React Fiber-Architektur: Den Reconciliation-Prozess verstehen

React hat die Frontend-Entwicklung mit seiner komponentenbasierten Architektur und seinem deklarativen Programmiermodell revolutioniert. Das Herzstück der Effizienz von React ist sein Reconciliation-Prozess – der Mechanismus, mit dem React das tatsächliche DOM aktualisiert, um Änderungen im Komponentenbaum widerzuspiegeln. Dieser Prozess hat eine bedeutende Entwicklung durchlaufen, die in der Fiber-Architektur gipfelte. Dieser Artikel bietet ein umfassendes Verständnis von React Fiber und seinen Auswirkungen auf die Reconciliation.

Was ist Reconciliation?

Reconciliation ist der Algorithmus, den React verwendet, um das vorherige virtuelle DOM mit dem neuen virtuellen DOM zu vergleichen und die minimalen Änderungen zu ermitteln, die zur Aktualisierung des tatsächlichen DOMs erforderlich sind. Das virtuelle DOM ist eine Darstellung der Benutzeroberfläche im Speicher. Wenn sich der Zustand einer Komponente ändert, erstellt React einen neuen virtuellen DOM-Baum. Anstatt das tatsächliche DOM direkt zu manipulieren, was ein langsamer Prozess ist, vergleicht React den neuen virtuellen DOM-Baum mit dem vorherigen und identifiziert die Unterschiede. Dieser Prozess wird Diffing genannt.

Der Reconciliation-Prozess wird von zwei Hauptannahmen geleitet:

• Elemente unterschiedlicher Typen erzeugen unterschiedliche Bäume.
• Der Entwickler kann mit einer key-Prop einen Hinweis geben, welche Kindelemente über verschiedene Renderings hinweg stabil bleiben können.

Traditionelle Reconciliation (Vor Fiber)

In der ursprünglichen Implementierung von React war der Reconciliation-Prozess synchron und unteilbar. Das bedeutete, dass React, sobald der Prozess des Vergleichs des virtuellen DOMs und der Aktualisierung des tatsächlichen DOMs begonnen hatte, nicht unterbrochen werden konnte. Dies konnte zu Leistungsproblemen führen, insbesondere in komplexen Anwendungen mit großen Komponentenbäumen. Wenn ein Komponenten-Update lange dauerte, reagierte der Browser nicht mehr, was zu einer schlechten Benutzererfahrung führte. Dies wird oft als das "Jank"-Problem bezeichnet.

Stellen Sie sich eine komplexe E-Commerce-Website vor, die einen Produktkatalog anzeigt. Wenn ein Benutzer mit einem Filter interagiert und dadurch ein erneutes Rendern des Katalogs auslöst, könnte der synchrone Reconciliation-Prozess den Hauptthread blockieren, wodurch die Benutzeroberfläche nicht mehr reagiert, bis der gesamte Katalog neu gerendert ist. Dies könnte mehrere Sekunden dauern und den Benutzer frustrieren.

Einführung in React Fiber

React Fiber ist eine vollständige Neufassung des Reconciliation-Algorithmus von React, die in React 16 eingeführt wurde. Ihr Hauptziel ist es, die Reaktionsfähigkeit und die wahrgenommene Leistung von React-Anwendungen zu verbessern, insbesondere in komplexen Szenarien. Fiber erreicht dies, indem der Reconciliation-Prozess in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten zerlegt wird.

Die Schlüsselkonzepte hinter React Fiber sind:

• Fibers: Ein Fiber ist ein JavaScript-Objekt, das eine Arbeitseinheit darstellt. Es enthält Informationen über eine Komponente, ihre Eingabe und ihre Ausgabe. Jede React-Komponente hat ein entsprechendes Fiber.
• WorkLoop: Ein Work-Loop ist eine Schleife, die den Fiber-Baum durchläuft und die notwendige Arbeit für jedes Fiber ausführt.
• Scheduling: Der Scheduler entscheidet basierend auf der Priorität, wann eine Arbeitseinheit gestartet, pausiert, fortgesetzt oder abgebrochen werden soll.

Vorteile der Fiber-Architektur

Die Fiber-Architektur bietet mehrere bedeutende Vorteile:

• Unterbrechbare Reconciliation: Fiber ermöglicht es React, den Reconciliation-Prozess anzuhalten und fortzusetzen, was verhindert, dass lang andauernde Aufgaben den Hauptthread blockieren. Dies stellt sicher, dass die Benutzeroberfläche auch bei komplexen Updates reaktionsfähig bleibt.
• Prioritätsbasierte Updates: Fiber ermöglicht es React, verschiedene Arten von Updates zu priorisieren. Zum Beispiel können Benutzerinteraktionen wie Tippen oder Klicken eine höhere Priorität erhalten als Hintergrundaufgaben wie das Abrufen von Daten. Dies stellt sicher, dass die wichtigsten Updates zuerst verarbeitet werden.
• Asynchrones Rendering: Fiber ermöglicht es React, das Rendering asynchron durchzuführen. Das bedeutet, dass React mit dem Rendern einer Komponente beginnen und dann pausieren kann, um dem Browser zu ermöglichen, andere Aufgaben wie Benutzereingaben oder Animationen zu erledigen. Dies verbessert die Gesamtleistung und Reaktionsfähigkeit der Anwendung.
• Verbesserte Fehlerbehandlung: Fiber bietet eine bessere Fehlerbehandlung während des Reconciliation-Prozesses. Wenn während des Renderns ein Fehler auftritt, kann React den Fehler abfangen und verhindern, dass die gesamte Anwendung abstürzt.

Betrachten Sie eine kollaborative Anwendung zur Dokumentenbearbeitung. Mit Fiber können Bearbeitungen verschiedener Benutzer mit unterschiedlichen Prioritäten verarbeitet werden. Echtzeit-Eingaben des aktuellen Benutzers erhalten die höchste Priorität, um sofortiges Feedback zu gewährleisten. Updates von anderen Benutzern oder das automatische Speichern im Hintergrund können mit niedrigerer Priorität verarbeitet werden, um die Erfahrung des aktiven Benutzers so wenig wie möglich zu stören.

Die Fiber-Struktur verstehen

Jede React-Komponente wird durch einen Fiber-Knoten dargestellt. Der Fiber-Knoten enthält Informationen über den Typ, die Props, den Zustand der Komponente und ihre Beziehungen zu anderen Fiber-Knoten im Baum. Hier sind einige wichtige Eigenschaften eines Fiber-Knotens:

• type: Der Typ der Komponente (z. B. eine Funktionskomponente, eine Klassenkomponente, ein DOM-Element).
• key: Die an die Komponente übergebene key-Prop.
• props: Die an die Komponente übergebenen Props.
• stateNode: Die Instanz der Komponente (für Klassenkomponenten) oder null (für Funktionskomponenten).
• child: Ein Zeiger auf den ersten Kind-Fiber-Knoten.
• sibling: Ein Zeiger auf den nächsten Geschwister-Fiber-Knoten.
• return: Ein Zeiger auf den Eltern-Fiber-Knoten.
• alternate: Ein Zeiger auf den Fiber-Knoten, der den vorherigen Zustand der Komponente darstellt.
• effectTag: Ein Flag, das die Art der Aktualisierung angibt, die am DOM durchgeführt werden muss.

Die Eigenschaft alternate ist besonders wichtig. Sie ermöglicht es React, den vorherigen und den aktuellen Zustand der Komponente zu verfolgen. Während des Reconciliation-Prozesses vergleicht React den aktuellen Fiber-Knoten mit seinem alternate, um die Änderungen zu ermitteln, die am DOM vorgenommen werden müssen.

Der WorkLoop-Algorithmus

Der Work-Loop ist der Kern der Fiber-Architektur. Er ist dafür verantwortlich, den Fiber-Baum zu durchlaufen und die notwendige Arbeit für jedes Fiber auszuführen. Der Work-Loop ist als eine rekursive Funktion implementiert, die die Fibers einzeln verarbeitet.

Der Work-Loop besteht aus zwei Hauptphasen:

• Die Render-Phase: Während der Render-Phase durchläuft React den Fiber-Baum und bestimmt die Änderungen, die am DOM vorgenommen werden müssen. Diese Phase ist unterbrechbar, was bedeutet, dass React sie jederzeit anhalten und fortsetzen kann.
• Die Commit-Phase: Während der Commit-Phase wendet React die Änderungen auf das DOM an. Diese Phase ist nicht unterbrechbar, was bedeutet, dass React sie abschließen muss, sobald sie begonnen hat.

Die Render-Phase im Detail

Die Render-Phase kann weiter in zwei Unterphasen unterteilt werden:

• beginWork: Die beginWork-Funktion ist für die Verarbeitung des aktuellen Fiber-Knotens und die Erstellung von Kind-Fiber-Knoten verantwortlich. Sie bestimmt, ob die Komponente aktualisiert werden muss, und erstellt gegebenenfalls neue Fiber-Knoten für ihre Kinder.
• completeWork: Die completeWork-Funktion ist für die Verarbeitung des aktuellen Fiber-Knotens verantwortlich, nachdem seine Kinder verarbeitet wurden. Sie aktualisiert das DOM und berechnet das Layout der Komponente.

Die beginWork-Funktion führt folgende Aufgaben aus:

1. Prüft, ob die Komponente aktualisiert werden muss.
2. Wenn die Komponente aktualisiert werden muss, vergleicht sie die neuen Props und den Zustand mit den vorherigen Props und dem Zustand, um die erforderlichen Änderungen zu ermitteln.
3. Erstellt neue Fiber-Knoten für die Kinder der Komponente.
4. Setzt die Eigenschaft effectTag am Fiber-Knoten, um die Art der am DOM durchzuführenden Aktualisierung anzugeben.

Die completeWork-Funktion führt folgende Aufgaben aus:

1. Aktualisiert das DOM mit den Änderungen, die während der beginWork-Funktion ermittelt wurden.
2. Berechnet das Layout der Komponente.
3. Sammelt die Nebeneffekte, die nach der Commit-Phase ausgeführt werden müssen.

Die Commit-Phase im Detail

Die Commit-Phase ist für die Anwendung der Änderungen auf das DOM verantwortlich. Diese Phase ist nicht unterbrechbar, was bedeutet, dass React sie abschließen muss, sobald sie begonnen hat. Die Commit-Phase besteht aus drei Unterphasen:

• beforeMutation: Diese Phase wird ausgeführt, bevor das DOM verändert wird. Sie wird verwendet, um Aufgaben wie die Vorbereitung des DOMs für die Updates durchzuführen.
• mutation: In dieser Phase werden die tatsächlichen DOM-Mutationen durchgeführt. React aktualisiert das DOM basierend auf der Eigenschaft effectTag der Fiber-Knoten.
• layout: Diese Phase wird ausgeführt, nachdem das DOM verändert wurde. Sie wird verwendet, um Aufgaben wie die Aktualisierung des Layouts der Komponente und die Ausführung von Lebenszyklusmethoden durchzuführen.

Praktische Beispiele und Code-Schnipsel

Lassen Sie uns den Fiber-Reconciliation-Prozess mit einem vereinfachten Beispiel veranschaulichen. Betrachten Sie eine Komponente, die eine Liste von Elementen anzeigt:

```javascript function ItemList({ items }) { return (

{items.map(item => (
• {item.name}
))}

); } ```

Wenn sich die items-Prop ändert, muss React die Liste abgleichen und das DOM entsprechend aktualisieren. So würde Fiber damit umgehen:

1. Render-Phase: Die beginWork-Funktion würde das neue items-Array mit dem vorherigen items-Array vergleichen. Sie würde identifizieren, welche Elemente hinzugefügt, entfernt oder aktualisiert wurden.
2. Neue Fiber-Knoten würden für die hinzugefügten Elemente erstellt, und der effectTag würde gesetzt, um anzuzeigen, dass diese Elemente in das DOM eingefügt werden müssen.
3. Fiber-Knoten für die entfernten Elemente würden zum Löschen markiert.
4. Fiber-Knoten für die aktualisierten Elemente würden mit den neuen Daten aktualisiert.
5. Commit-Phase: Die commit-Phase würde diese Änderungen dann auf das tatsächliche DOM anwenden. Die hinzugefügten Elemente würden eingefügt, die entfernten Elemente gelöscht und die aktualisierten Elemente geändert.

Die Verwendung der key-Prop ist für eine effiziente Reconciliation entscheidend. Ohne die key-Prop müsste React die gesamte Liste jedes Mal neu rendern, wenn sich das items-Array ändert. Mit der key-Prop kann React schnell erkennen, welche Elemente hinzugefügt, entfernt oder aktualisiert wurden, und nur diese Elemente aktualisieren.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Szenario vor, in dem sich die Reihenfolge der Artikel in einem Warenkorb ändert. Wenn jeder Artikel einen eindeutigen key hat (z. B. die Produkt-ID), kann React die Artikel im DOM effizient neu anordnen, ohne sie komplett neu rendern zu müssen. Dies verbessert die Leistung erheblich, insbesondere bei großen Listen.

Scheduling und Priorisierung

Einer der Hauptvorteile von Fiber ist seine Fähigkeit, Updates zu planen und zu priorisieren. React verwendet einen Scheduler, um basierend auf der Priorität zu bestimmen, wann eine Arbeitseinheit gestartet, angehalten, fortgesetzt oder abgebrochen werden soll. Dies ermöglicht es React, Benutzerinteraktionen zu priorisieren und sicherzustellen, dass die Benutzeroberfläche auch bei komplexen Updates reaktionsfähig bleibt.

React bietet mehrere APIs zum Planen von Updates mit unterschiedlichen Prioritäten:

• React.render: Plant ein Update mit der Standardpriorität.
• ReactDOM.unstable_deferredUpdates: Plant ein Update mit einer niedrigeren Priorität.
• ReactDOM.unstable_runWithPriority: Ermöglicht es Ihnen, die Priorität eines Updates explizit anzugeben.

Zum Beispiel können Sie ReactDOM.unstable_deferredUpdates verwenden, um Updates zu planen, die für die Benutzererfahrung nicht kritisch sind, wie z. B. das Verfolgen von Analysedaten oder das Abrufen von Daten im Hintergrund.

```javascript ReactDOM.unstable_deferredUpdates(() => { // Führen Sie hier nicht kritische Updates durch updateAnalyticsData(); }); ```

Fehlerbehandlung mit Fiber

Fiber bietet eine verbesserte Fehlerbehandlung während des Reconciliation-Prozesses. Wenn während des Renderns ein Fehler auftritt, kann React den Fehler abfangen und verhindern, dass die gesamte Anwendung abstürzt. React verwendet Fehlergrenzen (Error Boundaries), um Fehler kontrolliert zu behandeln.

Eine Fehlergrenze ist eine Komponente, die JavaScript-Fehler an beliebiger Stelle in ihrem untergeordneten Komponentenbaum abfängt, diese Fehler protokolliert und anstelle des abgestürzten Komponentenbaums eine Fallback-Benutzeroberfläche anzeigt. Fehlergrenzen fangen Fehler während des Renderns, in Lebenszyklusmethoden und in Konstruktoren des gesamten Baumes unter ihnen ab.

```javascript class ErrorBoundary extends React.Component { constructor(props) { super(props); this.state = { hasError: false }; } static getDerivedStateFromError(error) { // Zustand aktualisieren, damit das nächste Rendering die Fallback-UI anzeigt. return { hasError: true }; } componentDidCatch(error, errorInfo) { // Sie können den Fehler auch an einen Fehlerberichts-Dienst protokollieren logErrorToMyService(error, errorInfo); } render() { if (this.state.hasError) { // Sie können eine beliebige benutzerdefinierte Fallback-UI rendern return

Etwas ist schiefgelaufen.

; } return this.props.children; } } ```

Sie können Fehlergrenzen verwenden, um jede Komponente zu umschließen, die einen Fehler auslösen könnte. Dies stellt sicher, dass Ihre Anwendung stabil bleibt, auch wenn einige Komponenten ausfallen.

```javascript ```

Debuggen von Fiber

Das Debuggen von React-Anwendungen, die Fiber verwenden, kann eine Herausforderung sein, aber es gibt mehrere Tools und Techniken, die helfen können. Die Browser-Erweiterung React DevTools bietet ein leistungsstarkes Set von Werkzeugen zur Inspektion des Komponentenbaums, zur Leistungsprofilierung und zum Debuggen von Fehlern.

Der React Profiler ermöglicht es Ihnen, die Leistung Ihrer Anwendung aufzuzeichnen und Engpässe zu identifizieren. Sie können den Profiler verwenden, um zu sehen, wie lange jede Komponente zum Rendern benötigt, und Komponenten zu identifizieren, die Leistungsprobleme verursachen.

Die React DevTools bieten auch eine Komponentenbaumansicht, mit der Sie die Props, den Zustand und den Fiber-Knoten jeder Komponente inspizieren können. Dies kann hilfreich sein, um zu verstehen, wie der Komponentenbaum strukturiert ist und wie der Reconciliation-Prozess funktioniert.

Fazit

Die React Fiber-Architektur stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem traditionellen Reconciliation-Prozess dar. Indem der Reconciliation-Prozess in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten zerlegt wird, ermöglicht Fiber es React, die Reaktionsfähigkeit und die wahrgenommene Leistung von Anwendungen zu verbessern, insbesondere in komplexen Szenarien.

Das Verständnis der Schlüsselkonzepte hinter Fiber, wie Fibers, Work-Loops und Scheduling, ist für die Erstellung von hochleistungsfähigen React-Anwendungen unerlässlich. Durch die Nutzung der Funktionen von Fiber können Sie Benutzeroberflächen erstellen, die reaktionsschneller, widerstandsfähiger sind und eine bessere Benutzererfahrung bieten.

Während sich React weiterentwickelt, wird Fiber ein grundlegender Teil seiner Architektur bleiben. Indem Sie mit den neuesten Entwicklungen in Fiber auf dem Laufenden bleiben, können Sie sicherstellen, dass Ihre React-Anwendungen die Leistungsvorteile, die es bietet, voll ausnutzen.

Hier sind einige wichtige Erkenntnisse:

• React Fiber ist eine vollständige Neufassung des Reconciliation-Algorithmus von React.
• Fiber ermöglicht es React, den Reconciliation-Prozess anzuhalten und fortzusetzen, was verhindert, dass lang andauernde Aufgaben den Hauptthread blockieren.
• Fiber ermöglicht es React, verschiedene Arten von Updates zu priorisieren.
• Fiber bietet eine bessere Fehlerbehandlung während des Reconciliation-Prozesses.
• Die key-Prop ist für eine effiziente Reconciliation entscheidend.
• Die Browser-Erweiterung React DevTools bietet ein leistungsstarkes Set von Werkzeugen zum Debuggen von Fiber-Anwendungen.

Indem Entwickler auf der ganzen Welt React Fiber annehmen und seine Prinzipien verstehen, können sie leistungsfähigere und benutzerfreundlichere Webanwendungen erstellen, unabhängig von ihrem Standort oder der Komplexität ihrer Projekte.