu použije poslední vykreslený výsledek.
• `useCallback()`: Funkce definované uvnitř komponenty se znovu vytvářejí při každém renderu. Pokud tyto funkce předáváte jako props vnořené komponentě obalené v `React.memo`, dítě se překreslí, protože funkční prop je technicky pokaždé nová funkce. `useCallback` memoizuje samotnou funkci, což zajišťuje, že se znovu vytvoří pouze tehdy, pokud se změní její závislosti.
• `useMemo()`: Podobné jako `useCallback`, ale pro hodnoty. Memoizuje výsledek nákladného výpočtu. Výpočet se znovu spustí pouze tehdy, pokud se změnila jedna z jeho závislostí. To je užitečné pro zabránění drahým výpočtům při každém renderu a pro udržení stabilních referencí na objekty/pole předávané jako props.

3. Chytrá kompozice komponent

Způsob, jakým strukturujete své komponenty, může mít významný dopad na výkon. Pokud se část stavu vaší komponenty často aktualizuje, pokuste se ji izolovat od částí, které se nemění.

Například místo jedné velké komponenty, kde často se měnící vstupní pole způsobuje překreslení celé komponenty, přesuňte tento stav do vlastní menší komponenty. Tímto způsobem se při psaní uživatele překreslí pouze malá komponenta.

4. Virtualizujte dlouhé seznamy

Pokud potřebujete vykreslovat seznamy se stovkami nebo tisíci položkami, i se správnými klíči může být jejich vykreslení najednou pomalé a spotřebovávat hodně paměti. Řešením je virtualizace nebo windowing. Tato technika spočívá ve vykreslování pouze malé podmnožiny položek, které jsou aktuálně viditelné ve viewportu. Jak uživatel posouvá, staré položky jsou odpojeny a nové jsou připojeny. Knihovny jako `react-window` a `react-virtualized` poskytují výkonné a snadno použitelné komponenty pro implementaci tohoto vzoru.

Závěr

Výkon Reactu není náhoda; je výsledkem promyšlené a sofistikované architektury zaměřené na virtuální DOM a efektivní algoritmus Reconciliation. Abstrakcí přímé manipulace s DOMem může React seskupovat a optimalizovat aktualizace způsobem, který by bylo neuvěřitelně složité spravovat ručně.

Jako vývojáři jsme klíčovou součástí tohoto procesu. Porozuměním heuristikám diffing algoritmu – správným používáním klíčů, memoizací komponent a hodnot a promyšlenou strukturou našich aplikací – můžeme pracovat s reconcilerem Reactu, ne proti němu. Evoluce k architektuře Fiber dále posunula hranice možného a umožnila novou generaci plynulých a responzivních uživatelských rozhraní.

Až příště uvidíte, jak se vaše uživatelské rozhraní okamžitě aktualizuje po změně stavu, na chvíli se zastavte a oceňte elegantní tanec virtuálního DOMu, diffing algoritmu a fáze potvrzení, který se odehrává pod kapotou. Toto porozumění je vaším klíčem k budování rychlejších, efektivnějších a robustnějších aplikací v Reactu pro globální publikum.