React Reconciliation: Ein tiefer Einblick in den Diffing-Algorithmus des Virtual DOM

Im Bereich der modernen Frontend-Entwicklung ist das Erreichen effizienter und performanter Benutzeroberflächen von grösster Bedeutung. React, eine führende JavaScript-Bibliothek zum Erstellen von Benutzeroberflächen, verdankt einen Grossteil seines Erfolgs seinem hochentwickelten Reconciliation-Prozess, der vom Virtual DOM und seinem genialen Diffing-Algorithmus angetrieben wird. Dieser Artikel bietet eine umfassende, global relevante Analyse, wie React Änderungen abgleicht, sodass Entwickler weltweit schnellere und reaktionsschnellere Anwendungen erstellen können.

Was ist React Reconciliation?

Im Kern ist Reconciliation der Prozess von React, das DOM (Document Object Model) zu aktualisieren, um den gewünschten Zustand Ihrer UI widerzuspiegeln. Wenn Sie den Zustand oder die Props einer React-Komponente ändern, muss React das tatsächliche Browser-DOM effizient aktualisieren, um diese Änderungen widerzuspiegeln. Die direkte Bearbeitung des DOM kann eine rechenintensive Operation sein, insbesondere in grossen und komplexen Anwendungen. Der Reconciliation-Mechanismus von React wurde entwickelt, um diese teuren DOM-Operationen durch eine clevere Strategie zu minimieren.

Anstatt das Browser-DOM bei jeder Zustandsänderung direkt zu ändern, verwaltet React eine In-Memory-Darstellung der UI, die als Virtual DOM bezeichnet wird. Dieses Virtual DOM ist eine schlanke Kopie der tatsächlichen DOM-Struktur. Wenn sich der Zustand oder die Props einer Komponente ändern, erstellt React einen neuen Virtual DOM-Baum, der die aktualisierte UI darstellt. Anschliessend vergleicht er diesen neuen Virtual DOM-Baum mit dem vorherigen. Dieser Vergleichsprozess wird als Diffing bezeichnet, und der Algorithmus, der ihn ausführt, ist der Diffing-Algorithmus.

Der Diffing-Algorithmus identifiziert die spezifischen Unterschiede zwischen den beiden Virtual DOM-Bäumen. Sobald diese Unterschiede genau bestimmt wurden, berechnet React den effizientesten Weg, das tatsächliche Browser-DOM zu aktualisieren, um diese Änderungen widerzuspiegeln. Dies beinhaltet oft das Zusammenfassen mehrerer Updates und das Anwenden in einer einzigen, optimierten Operation, wodurch die Anzahl der kostspieligen DOM-Manipulationen reduziert und die Anwendungsleistung erheblich verbessert wird.

Das Virtual DOM: Eine schlanke Abstraktion

Das Virtual DOM ist keine physische Entität im Browser, sondern eine JavaScript-Objektdarstellung des DOM. Jedes Element, Attribut und Textstück in Ihrer React-Anwendung wird als Knoten im Virtual DOM-Baum dargestellt. Diese Abstraktion bietet mehrere wichtige Vorteile:

• Performance: Wie bereits erwähnt, ist die direkte DOM-Manipulation langsam. Das Virtual DOM ermöglicht React, Berechnungen und Vergleiche im Speicher durchzuführen, was viel schneller ist.
• Cross-Platform-Kompatibilität: Das Virtual DOM abstrahiert die Besonderheiten verschiedener Browser-DOM-Implementierungen. Dies ermöglicht React, auf verschiedenen Plattformen zu laufen, einschliesslich Mobile (React Native) und serverseitiges Rendering, mit konsistentem Verhalten.
• Deklarative Programmierung: Entwickler beschreiben, wie die UI basierend auf dem aktuellen Zustand aussehen soll, und React übernimmt die imperativen DOM-Updates. Dieser deklarative Ansatz macht den Code vorhersehbarer und leichter verständlich.

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Liste von Elementen, die aktualisiert werden muss. Ohne das Virtual DOM müssten Sie möglicherweise das DOM manuell durchlaufen, die spezifischen zu ändernden Elemente suchen und diese einzeln aktualisieren. Mit React und dem Virtual DOM aktualisieren Sie einfach den Zustand Ihrer Komponente, und React kümmert sich darum, nur die notwendigen DOM-Knoten effizient zu finden und zu aktualisieren.

Der Diffing-Algorithmus: Die Unterschiede finden

Das Herzstück des Reconciliation-Prozesses von React liegt in seinem Diffing-Algorithmus. Wenn React die UI aktualisieren muss, generiert es einen neuen Virtual DOM-Baum und vergleicht ihn mit dem vorherigen. Der Algorithmus ist basierend auf zwei Schlüsselannahmen optimiert:

1. Elemente unterschiedlichen Typs erzeugen unterschiedliche Bäume: Wenn die Wurzelelemente zweier Bäume unterschiedlichen Typs sind (z. B. ein <div> im Vergleich zu einem <span>), wird React den alten Baum abreissen und einen neuen von Grund auf neu erstellen. Es wird sich nicht die Mühe machen, die Kinder zu vergleichen. Wenn sich eine Komponente von einem Typ zu einem anderen ändert (z. B. von einem <UserList> zu einem <ProductList>), wird der gesamte Unterbaum der Komponente unmounted und remounted.
2. Der Entwickler kann mit einem key-Prop angeben, welche Kindelemente über Re-Renders hinweg stabil sein können: Beim Diffing einer Liste von Elementen benötigt React eine Möglichkeit, zu identifizieren, welche Elemente hinzugefügt, entfernt oder neu angeordnet wurden. Der key-Prop ist hier entscheidend. Ein key ist ein eindeutiger Identifikator für jedes Element in einer Liste. Indem Sie stabile und eindeutige Schlüssel bereitstellen, helfen Sie React, die Liste effizient zu aktualisieren. Ohne Schlüssel rendert oder erstellt React möglicherweise unnötig DOM-Knoten neu, insbesondere wenn es um Einfügungen oder Löschungen in der Mitte einer Liste geht.

Wie Diffing in der Praxis funktioniert:

Lassen Sie uns dies anhand eines gängigen Szenarios veranschaulichen: Aktualisieren einer Liste von Elementen. Betrachten Sie eine Liste von Benutzern, die von einer API abgerufen wurden.

Szenario 1: Keine Schlüssel bereitgestellt

Wenn Sie eine Liste von Elementen ohne Schlüssel rendern und ein Element am Anfang der Liste eingefügt wird, könnte React dies so sehen, dass jedes nachfolgende Element neu gerendert wird, auch wenn sich dessen Inhalt nicht geändert hat. Zum Beispiel:

            
// Ohne Schlüssel

  
Alice
  
Bob
  
Charlie


// Nach dem Einfügen von 'David' am Anfang

  
David
  
Alice
  
Bob
  
Charlie


            

              
                Copy
              
            
          

In diesem Fall könnte React fälschlicherweise annehmen, dass 'Alice' auf 'David' aktualisiert wurde, 'Bob' auf 'Alice' usw. Dies führt zu ineffizienten DOM-Updates.

Szenario 2: Schlüssel bereitgestellt

Verwenden wir nun stabile, eindeutige Schlüssel (z. B. Benutzer-IDs):

            
// Mit Schlüsseln

  
Alice
  
Bob
  
Charlie


// Nach dem Einfügen von 'David' mit Schlüssel '4' am Anfang

  
David
  
Alice
  
Bob
  
Charlie


            

              
                Copy
              
            
          

Mit Schlüsseln kann React korrekt identifizieren, dass ein neues Element mit Schlüssel "4" hinzugefügt wurde, und die vorhandenen Elemente mit den Schlüsseln "1", "2" und "3" bleiben gleich, nur ihre Position in der Liste hat sich geändert. Dies ermöglicht React, gezielte DOM-Updates durchzuführen, z. B. das Einfügen des neuen <li>-Elements, ohne die anderen zu berühren.

Key Best Practices für Listen:

• Verwenden Sie stabile IDs: Verwenden Sie immer stabile, eindeutige IDs aus Ihren Daten als Schlüssel.
• Vermeiden Sie die Verwendung von Array-Indizes als Schlüssel: Array-Indizes sind zwar praktisch, aber nicht stabil, wenn sich die Reihenfolge der Elemente ändert, was zu Leistungsproblemen und potenziellen Fehlern führt.
• Schlüssel müssen unter Geschwistern eindeutig sein: Schlüssel müssen nur innerhalb ihres unmittelbaren Elternteils eindeutig sein.

Reconciliation-Strategien und Optimierungen

Die Reconciliation von React ist ein fortlaufender Bereich der Entwicklung und Optimierung. Modernes React verwendet eine Technik namens Concurrent Rendering, die es React ermöglicht, Rendering-Aufgaben zu unterbrechen und fortzusetzen, wodurch die UI auch bei komplexen Updates reaktionsschneller wird.

Die Fiber-Architektur: Ermöglichen von Concurrency

Vor React 16 war die Reconciliation ein rekursiver Prozess, der den Hauptthread blockieren konnte. React 16 führte die Fiber-Architektur ein, eine vollständige Neufassung der Reconciliation-Engine. Fiber ist ein Konzept eines "virtuellen Stacks", das React Folgendes ermöglicht:

• Arbeit pausieren, abbrechen und neu rendern: Dies ist die Grundlage für Concurrent Rendering. React kann Rendering-Arbeiten in kleinere Blöcke aufteilen.
• Updates priorisieren: Wichtigere Updates (wie Benutzereingaben) können gegenüber weniger wichtigen Updates (wie das Abrufen von Hintergrunddaten) priorisiert werden.
• Rendern und Committen in separaten Phasen: Die "Render"-Phase (in der Arbeit erledigt und Diffing durchgeführt wird) kann unterbrochen werden, während die "Commit"-Phase (in der DOM-Updates tatsächlich angewendet werden) atomar ist und nicht unterbrochen werden kann.

Die Fiber-Architektur macht React deutlich effizienter und in der Lage, komplexe Echtzeit-Interaktionen zu verarbeiten, ohne die Benutzeroberfläche einzufrieren. Dies ist besonders vorteilhaft für globale Anwendungen, die möglicherweise unterschiedliche Netzwerkbedingungen und Benutzeraktivitätsniveaus aufweisen.

Automatisches Batching

React batcht automatisch mehrere Zustandsaktualisierungen, die innerhalb desselben Event-Handlers auftreten. Dies bedeutet, dass wenn Sie setState mehrmals innerhalb eines einzelnen Ereignisses aufrufen (z. B. ein Button-Klick), React diese Updates gruppiert und die Komponente nur einmal neu rendert. Dies ist eine signifikante Leistungsoptimierung, die in React 18 mit automatischem Batching für Updates ausserhalb von Event-Handlern (z. B. innerhalb von setTimeout oder Promises) weiter verbessert wurde.

Beispiel:

            
// In React 17 und früher würde dies zwei Re-Renders verursachen:
// setTimeout(() => {
//   setCount(count + 1);
//   setSecondCount(secondCount + 1);
// }, 1000);

// In React 18+ wird dies automatisch in einem Re-Render gebatcht.

            

              
                Copy
              
            
          

Globale Überlegungen zur React-Performance

Beim Erstellen von Anwendungen für ein globales Publikum ist das Verständnis der Reconciliation von React entscheidend, um eine reibungslose Benutzererfahrung unter verschiedenen Netzwerkbedingungen und Geräten zu gewährleisten.

• Netzwerklatenz: Anwendungen, die Daten aus verschiedenen Regionen abrufen, müssen optimiert werden, um potenzielle Netzwerklatenz zu verarbeiten. Eine effiziente Reconciliation stellt sicher, dass die UI auch bei verzögerten Daten reaktionsschnell bleibt.
• Gerätefunktionen: Benutzer greifen möglicherweise von leistungsschwachen Geräten auf Ihre Anwendung zu. Optimierte DOM-Updates bedeuten weniger CPU-Auslastung, was zu einer besseren Leistung auf diesen Geräten führt.
• Internationalisierung (i18n) und Lokalisierung (l10n): Wenn sich Inhalte aufgrund von Sprache oder Region ändern, stellt der Diffing-Algorithmus von React sicher, dass nur die betroffenen Textknoten oder Elemente aktualisiert werden, anstatt ganze Abschnitte der UI neu zu rendern.
• Code Splitting und Lazy Loading: Durch die Verwendung von Techniken wie Code Splitting können Sie nur das notwendige JavaScript für eine bestimmte Ansicht laden. Wenn eine neue Ansicht geladen wird, stellt die Reconciliation sicher, dass der Übergang reibungslos verläuft, ohne den Rest der Anwendung zu beeinträchtigen.

Häufige Fallstricke und wie man sie vermeidet

Obwohl die Reconciliation von React leistungsstark ist, können bestimmte Praktiken ihre Effizienz unbeabsichtigt behindern.

1. Falsche Verwendung von Schlüsseln

Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Array-Indizes als Schlüssel oder nicht eindeutigen Schlüsseln in Listen ein häufiger Leistungsengpass. Streben Sie immer nach stabilen, eindeutigen Identifikatoren.

2. Unnötige Re-Renders

Komponenten werden neu gerendert, wenn sich ihr Zustand oder ihre Props ändern. Manchmal scheinen sich jedoch Props zu ändern, obwohl sie es nicht getan haben, oder eine Komponente wird aufgrund eines unnötigen Re-Renders einer übergeordneten Komponente neu gerendert.

Lösungen:

• React.memo: Für funktionale Komponenten ist React.memo eine Higher-Order-Komponente, die die Komponente memoisiert. Sie wird nur neu gerendert, wenn sich ihre Props geändert haben. Sie können auch eine benutzerdefinierte Vergleichsfunktion bereitstellen.
• useMemo und useCallback: Diese Hooks helfen, teure Berechnungen oder Funktionsdefinitionen zu memoizieren, wodurch verhindert wird, dass sie bei jedem Render neu erstellt werden, was dann unnötige Re-Renders von untergeordneten Komponenten verhindern kann, die diese als Props erhalten.
• Immutabilität: Stellen Sie sicher, dass Sie den Zustand oder die Props nicht direkt mutieren. Erstellen Sie beim Aktualisieren immer neue Arrays oder Objekte. Dies ermöglicht es dem Shallow Comparison von React (der standardmässig in React.memo verwendet wird), Änderungen korrekt zu erkennen.

3. Teure Berechnungen im Render

Das Ausführen komplexer Berechnungen direkt innerhalb der render-Methode (oder des Körpers einer funktionalen Komponente) kann die Reconciliation verlangsamen. Verwenden Sie useMemo, um die Ergebnisse teurer Berechnungen zu cachen.

Fazit

Der Reconciliation-Prozess von React mit seinem Virtual DOM und dem effizienten Diffing-Algorithmus ist ein Eckpfeiler seiner Leistung und Entwicklererfahrung. Indem Sie verstehen, wie React Virtual DOM-Bäume vergleicht, wie der key-Prop funktioniert und welche Vorteile die Fiber-Architektur und das automatische Batching bieten, können Entwickler weltweit hochleistungsfähige, dynamische und ansprechende Benutzeroberflächen erstellen. Die Priorisierung eines effizienten Zustandsmanagements, die korrekte Verwendung von Schlüsseln und die Verwendung von Memoization-Techniken stellen sicher, dass Ihre React-Anwendungen Benutzern auf der ganzen Welt ein nahtloses Erlebnis bieten, unabhängig von ihren Geräten oder Netzwerkbedingungen.

Beachten Sie beim Erstellen Ihrer nächsten globalen Anwendung mit React diese Prinzipien der Reconciliation. Sie sind die stillen Helden hinter den reibungslosen und reaktionsschnellen UIs, die Benutzer erwarten.