React Fiber: Die neue Architektur verstehen

React, die beliebte JavaScript-Bibliothek zum Erstellen von Benutzeroberflächen, hat im Laufe der Jahre eine bedeutende Entwicklung durchgemacht. Eine der einschneidendsten Änderungen war die Einführung von React Fiber, einer vollständigen Neufassung von Reacts Kernalgorithmus zur Abstimmung (Reconciliation). Diese neue Architektur ermöglicht leistungsstarke Funktionen, die reibungslosere Benutzererlebnisse, verbesserte Leistung und größere Flexibilität bei der Verwaltung komplexer Anwendungen bieten. Dieser Blogbeitrag bietet einen umfassenden Überblick über React Fiber, seine Schlüsselkonzepte und seine Auswirkungen auf React-Entwickler weltweit.

Was ist React Fiber?

Im Kern ist React Fiber eine Implementierung des React-Abstimmungsalgorithmus (Reconciliation), der dafür verantwortlich ist, den aktuellen Zustand der Benutzeroberfläche einer Anwendung mit dem gewünschten Zustand zu vergleichen und dann das DOM (Document Object Model) zu aktualisieren, um die Änderungen widerzuspiegeln. Der ursprüngliche Abstimmungsalgorithmus, oft als "Stack Reconciler" bezeichnet, hatte Einschränkungen bei der Verarbeitung komplexer Updates, insbesondere in Szenarien mit langlaufenden Berechnungen oder häufigen Zustandsänderungen. Diese Einschränkungen konnten zu Leistungsengpässen und ruckeligen Benutzeroberflächen führen.

React Fiber behebt diese Einschränkungen durch die Einführung des Konzepts des asynchronen Renderings, wodurch React den Rendering-Prozess in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten zerlegen kann. Dies ermöglicht es React, Updates zu priorisieren, Benutzerinteraktionen reaktionsschneller zu verarbeiten und ein flüssigeres, nahtloseres Benutzererlebnis zu bieten. Stellen Sie es sich wie einen Koch vor, der ein komplexes Gericht zubereitet. Die alte Methode bedeutete, jedes Gericht nacheinander fertigzustellen. Fiber ist wie der Koch, der kleine Teile vieler Gerichte gleichzeitig zubereitet und eine Aufgabe pausiert, um schnell eine Kundenanfrage oder dringende Aufgabe zu bearbeiten.

Schlüsselkonzepte von React Fiber

Um React Fiber vollständig zu verstehen, ist es unerlässlich, seine Schlüsselkonzepte zu erfassen:

1. Fibers

Eine Fiber ist die grundlegende Arbeitseinheit in React Fiber. Sie stellt eine virtuelle Repräsentation einer React-Komponenteninstanz dar. Jede Komponente in der Anwendung hat einen entsprechenden Fiber-Knoten, der eine baumartige Struktur bildet, die als Fiber-Baum bezeichnet wird. Dieser Baum spiegelt den Komponentenbaum wider, enthält jedoch zusätzliche Informationen, die React zum Verfolgen, Priorisieren und Verwalten von Updates verwendet. Jede Fiber enthält Informationen über:

Typ: Der Typ der Komponente (z. B. eine funktionale Komponente, eine Klassenkomponente oder ein DOM-Element).
Schlüssel: Eine eindeutige Kennung für die Komponente, die für eine effiziente Abstimmung verwendet wird.
Props: Die an die Komponente übergebenen Daten.
State: Die internen Daten, die von der Komponente verwaltet werden.
Child (Kind): Ein Zeiger auf das erste Kind der Komponente.
Sibling (Geschwister): Ein Zeiger auf das nächste Geschwister der Komponente.
Return (Rückgabe): Ein Zeiger auf das übergeordnete Element der Komponente.
Effekt-Tag: Ein Flag, das den Typ des Updates angibt, das für die Komponente ausgeführt werden muss (z. B. Update, Platzierung, Löschung).

2. Abstimmung (Reconciliation)

Reconciliation ist der Prozess des Vergleichs des aktuellen Fiber-Baums mit dem neuen Fiber-Baum, um die Änderungen zu bestimmen, die am DOM vorgenommen werden müssen. React Fiber verwendet einen Tiefensuche-Algorithmus (depth-first traversal), um den Fiber-Baum zu durchlaufen und die Unterschiede zwischen den beiden Bäumen zu identifizieren. Dieser Algorithmus ist optimiert, um die Anzahl der DOM-Operationen zu minimieren, die zur Aktualisierung der Benutzeroberfläche erforderlich sind.

3. Planung (Scheduling)

Planung (Scheduling) ist der Prozess des Priorisierens und Ausführens der während der Abstimmung identifizierten Updates. React Fiber verwendet einen ausgeklügelten Scheduler, der es ihm ermöglicht, den Rendering-Prozess in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten zu zerlegen. Dies ermöglicht es React, Updates basierend auf ihrer Wichtigkeit zu priorisieren, Benutzerinteraktionen reaktionsschneller zu verarbeiten und zu verhindern, dass langlaufende Berechnungen den Hauptthread blockieren.

Der Scheduler arbeitet mit einem prioritätsbasierten System. Updates können unterschiedliche Prioritäten zugewiesen werden, wie zum Beispiel:

Sofort (Immediate): Für kritische Updates, die sofort angewendet werden müssen (z. B. Benutzereingaben).
Benutzerblockierend (User-Blocking): Für Updates, die durch Benutzerinteraktionen ausgelöst werden und so schnell wie möglich verarbeitet werden sollten.
Normal: Für allgemeine Updates, die keine strengen Timing-Anforderungen haben.
Niedrig (Low): Für Updates, die weniger wichtig sind und bei Bedarf aufgeschoben werden können.
Leerlauf (Idle): Für Updates, die ausgeführt werden können, wenn der Browser im Leerlauf ist.

4. Asynchrones Rendering

Asynchrones Rendering ist die Kerninnovation von React Fiber. Es ermöglicht React, den Rendering-Prozess anzuhalten und fortzusetzen, wodurch es Updates mit höherer Priorität und Benutzerinteraktionen effektiver verarbeiten kann. Dies wird erreicht, indem der Rendering-Prozess in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten zerlegt und diese nach Priorität geplant werden. Wenn ein Update mit höherer Priorität eintrifft, während React an einer Aufgabe mit niedrigerer Priorität arbeitet, kann React die Aufgabe mit niedrigerer Priorität pausieren, das Update mit höherer Priorität verarbeiten und dann die Aufgabe mit niedrigerer Priorität dort fortsetzen, wo sie unterbrochen wurde. Dies stellt sicher, dass die Benutzeroberfläche auch bei komplexen Updates reaktionsschnell bleibt.

5. WorkLoop (Arbeitsschleife)

Die WorkLoop ist das Herzstück der Fiber-Architektur. Es ist eine Funktion, die den Fiber-Baum durchläuft, einzelne Fibers verarbeitet und die notwendigen Updates ausführt. Diese Schleife wird fortgesetzt, bis alle ausstehenden Arbeiten abgeschlossen sind oder bis React pausieren muss, um eine Aufgabe mit höherer Priorität zu bearbeiten. Die WorkLoop ist verantwortlich für:

Auswahl der nächsten zu verarbeitenden Fiber.
Ausführung der Lebenszyklusmethoden der Komponente.
Berechnung der Unterschiede zwischen dem aktuellen und dem neuen Fiber-Baum.
Aktualisierung des DOM.

Vorteile von React Fiber

React Fiber bietet sowohl React-Entwicklern als auch Benutzern mehrere wesentliche Vorteile:

1. Verbesserte Leistung

Durch die Zerlegung des Rendering-Prozesses in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten verbessert React Fiber die Leistung von React-Anwendungen erheblich. Dies ist besonders in komplexen Anwendungen mit häufigen Zustandsänderungen oder langlaufenden Berechnungen spürbar. Die Fähigkeit, Updates zu priorisieren und Benutzerinteraktionen reaktionsschneller zu verarbeiten, führt zu einem reibungsloseren, flüssigeren Benutzererlebnis.

Betrachten Sie zum Beispiel eine E-Commerce-Website mit einer komplexen Produktlistenseite. Ohne React Fiber könnten das Filtern und Sortieren der Produktliste dazu führen, dass die Benutzeroberfläche nicht mehr reagiert, was zu einem frustrierenden Benutzererlebnis führt. Mit React Fiber können diese Operationen asynchron ausgeführt werden, wodurch die Benutzeroberfläche reaktionsschnell bleibt und dem Benutzer ein nahtloseres Erlebnis geboten wird.

2. Verbesserte Reaktionsfähigkeit

Die asynchronen Rendering-Fähigkeiten von React Fiber ermöglichen es React, Benutzerinteraktionen reaktionsschneller zu verarbeiten. Durch die Priorisierung von Updates, die durch Benutzeraktionen ausgelöst werden, kann React sicherstellen, dass die Benutzeroberfläche auch bei komplexen Updates interaktiv bleibt. Dies führt zu einem ansprechenderen und befriedigenderen Benutzererlebnis.

Stellen Sie sich einen kollaborativen Dokumenteneditor vor, in dem mehrere Benutzer gleichzeitig Änderungen vornehmen. Mit React Fiber kann die Benutzeroberfläche auf die Aktionen jedes Benutzers reaktionsschnell bleiben, selbst wenn eine große Anzahl gleichzeitiger Updates verarbeitet wird. Dies ermöglicht es Benutzern, in Echtzeit zusammenzuarbeiten, ohne Verzögerungen oder Wartezeiten zu erleben.

3. Größere Flexibilität

React Fiber bietet größere Flexibilität bei der Verwaltung komplexer Anwendungen. Die Möglichkeit, Updates zu priorisieren und asynchrone Operationen zu verarbeiten, ermöglicht es Entwicklern, den Rendering-Prozess für spezifische Anwendungsfälle zu optimieren. Dies befähigt sie, anspruchsvollere und leistungsfähigere Anwendungen zu erstellen.

Betrachten Sie zum Beispiel eine Datenvisualisierungsanwendung, die eine große Menge an Echtzeitdaten anzeigt. Mit React Fiber können Entwickler das Rendern der wichtigsten Datenpunkte priorisieren, um sicherzustellen, dass der Benutzer die relevantesten Informationen zuerst sieht. Sie können das Rendern weniger wichtiger Datenpunkte auch aufschieben, bis der Browser im Leerlauf ist, was die Leistung weiter verbessert.

4. Neue Möglichkeiten für das UI-Design

React Fiber eröffnet neue Möglichkeiten für das UI-Design. Die Fähigkeit, asynchrones Rendering durchzuführen und Updates zu priorisieren, ermöglicht es Entwicklern, komplexere und dynamischere Benutzeroberflächen zu erstellen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Dies befähigt sie, ansprechendere und immersivere Benutzererlebnisse zu schaffen.

Betrachten Sie eine Spielanwendung, die häufige Updates des Spielzustands erfordert. Mit React Fiber können Entwickler das Rendern der wichtigsten Spielelemente, wie den Charakter des Spielers und die feindlichen Charaktere, priorisieren, um sicherzustellen, dass das Spiel auch bei einer großen Anzahl von Updates reaktionsschnell bleibt. Sie können das Rendern weniger wichtiger Spielelemente, wie der Hintergrundlandschaft, auch aufschieben, bis der Browser im Leerlauf ist, was die Leistung weiter verbessert.

Auswirkungen für React-Entwickler

Obwohl React Fiber größtenteils ein Implementierungsdetail ist, hat es einige Auswirkungen auf React-Entwickler. Hier sind einige wichtige Überlegungen:

1. Den Concurrent Mode verstehen

React Fiber ermöglicht den Concurrent Mode, eine Reihe neuer Funktionen, die es React ermöglichen, asynchrones Rendering effektiver zu verarbeiten. Der Concurrent Mode führt neue APIs und Konzepte ein, mit denen Entwickler vertraut sein sollten, wie zum Beispiel:

Suspense: Ein Mechanismus zum Aussetzen des Renderings einer Komponente, bis ihre Daten verfügbar sind.
Transitions: Eine Möglichkeit, Updates zu kennzeichnen, die weniger wichtig sind und bei Bedarf aufgeschoben werden können.
useDeferredValue: Ein Hook, der es Ihnen ermöglicht, die Aktualisierung eines Teils der Benutzeroberfläche aufzuschieben.
useTransition: Ein Hook, der es Ihnen ermöglicht, Updates als Transitionen zu kennzeichnen.

Das Verständnis dieser APIs und Konzepte ist entscheidend, um die Fähigkeiten von React Fiber voll auszuschöpfen.

2. Fehlergrenzen (Error Boundaries)

Beim asynchronen Rendering können Fehler an verschiedenen Punkten im Rendering-Prozess auftreten. Fehlergrenzen (Error Boundaries) sind ein Mechanismus zum Abfangen von Fehlern, die während des Renderings auftreten, und um zu verhindern, dass sie die gesamte Anwendung zum Absturz bringen. Entwickler sollten Fehlergrenzen verwenden, um Fehler elegant zu behandeln und dem Benutzer eine Fallback-Benutzeroberfläche bereitzustellen.

Stellen Sie sich zum Beispiel eine Komponente vor, die Daten von einer externen API abruft. Wenn der API-Aufruf fehlschlägt, könnte die Komponente einen Fehler auslösen. Indem Sie die Komponente in eine Fehlergrenze einschließen, können Sie den Fehler abfangen und dem Benutzer eine Meldung anzeigen, dass die Daten nicht geladen werden konnten.

3. Effekte und Nebenwirkungen

Bei der Verwendung von asynchronem Rendering ist es wichtig, Effekte und Nebenwirkungen zu beachten. Effekte sollten im useEffect-Hook ausgeführt werden, der sicherstellt, dass sie nach dem Rendern der Komponente ausgeführt werden. Es ist auch wichtig, Nebenwirkungen zu vermeiden, die den Rendering-Prozess stören können, wie z. B. die direkte Manipulation des DOM außerhalb von React.

Betrachten Sie eine Komponente, die den Dokumenttitel nach dem Rendern aktualisieren muss. Anstatt den Dokumenttitel direkt innerhalb der Renderfunktion der Komponente festzulegen, sollten Sie den useEffect-Hook verwenden, um den Titel nach dem Rendern der Komponente zu aktualisieren. Dies stellt sicher, dass der Titel auch bei asynchronem Rendering korrekt aktualisiert wird.

4. Blockierende Operationen vermeiden

Um die asynchronen Rendering-Fähigkeiten von React Fiber voll auszuschöpfen, ist es wichtig, blockierende Operationen zu vermeiden, die den Hauptthread blockieren können. Dazu gehören langlaufende Berechnungen, synchrone API-Aufrufe und übermäßige DOM-Manipulationen. Stattdessen sollten Entwickler asynchrone Techniken wie Web Worker oder asynchrone API-Aufrufe verwenden, um diese Operationen im Hintergrund auszuführen.

Anstatt zum Beispiel eine komplexe Berechnung im Hauptthread durchzuführen, können Sie einen Web Worker verwenden, um die Berechnung in einem separaten Thread durchzuführen. Dies verhindert, dass die Berechnung den Hauptthread blockiert und stellt sicher, dass die Benutzeroberfläche reaktionsschnell bleibt.

Praktische Beispiele und Anwendungsfälle

Lassen Sie uns einige praktische Beispiele und Anwendungsfälle untersuchen, in denen React Fiber das Benutzererlebnis erheblich verbessern kann:

1. Datenintensive Anwendungen

Anwendungen, die große Datenmengen anzeigen, wie Dashboards, Datenvisualisierungstools und E-Commerce-Websites, können von der verbesserten Leistung und Reaktionsfähigkeit von React Fiber stark profitieren. Durch die Priorisierung des Renderings der wichtigsten Datenpunkte und das Aufschieben des Renderings weniger wichtiger Datenpunkte können Entwickler sicherstellen, dass der Benutzer die relevantesten Informationen zuerst sieht und dass die Benutzeroberfläche auch bei großen Datenmengen reaktionsschnell bleibt.

Zum Beispiel kann ein Finanz-Dashboard, das Echtzeit-Aktienkurse anzeigt, React Fiber verwenden, um das Rendern der aktuellen Aktienkurse zu priorisieren und das Rendern historischer Aktienkurse aufzuschieben. Dies stellt sicher, dass der Benutzer die aktuellsten Informationen sieht und dass das Dashboard auch bei großen Datenmengen reaktionsschnell bleibt.

2. Interaktive Benutzeroberflächen

Anwendungen mit komplexen interaktiven Benutzeroberflächen, wie Spiele, Simulationen und kollaborative Editoren, können von der verbesserten Reaktionsfähigkeit von React Fiber profitieren. Durch die Priorisierung von Updates, die durch Benutzeraktionen ausgelöst werden, können Entwickler sicherstellen, dass die Benutzeroberfläche auch bei einer großen Anzahl von Updates interaktiv bleibt.

Stellen Sie sich ein Echtzeit-Strategiespiel vor, in dem Spieler ständig Befehle an ihre Einheiten geben. Mit React Fiber kann die Benutzeroberfläche auf die Aktionen jedes Spielers reaktionsschnell bleiben, selbst wenn eine große Anzahl gleichzeitiger Updates verarbeitet wird. Dies ermöglicht es Spielern, ihre Einheiten in Echtzeit zu steuern, ohne Verzögerungen oder Wartezeiten zu erleben.

3. Anwendungen mit Animationen

Anwendungen, die Animationen verwenden, können von den asynchronen Rendering-Fähigkeiten von React Fiber profitieren. Durch die Zerlegung des Animationsprozesses in kleinere, unterbrechbare Arbeitseinheiten können Entwickler sicherstellen, dass die Animationen reibungslos ablaufen und die Benutzeroberfläche auch bei komplexen Animationen reaktionsschnell bleibt.

Zum Beispiel kann eine Website mit einer komplexen Seitenübergangsanimation React Fiber verwenden, um sicherzustellen, dass die Animation reibungslos abläuft und der Benutzer während des Übergangs keine Verzögerungen oder Wartezeiten erfährt.

4. Code-Splitting und Lazy Loading

React Fiber lässt sich nahtlos in Code-Splitting- und Lazy-Loading-Techniken integrieren. Durch die Verwendung von React.lazy und Suspense können Sie Komponenten bei Bedarf laden, was die anfängliche Ladezeit Ihrer Anwendung verbessert. Fiber stellt sicher, dass die Ladeindikatoren und Fallback-Benutzeroberflächen reibungslos angezeigt werden und dass die geladenen Komponenten effizient gerendert werden.

Best Practices für die Verwendung von React Fiber

Um das Beste aus React Fiber herauszuholen, beachten Sie diese Best Practices:

Verwenden Sie den Concurrent Mode: Aktivieren Sie den Concurrent Mode, um das volle Potenzial der asynchronen Rendering-Fähigkeiten von React Fiber freizuschalten.
Implementieren Sie Fehlergrenzen: Verwenden Sie Fehlergrenzen, um Fehler elegant zu behandeln und zu verhindern, dass sie die gesamte Anwendung zum Absturz bringen.
Optimieren Sie Effekte: Verwenden Sie den useEffect-Hook, um Effekte und Nebenwirkungen zu verwalten, und vermeiden Sie Nebenwirkungen, die den Rendering-Prozess stören können.
Vermeiden Sie blockierende Operationen: Verwenden Sie asynchrone Techniken, um blockierende Operationen zu vermeiden, die den Hauptthread blockieren können.
Profilieren Sie Ihre Anwendung: Verwenden Sie die Profiling-Tools von React, um Leistungsengpässe zu identifizieren und Ihren Code entsprechend zu optimieren.

React Fiber im globalen Kontext

Die Vorteile von React Fiber sind universell anwendbar, unabhängig von geografischem Standort oder kulturellem Kontext. Seine Verbesserungen in Leistung, Reaktionsfähigkeit und Flexibilität sind entscheidend, um einem globalen Publikum nahtlose Benutzererlebnisse zu bieten. Beim Erstellen von Anwendungen für diverse Benutzer weltweit ist es unerlässlich, Faktoren wie Netzwerklatenz, Gerätefähigkeiten und regionale Präferenzen zu berücksichtigen. React Fiber kann einige dieser Herausforderungen mindern, indem es den Rendering-Prozess optimiert und sicherstellt, dass die Benutzeroberfläche auch unter weniger idealen Bedingungen reaktionsschnell bleibt.

Zum Beispiel kann in Regionen mit langsameren Internetverbindungen die asynchrone Rendering-Fähigkeit von React Fiber dazu beitragen, dass die Benutzeroberfläche schnell lädt und reaktionsschnell bleibt, was den Benutzern in diesen Regionen ein besseres Erlebnis bietet. Ähnlich kann in Regionen mit einer breiten Palette von Gerätefähigkeiten die Fähigkeit von React Fiber, Updates zu priorisieren und asynchrone Operationen zu verarbeiten, dazu beitragen, dass die Anwendung auf einer Vielzahl von Geräten, von High-End-Smartphones bis hin zu Low-End-Feature-Phones, reibungslos läuft.

Fazit

React Fiber ist eine revolutionäre Architektur, die die Art und Weise, wie React-Anwendungen erstellt und gerendert werden, verändert hat. Durch die Einführung von asynchronem Rendering und einem ausgeklügelten Planungsalgorithmus erschließt React Fiber leistungsstarke Fähigkeiten, die reibungslosere Benutzererlebnisse, verbesserte Leistung und größere Flexibilität ermöglichen. Obwohl es neue Konzepte und APIs einführt, ist das Verständnis von React Fiber für jeden React-Entwickler, der moderne, leistungsstarke und skalierbare Anwendungen erstellen möchte, von entscheidender Bedeutung. Indem Entwickler React Fiber und die damit verbundenen Funktionen nutzen, können sie einem globalen Publikum außergewöhnliche Benutzererlebnisse bieten und die Grenzen dessen, was mit React möglich ist, erweitern.