React Concurrent Rendering: Frame-Dropping verstehen und für optimale Leistung minimieren

Das Concurrent Rendering von React ist eine leistungsstarke Funktion, die entwickelt wurde, um die Reaktionsfähigkeit und die wahrgenommene Leistung von Webanwendungen zu verbessern. Es ermöglicht React, an mehreren Aufgaben gleichzeitig zu arbeiten, ohne den Haupt-Thread zu blockieren, was zu flüssigeren Benutzeroberflächen führt. Doch selbst mit Concurrent Rendering können Anwendungen immer noch unter Frame-Dropping leiden, was zu ruckelnden Animationen, verzögerten Interaktionen und einer allgemein schlechten Benutzererfahrung führt. Dieser Artikel befasst sich mit den Feinheiten des Concurrent Rendering von React, untersucht die Ursachen von Frame-Dropping und bietet praktische Strategien, um diese Probleme zu identifizieren und zu beheben und so eine optimale Leistung für ein globales Publikum zu gewährleisten.

React Concurrent Rendering verstehen

Das traditionelle Rendering in React arbeitet synchron, was bedeutet, dass der gesamte Rendering-Prozess den Haupt-Thread blockiert, bis er abgeschlossen ist, wenn eine Komponente aktualisiert werden muss. Dies kann zu Verzögerungen und mangelnder Reaktionsfähigkeit führen, insbesondere in komplexen Anwendungen mit großen Komponentenbäumen. Das mit React 18 eingeführte Concurrent Rendering bietet einen effizienteren Ansatz, indem es React ermöglicht, das Rendering in kleinere, unterbrechbare Aufgaben aufzuteilen.

Schlüsselkonzepte

• Time Slicing: React kann Rendering-Arbeit in kleinere Blöcke aufteilen und die Kontrolle nach jedem Block an den Browser zurückgeben. Dies ermöglicht es dem Browser, andere Aufgaben wie Benutzereingaben und Animationsaktualisierungen zu erledigen und verhindert, dass die Benutzeroberfläche einfriert.
• Unterbrechungen: React kann einen laufenden Rendering-Prozess unterbrechen, wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität, wie z. B. eine Benutzerinteraktion, bearbeitet werden muss. Dadurch wird sichergestellt, dass die Anwendung auf Benutzeraktionen reaktionsfähig bleibt.
• Suspense: Suspense ermöglicht es Komponenten, das Rendering zu „unterbrechen“, während sie auf das Laden von Daten warten. React kann dann eine Fallback-Benutzeroberfläche, wie z. B. einen Ladeindikator, anzeigen, bis die Daten verfügbar sind. Dies verhindert, dass die Benutzeroberfläche beim Warten auf Daten blockiert wird, und verbessert die wahrgenommene Leistung.
• Transitions: Transitions ermöglichen es Entwicklern, bestimmte Aktualisierungen als weniger dringend zu kennzeichnen. React priorisiert dringende Aktualisierungen (wie direkte Benutzerinteraktionen) gegenüber Transitions, um sicherzustellen, dass die App reaktionsfähig bleibt.

Diese Funktionen tragen gemeinsam zu einem flüssigeren und reaktionsschnelleren Nutzererlebnis bei, insbesondere in Anwendungen mit häufigen Aktualisierungen und komplexen UIs.

Was ist Frame-Dropping?

Frame-Dropping tritt auf, wenn der Browser nicht in der Lage ist, Frames mit der gewünschten Bildrate, typischerweise 60 Bilder pro Sekunde (FPS) oder höher, zu rendern. Dies führt zu sichtbarem Ruckeln, Verzögerungen und einer allgemein störenden Benutzererfahrung. Jeder Frame stellt einen Schnappschuss der Benutzeroberfläche zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Wenn der Browser den Bildschirm nicht schnell genug aktualisieren kann, überspringt er Frames, was zu diesen visuellen Unvollkommenheiten führt.

Eine Zielbildrate von 60 FPS entspricht einem Rendering-Budget von ungefähr 16,67 Millisekunden pro Frame. Wenn der Browser länger als diese Zeit zum Rendern eines Frames benötigt, wird ein Frame verworfen.

Ursachen für Frame-Dropping in React-Anwendungen

Mehrere Faktoren können zum Frame-Dropping in React-Anwendungen beitragen, selbst bei Verwendung von Concurrent Rendering:

• Komplexe Komponenten-Updates: Große und komplexe Komponentenbäume können erhebliche Zeit zum Rendern benötigen und das verfügbare Frame-Budget überschreiten.
• Aufwändige Berechnungen: Die Durchführung rechenintensiver Aufgaben, wie komplexe Datentransformationen oder Bildverarbeitung, innerhalb des Rendering-Prozesses kann den Haupt-Thread blockieren.
• Nicht optimierte DOM-Manipulation: Häufige oder ineffiziente DOM-Manipulation kann ein Leistungsengpass sein. Die direkte Manipulation des DOM außerhalb des Rendering-Zyklus von React kann ebenfalls zu Inkonsistenzen und Leistungsproblemen führen.
• Übermäßige Re-Renders: Unnötige Komponenten-Re-Renders können zusätzliche Rendering-Arbeit auslösen und die Wahrscheinlichkeit von Frame-Dropping erhöhen. Dies wird oft durch unsachgemäße Verwendung von `React.memo`, `useMemo`, `useCallback` oder falsche Abhängigkeits-Arrays in `useEffect`-Hooks verursacht.
• Langlaufende Aufgaben im Haupt-Thread: JavaScript-Code, der den Haupt-Thread für längere Zeit blockiert, wie z. B. Netzwerkanfragen oder synchrone Operationen, kann dazu führen, dass der Browser Frames verpasst.
• Drittanbieter-Bibliotheken: Ineffiziente oder schlecht optimierte Drittanbieter-Bibliotheken können Leistungsengpässe verursachen und zum Frame-Dropping beitragen.
• Browser-Einschränkungen: Bestimmte Browserfunktionen oder -einschränkungen, wie ineffiziente Garbage Collection oder langsame CSS-Berechnungen, können sich ebenfalls auf die Rendering-Leistung auswirken. Dies kann sich zwischen verschiedenen Browsern und Geräten unterscheiden.
• Gerätebeschränkungen: Anwendungen können auf High-End-Geräten perfekt funktionieren, aber auf älteren oder weniger leistungsstarken Geräten unter Frame-Drops leiden. Berücksichtigen Sie die Optimierung für eine Reihe von Gerätefähigkeiten.

Frame-Dropping identifizieren: Werkzeuge und Techniken

Der erste Schritt zur Behebung von Frame-Dropping besteht darin, sein Vorhandensein zu identifizieren und seine grundlegenden Ursachen zu verstehen. Mehrere Werkzeuge und Techniken können dabei helfen:

React Profiler

Der React Profiler, verfügbar in den React DevTools, ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Analyse der Leistung von React-Komponenten. Er ermöglicht es Ihnen, die Rendering-Leistung aufzuzeichnen und Komponenten zu identifizieren, die am längsten zum Rendern benötigen.

Verwendung des React Profiler:

1. Öffnen Sie die React DevTools in Ihrem Browser.
2. Wählen Sie den Tab "Profiler" aus.
3. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Record", um das Profiling zu starten.
4. Interagieren Sie mit Ihrer Anwendung, um den Rendering-Prozess auszulösen, den Sie analysieren möchten.
5. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stop", um das Profiling zu beenden.
6. Analysieren Sie die aufgezeichneten Daten, um Leistungsengpässe zu identifizieren. Achten Sie auf die Ansichten "ranked" und "flamegraph".

Browser-Entwicklerwerkzeuge

Die Entwicklerwerkzeuge des Browsers bieten verschiedene Funktionen zur Analyse der Web-Performance, darunter:

• Performance-Tab: Der Performance-Tab ermöglicht es Ihnen, eine Zeitleiste der Browser-Aktivitäten aufzuzeichnen, einschließlich Rendering, Scripting und Netzwerkanfragen. Dies hilft, langlaufende Aufgaben und Leistungsengpässe außerhalb von React selbst zu identifizieren.
• Frames Per Second (FPS) Meter: Der FPS-Messer gibt eine Echtzeitanzeige der Bildrate. Ein Abfall der FPS deutet auf potenzielles Frame-Dropping hin.
• Rendering-Tab: Der Rendering-Tab (in den Chrome DevTools) ermöglicht es Ihnen, Bereiche des Bildschirms hervorzuheben, die neu gezeichnet werden, Layout-Verschiebungen zu identifizieren und andere renderingbezogene Leistungsprobleme zu erkennen. Funktionen wie "Paint flashing" und "Layout Shift Regions" können sehr hilfreich sein.

Performance-Monitoring-Tools

Mehrere Performance-Monitoring-Tools von Drittanbietern können Einblicke in die Leistung Ihrer Anwendung in realen Szenarien geben. Diese Tools bieten oft Funktionen wie:

• Real User Monitoring (RUM): Sammeln Sie Leistungsdaten von echten Benutzern, um eine genauere Darstellung der Benutzererfahrung zu erhalten.
• Fehlerverfolgung: Identifizieren und verfolgen Sie JavaScript-Fehler, die die Leistung beeinträchtigen könnten.
• Leistungswarnungen: Richten Sie Warnungen ein, um benachrichtigt zu werden, wenn Leistungsmetriken vordefinierte Schwellenwerte überschreiten.

Beispiele für Performance-Monitoring-Tools sind New Relic, Sentry und Datadog.

Beispiel: Identifizierung eines Engpasses mit dem React Profiler

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine komplexe Komponente, die eine große Liste von Elementen rendert. Benutzer berichten, dass das Scrollen durch diese Liste ruckelig und nicht reaktionsschnell ist.

1. Verwenden Sie den React Profiler, um eine Sitzung aufzuzeichnen, während Sie durch die Liste scrollen.
2. Analysieren Sie das Rangdiagramm im Profiler. Sie stellen fest, dass eine bestimmte Komponente, `ListItem`, durchweg lange zum Rendern für jedes Element in der Liste benötigt.
3. Überprüfen Sie den Code der `ListItem`-Komponente. Sie entdecken, dass sie bei jedem Rendervorgang eine rechenintensive Berechnung durchführt, auch wenn sich die Daten nicht geändert haben.

Diese Analyse weist Sie auf einen bestimmten Bereich Ihres Codes hin, der optimiert werden muss. In diesem Fall könnten Sie `useMemo` verwenden, um die aufwändige Berechnung zu memoizieren und so zu verhindern, dass sie unnötig erneut ausgeführt wird.

Strategien zur Minimierung von Frame-Dropping

Sobald Sie die Ursachen für Frame-Dropping identifiziert haben, können Sie verschiedene Strategien implementieren, um diese Probleme zu minimieren und die Leistung zu verbessern:

1. Optimierung von Komponenten-Updates

• Memoization: Verwenden Sie `React.memo`, `useMemo` und `useCallback`, um unnötige Re-Renders von Komponenten und aufwändige Berechnungen zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass Ihre Abhängigkeits-Arrays korrekt spezifiziert sind, um unerwartetes Verhalten zu vermeiden.
• Virtualisierung: Verwenden Sie für große Listen oder Tabellen Virtualisierungsbibliotheken wie `react-window` oder `react-virtualized`, um nur die sichtbaren Elemente zu rendern. Dies reduziert die Menge der erforderlichen DOM-Manipulation erheblich.
• Code-Splitting: Teilen Sie Ihre Anwendung in kleinere Blöcke auf, die bei Bedarf geladen werden können. Dies reduziert die anfängliche Ladezeit und verbessert die Reaktionsfähigkeit der Anwendung. Verwenden Sie React.lazy und Suspense für Code-Splitting auf Komponentenebene und Tools wie Webpack oder Parcel für routenbasiertes Code-Splitting.
• Immutabilität: Verwenden Sie unveränderliche Datenstrukturen, um versehentliche Mutationen zu vermeiden, die unnötige Re-Renders auslösen können. Bibliotheken wie Immer können die Arbeit mit unveränderlichen Daten vereinfachen.

2. Reduzierung aufwändiger Berechnungen

• Debouncing und Throttling: Verwenden Sie Debouncing und Throttling, um die Häufigkeit aufwändiger Operationen wie Event-Handler oder API-Aufrufe zu begrenzen. Dies verhindert, dass die Anwendung durch häufige Updates überlastet wird.
• Web Workers: Verlagern Sie rechenintensive Aufgaben in Web Workers, die in einem separaten Thread laufen und den Haupt-Thread nicht blockieren. Dadurch bleibt die Benutzeroberfläche reaktionsfähig, während die Hintergrundaufgaben ausgeführt werden.
• Caching: Cachen Sie häufig abgerufene Daten, um eine Neuberechnung bei jedem Rendervorgang zu vermeiden. Verwenden Sie In-Memory-Caches oder den lokalen Speicher, um Daten zu speichern, die sich nicht häufig ändern.

3. Optimierung der DOM-Manipulation

• Minimieren Sie direkte DOM-Manipulation: Vermeiden Sie die direkte Manipulation des DOM außerhalb des Rendering-Zyklus von React. Lassen Sie React die DOM-Updates nach Möglichkeit handhaben, um Konsistenz und Effizienz zu gewährleisten.
• Updates bündeln: Verwenden Sie `ReactDOM.flushSync` (sparsam und vorsichtig einsetzen!), um mehrere Updates in einem einzigen Rendervorgang zu bündeln. Dies kann die Leistung verbessern, wenn mehrere DOM-Änderungen gleichzeitig vorgenommen werden.

4. Management von langlaufenden Aufgaben

• Asynchrone Operationen: Verwenden Sie asynchrone Operationen wie `async/await` und Promises, um das Blockieren des Haupt-Threads zu vermeiden. Stellen Sie sicher, dass Netzwerkanfragen und andere E/A-Operationen asynchron durchgeführt werden.
• RequestAnimationFrame: Verwenden Sie `requestAnimationFrame`, um Animationen und andere visuelle Updates zu planen. Dies stellt sicher, dass Updates mit der Aktualisierungsrate des Browsers synchronisiert werden, was zu flüssigeren Animationen führt.

5. Optimierung von Drittanbieter-Bibliotheken

• Bibliotheken sorgfältig auswählen: Wählen Sie Drittanbieter-Bibliotheken, die gut optimiert und für ihre Leistung bekannt sind. Vermeiden Sie Bibliotheken, die überladen sind oder eine Historie von Leistungsproblemen haben.
• Bibliotheken bei Bedarf laden (Lazy Loading): Laden Sie Drittanbieter-Bibliotheken bei Bedarf, anstatt sie alle im Voraus zu laden. Dies reduziert die anfängliche Ladezeit und verbessert die Gesamtleistung der Anwendung.
• Bibliotheken regelmäßig aktualisieren: Halten Sie Ihre Drittanbieter-Bibliotheken auf dem neuesten Stand, um von Leistungsverbesserungen und Fehlerbehebungen zu profitieren.

6. Berücksichtigung von Gerätefähigkeiten und Netzwerkbedingungen

• Adaptives Rendering: Implementieren Sie adaptive Rendering-Techniken, um die Komplexität der Benutzeroberfläche basierend auf den Gerätefähigkeiten und Netzwerkbedingungen anzupassen. Sie könnten beispielsweise die Auflösung von Bildern reduzieren oder Animationen auf leistungsschwächeren Geräten vereinfachen.
• Netzwerkoptimierung: Optimieren Sie die Netzwerkanfragen Ihrer Anwendung, um die Latenz zu reduzieren und die Ladezeiten zu verbessern. Verwenden Sie Techniken wie Content Delivery Networks (CDNs), Bildoptimierung und HTTP-Caching.
• Progressive Enhancement: Bauen Sie Ihre Anwendung mit Progressive Enhancement im Hinterkopf, um sicherzustellen, dass sie auch auf älteren oder weniger fähigen Geräten ein grundlegendes Maß an Funktionalität bietet.

Beispiel: Optimierung einer langsamen Listenkomponente

Kehren wir zum Beispiel einer langsamen Listenkomponente zurück. Nachdem Sie die `ListItem`-Komponente als Engpass identifiziert haben, können Sie folgende Optimierungen anwenden:

1. Memoization der `ListItem`-Komponente: Verwenden Sie `React.memo`, um Re-Renders zu verhindern, wenn sich die Daten des Elements nicht geändert haben.
2. Memoization der aufwändigen Berechnung: Verwenden Sie `useMemo`, um das Ergebnis der aufwändigen Berechnung zu cachen.
3. Virtualisierung der Liste: Verwenden Sie `react-window` oder `react-virtualized`, um nur die sichtbaren Elemente zu rendern.

Durch die Implementierung dieser Optimierungen können Sie die Leistung der Listenkomponente erheblich verbessern und das Frame-Dropping reduzieren.

Globale Überlegungen

Bei der Optimierung von React-Anwendungen für ein globales Publikum ist es wichtig, Faktoren wie Netzwerklatenz, Gerätefähigkeiten und sprachliche Lokalisierung zu berücksichtigen.

• Netzwerklatenz: Benutzer in verschiedenen Teilen der Welt können unterschiedliche Netzwerklatenzen erfahren. Verwenden Sie CDNs, um die Assets Ihrer Anwendung global zu verteilen und die Latenz zu reduzieren.
• Gerätefähigkeiten: Benutzer können Ihre Anwendung von einer Vielzahl von Geräten aus aufrufen, einschließlich älterer Smartphones und Tablets mit begrenzter Rechenleistung. Optimieren Sie Ihre Anwendung für eine Reihe von Gerätefähigkeiten.
• Sprachliche Lokalisierung: Stellen Sie sicher, dass Ihre Anwendung für verschiedene Sprachen und Regionen ordnungsgemäß lokalisiert ist. Dies umfasst die Übersetzung von Texten, die Formatierung von Daten und Zahlen und die Anpassung der Benutzeroberfläche an verschiedene Schreibrichtungen.

Fazit

Frame-Dropping kann die Benutzererfahrung von React-Anwendungen erheblich beeinträchtigen. Indem Sie die Ursachen von Frame-Dropping verstehen und die in diesem Artikel beschriebenen Strategien umsetzen, können Sie Ihre Anwendungen für eine reibungslose und reaktionsschnelle Leistung optimieren, selbst mit Concurrent Rendering. Regelmäßiges Profiling Ihrer Anwendung, die Überwachung von Leistungsmetriken und die Anpassung Ihrer Optimierungsstrategien auf der Grundlage von realen Daten sind entscheidend, um langfristig eine optimale Leistung zu gewährleisten. Denken Sie daran, das globale Publikum zu berücksichtigen und für unterschiedliche Netzwerkbedingungen und Gerätefähigkeiten zu optimieren.

Indem Sie sich auf die Optimierung von Komponenten-Updates, die Reduzierung aufwändiger Berechnungen, die Optimierung der DOM-Manipulation, das Management von langlaufenden Aufgaben, die Optimierung von Drittanbieter-Bibliotheken sowie die Berücksichtigung von Gerätefähigkeiten und Netzwerkbedingungen konzentrieren, können Sie Benutzern auf der ganzen Welt ein überlegenes Nutzererlebnis bieten. Viel Erfolg bei der Optimierung!