React-Performance freischalten: Der Fiber Work Loop, Scheduler-Integration und Prioritätswarteschlangen

In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Front-End-Entwicklung ist Performance nicht nur ein Feature; es ist eine grundlegende Erwartung. Für Anwendungen, die von Millionen von Menschen weltweit genutzt werden, über verschiedenste Geräte und Netzwerkbedingungen hinweg, ist die Erzielung einer reibungslosen und reaktionsschnellen Benutzeroberfläche (UI) von größter Bedeutung. React, eine führende JavaScript-Bibliothek zum Erstellen von UIs, hat bedeutende architektonische Änderungen vorgenommen, um dieser Herausforderung zu begegnen. Im Mittelpunkt dieser Verbesserungen steht die React Fiber-Architektur, eine komplette Überarbeitung des Abgleichalgorithmus. Dieser Beitrag wird sich mit den Feinheiten des React Fiber Work Loops, seiner nahtlosen Integration mit dem Scheduler und der entscheidenden Rolle von Prioritätswarteschlangen bei der Orchestrierung einer performanten und flüssigen Benutzererfahrung für ein globales Publikum befassen.

Die Evolution des React-Renderings: Von Stack zu Fiber

Vor Fiber basierte der Rendering-Prozess von React auf einem rekursiven Aufrufstapel. Wenn sich eine Komponente aktualisierte, durchlief React den Komponentenbaum und erstellte eine Beschreibung der UI-Änderungen. Dieser Prozess, obwohl für viele Anwendungen effektiv, hatte eine bedeutende Einschränkung: Er war synchron und blockierend. Wenn eine große Aktualisierung auftrat oder ein komplexer Komponentenbaum gerendert werden musste, konnte der Hauptthread überlastet werden, was zu ruckartigen Animationen, nicht reagierenden Interaktionen und einer schlechten Benutzererfahrung führte, insbesondere auf weniger leistungsfähigen Geräten, die in vielen globalen Märkten üblich sind.

Betrachten Sie ein häufiges Szenario in international genutzten E-Commerce-Anwendungen: Ein Benutzer interagiert mit einem komplexen Produktfilter. Bei der alten stapelbasierten Abgleichung konnte die gleichzeitige Anwendung mehrerer Filter die UI einfrieren, bis alle Updates abgeschlossen waren. Das wäre für jeden Benutzer frustrierend, aber besonders wirkungsvoll in Regionen, in denen die Internetverbindung möglicherweise weniger zuverlässig ist oder die Geräteperformance eine größere Rolle spielt.

React Fiber wurde eingeführt, um diese Einschränkungen durch die Ermöglichung von konkurrierendem Rendering zu beheben. Im Gegensatz zum alten Stack ist Fiber ein re-entranter, asynchroner und unterbrechbarer Abgleichalgorithmus. Das bedeutet, dass React das Rendern pausieren, andere Aufgaben ausführen und dann das Rendern später fortsetzen kann, ohne den Hauptthread zu blockieren.

Vorstellung des Fiber Nodes: Eine geschicktere Arbeitseinheit

Im Wesentlichen definiert React Fiber die Arbeitseinheit von einer Komponenteninstanz zu einem Fiber Node neu. Betrachten Sie einen Fiber Node als ein JavaScript-Objekt, das eine auszuführende Arbeitseinheit repräsentiert. Jede Komponente in Ihrer React-Anwendung hat einen entsprechenden Fiber Node. Diese Nodes sind miteinander verknüpft, um einen Baum zu bilden, der den Komponentenbaum widerspiegelt, aber mit zusätzlichen Eigenschaften, die das neue Rendering-Modell erleichtern.

Zu den wichtigsten Eigenschaften eines Fiber Nodes gehören:

• Type: Der Typ des Elements (z. B. eine Funktionskomponente, eine Klassenkomponente, eine Zeichenkette, ein DOM-Element).
• Key: Eine eindeutige Kennung für Listenelemente, entscheidend für effiziente Updates.
• 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.
• MemoizedProps: Die Props, die für die Memoization des vorherigen Renderns verwendet wurden.
• MemoizedState: Der Zustand, der für die Memoization des vorherigen Renderns verwendet wurde.
• Alternate: Ein Zeiger auf den entsprechenden Fiber Node im anderen Baum (entweder den aktuellen Baum oder den Work-in-Progress-Baum). Dies ist grundlegend dafür, wie React zwischen Rendering-Zuständen wechselt.
• Flags: Bitmasken, die angeben, welche Art von Arbeit an diesem Fiber Node ausgeführt werden muss (z. B. Aktualisieren von Props, Hinzufügen von Effekten, Löschen des Knotens).
• Effects: Eine Liste von Effekten, die mit diesem Fiber Node verknüpft sind, wie z. B. Lebenszyklusmethoden oder Hooks.

Fiber Nodes werden nicht direkt von der JavaScript-Garbage-Collection auf die gleiche Weise verwaltet wie Komponenteninstanzen. Stattdessen bilden sie eine verknüpfte Liste, die React effizient durchlaufen kann. Diese Struktur ermöglicht es React, Arbeit einfach zu verwalten und zu unterbrechen.

Der React Fiber Work Loop: Orchestrierung des Rendering-Prozesses

Das Herzstück der Konkurrenzfähigkeit von React Fiber ist sein Work Loop. Diese Schleife ist dafür verantwortlich, den Fiber-Baum zu durchlaufen, Arbeit auszuführen und die abgeschlossenen Änderungen an das DOM zu übergeben. Was sie revolutionär macht, ist ihre Fähigkeit, unterbrochen und fortgesetzt zu werden.

Der Work Loop kann grob in zwei Phasen unterteilt werden:

1. Render-Phase (Work-in-Progress-Baum)

In dieser Phase durchläuft React den Komponentenbaum und führt Arbeit an Fiber Nodes aus. Diese Arbeit kann umfassen:

• Aufrufen von Komponentenfunktionen oder `render()`-Methoden.
• Abgleich von Props und Zustand.
• Erstellen oder Aktualisieren von Fiber Nodes.
• Identifizieren von Nebeneffekten (z. B. `useEffect`, `componentDidMount`).

Während der Render-Phase erstellt React einen Work-in-Progress-Baum. Dies ist ein separater Baum von Fiber Nodes, der den potenziellen neuen Zustand der UI darstellt. Wichtig ist, dass der Work Loop in dieser Phase unterbrechbar ist. Wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität eintrifft (z. B. Benutzereingabe), kann React die aktuelle Rendering-Arbeit pausieren, die neue Aufgabe ausführen und dann die unterbrochene Arbeit später fortsetzen.

Diese Unterbrechbarkeit ist der Schlüssel zur Erzielung einer reibungslosen Erfahrung. Stellen Sie sich vor, ein Benutzer gibt auf einer internationalen Reise-Website in eine Suchleiste ein. Wenn während des Renderns einer Liste von Vorschlägen ein neuer Tastendruck eintrifft, kann React das Rendern der Vorschläge pausieren, die Tastatureingabe verarbeiten, um die Suchanfrage zu aktualisieren, und dann das Rendern der Vorschläge basierend auf der neuen Eingabe fortsetzen. Der Benutzer nimmt eine sofortige Reaktion auf seine Eingabe wahr, anstatt einer Verzögerung.

Der Work Loop durchläuft die Fiber Nodes, prüft deren `flags`, um zu bestimmen, welche Arbeit ausgeführt werden muss. Er bewegt sich von einem Fiber Node zu seinen Kindern, dann zu seinen Geschwistern und zurück zum Elternteil, um die erforderlichen Operationen auszuführen. Dieser Durchlauf wird fortgesetzt, bis alle anstehenden Arbeiten abgeschlossen sind oder der Work Loop unterbrochen wird.

2. Commit-Phase (Anwenden von Änderungen)

Sobald die Render-Phase abgeschlossen ist und React einen stabilen Work-in-Progress-Baum hat, tritt es in die Commit-Phase ein. In dieser Phase führt React Nebeneffekte aus und aktualisiert das tatsächliche DOM. Diese Phase ist synchron und nicht unterbrechbar, da sie die UI direkt manipuliert. React möchte sicherstellen, dass es beim Aktualisieren des DOMs dies in einem einzigen, atomaren Vorgang tut, um Flackern oder inkonsistente UI-Zustände zu vermeiden.

Während der Commit-Phase:

• Führt DOM-Mutationen aus (Hinzufügen, Entfernen, Aktualisieren von Elementen).
• Führt Nebeneffekte wie `componentDidMount`, `componentDidUpdate` und die von `useEffect` zurückgegebenen Cleanup-Funktionen aus.
• Aktualisiert Referenzen auf DOM-Knoten.

Nach der Commit-Phase wird der Work-in-Progress-Baum zum aktuellen Baum, und der Prozess kann für nachfolgende Updates von neuem beginnen.

Die Rolle des Schedulers: Priorisierung und Planung von Arbeit

Die unterbrechbare Natur des Fiber Work Loops wäre ohne einen Mechanismus zur Entscheidung, wann Arbeit ausgeführt werden soll und welche Arbeit zuerst ausgeführt werden soll, nicht sehr nützlich. Hier kommt der React Scheduler ins Spiel.

Der Scheduler ist eine separate, Low-Level-Bibliothek, die React zur Verwaltung der Ausführung seiner Arbeit verwendet. Seine Hauptverantwortung ist:

• Arbeit planen: Bestimmen, wann Rendering-Aufgaben gestartet oder fortgesetzt werden sollen.
• Arbeit priorisieren: Zuweisen von Prioritäten zu verschiedenen Aufgaben, um sicherzustellen, dass wichtige Updates umgehend bearbeitet werden.
• Mit dem Browser kooperieren: Vermeiden des Blockierens des Hauptthreads und Ermöglichen, dass der Browser kritische Aufgaben wie Painting und die Verarbeitung von Benutzereingaben ausführt.

Der Scheduler arbeitet, indem er die Kontrolle periodisch an den Browser zurückgibt, damit dieser andere Aufgaben ausführen kann. Er fordert dann an, seine Arbeit fortzusetzen, wenn der Browser im Leerlauf ist oder wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität verarbeitet werden muss.

Dieses kooperative Multitasking ist entscheidend für den Aufbau reaktionsschneller Anwendungen, insbesondere für ein globales Publikum, bei dem Netzwerklatenz und Gerätefähigkeiten erheblich variieren können. Ein Benutzer in einer Region mit langsamerem Internet kann eine träge wirkende Anwendung erleben, wenn das Rendering von React den Hauptthread des Browsers vollständig beansprucht. Der Scheduler sorgt durch sein Zurückgeben dafür, dass der Browser auch während schwerer Renderings auf Benutzereingaben reagieren oder kritische Teile der UI rendern kann, was zu einer deutlich reibungsloseren wahrgenommenen Performance führt.

Prioritätswarteschlangen: Das Rückgrat des konkurrierenden Renderings

Wie entscheidet der Scheduler, welche Arbeit zuerst ausgeführt werden soll? Hier werden Prioritätswarteschlangen unverzichtbar. React klassifiziert verschiedene Arten von Updates basierend auf ihrer Dringlichkeit und weist jeder eine Prioritätsstufe zu.

Der Scheduler unterhält eine Warteschlange ausstehender Aufgaben, geordnet nach ihrer Priorität. Wenn es Zeit ist, Arbeit auszuführen, wählt der Scheduler die Aufgabe mit der höchsten Priorität aus der Warteschlange aus.

Hier ist eine typische Aufschlüsselung der Prioritätsstufen (obwohl die genauen Implementierungsdetails sich weiterentwickeln können):

• Sofortige Priorität: Für dringende Updates, die nicht verzögert werden sollten, wie z. B. die Reaktion auf Benutzereingaben (z. B. Eingabe in ein Textfeld). Diese werden typischerweise synchron oder mit sehr hoher Dringlichkeit behandelt.
• Benutzerblockierende Priorität: Für Updates, die Benutzerinteraktionen blockieren, wie das Anzeigen eines modalen Dialogs oder eines Dropdown-Menüs. Diese müssen schnell gerendert werden, um den Benutzer nicht zu blockieren.
• Normale Priorität: Für allgemeine Updates, die keine unmittelbare Auswirkung auf die Benutzerinteraktion haben, wie das Abrufen von Daten und das Rendern einer Liste.
• Niedrige Priorität: Für nicht kritische Updates, die verzögert werden können, wie Analyseereignisse oder Hintergrundberechnungen.
• Offscreen-Priorität: Für Komponenten, die derzeit nicht auf dem Bildschirm sichtbar sind (z. B. aus dem Bildschirm herausragende Listen, ausgeblendete Tabs). Diese können mit der niedrigsten Priorität gerendert oder sogar übersprungen werden, falls erforderlich.

Der Scheduler verwendet diese Prioritäten, um zu entscheiden, wann bestehende Arbeiten unterbrochen und wann sie fortgesetzt werden sollen. Wenn beispielsweise ein Benutzer in ein Eingabefeld tippt (sofortige Priorität), während React eine große Liste von Suchergebnissen rendert (normale Priorität), wird der Scheduler das Rendern der Liste pausieren, das Eingabeereignis verarbeiten und dann das Rendern der Liste fortsetzen, möglicherweise mit aktualisierten Daten basierend auf der neuen Eingabe.

Praktisches internationales Beispiel:

Betrachten Sie ein Echtzeit-Kollaborationstool, das von Teams auf verschiedenen Kontinenten genutzt wird. Ein Benutzer bearbeitet möglicherweise ein Dokument (hohe Priorität, sofortige Aktualisierung), während ein anderer Benutzer ein großes eingebettetes Diagramm anzeigt, das ein erhebliches Rendering erfordert (normale Priorität). Wenn eine neue Nachricht von einem Kollegen eintrifft (benutzerblockierende Priorität, da sie Aufmerksamkeit erfordert), würde der Scheduler sicherstellen, dass die Nachrichtenbenachrichtigung prompt angezeigt wird, möglicherweise das Rendern des Diagramms pausiert und dann das Rendern des Diagramms nach der Bearbeitung der Nachricht fortsetzt.

Diese hochentwickelte Priorisierung stellt sicher, dass kritische benutzerorientierte Updates immer priorisiert werden, was zu einer reaktionsschnelleren und angenehmeren Erfahrung führt, unabhängig vom Standort oder Gerät des Benutzers.

Wie Fiber mit dem Scheduler integriert ist

Die Integration zwischen Fiber und dem Scheduler ist das, was konkurrierendes React möglich macht. Der Scheduler bietet den Mechanismus zum Zurückgeben und Fortsetzen von Aufgaben, während Fibers unterbrechbare Natur es ermöglicht, diese Aufgaben in kleinere Arbeitseinheiten zu zerlegen.

Hier ist ein vereinfachter Ablauf, wie sie interagieren:

1. Ein Update tritt auf: Der Zustand einer Komponente ändert sich oder Props werden aktualisiert.
2. Scheduler plant die Arbeit: Der Scheduler empfängt das Update und weist ihm eine Priorität zu. Er platziert den Fiber Node, der dem Update entspricht, in die entsprechende Prioritätswarteschlange.
3. Scheduler fordert Rendering an: Wenn der Hauptthread im Leerlauf ist oder Kapazität hat, fordert der Scheduler an, die Arbeit mit der höchsten Priorität auszuführen.
4. Fiber Work Loop beginnt: Reacts Work Loop beginnt mit dem Durchlaufen des Work-in-Progress-Baums.
5. Arbeit wird ausgeführt: Fiber Nodes werden verarbeitet und Änderungen identifiziert.
6. Unterbrechung: Wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität verfügbar wird (z. B. Benutzereingabe) oder wenn die aktuelle Arbeit ein bestimmtes Zeitbudget überschreitet, kann der Scheduler den Fiber Work Loop unterbrechen. Der aktuelle Zustand des Work-in-Progress-Baums wird gespeichert.
7. Aufgabe mit höherer Priorität wird bearbeitet: Der Scheduler verarbeitet die neue Aufgabe mit höherer Priorität, was möglicherweise einen neuen Render-Durchlauf beinhaltet.
8. Fortsetzung: Sobald die Aufgabe mit höherer Priorität bearbeitet wurde, kann der Scheduler den unterbrochenen Fiber Work Loop von dort fortsetzen, wo er aufgehört hat, und den gespeicherten Zustand verwenden.
9. Commit-Phase: Sobald alle priorisierten Arbeiten in der Render-Phase abgeschlossen sind, führt React die Commit-Phase durch, um das DOM zu aktualisieren.

Dieses Zusammenspiel stellt sicher, dass React seinen Rendering-Prozess dynamisch an die Dringlichkeit verschiedener Updates und die Verfügbarkeit des Hauptthreads anpassen kann.

Vorteile von Fiber, Scheduler und Prioritätswarteschlangen für globale Anwendungen

Die architektonischen Änderungen, die mit Fiber und dem Scheduler eingeführt wurden, bieten erhebliche Vorteile, insbesondere für Anwendungen mit einer globalen Benutzerbasis:

• Verbesserte Reaktionsfähigkeit: Durch die Verhinderung der Blockierung des Hauptthreads bleiben Anwendungen auch während komplexer Rendering-Aufgaben reaktionsschnell auf Benutzereingaben. Dies ist entscheidend für Benutzer auf mobilen Geräten oder mit langsameren Internetverbindungen, die in vielen Teilen der Welt verbreitet sind.
• Reibungslosere Benutzererfahrung: Unterbrechbares Rendering bedeutet, dass Animationen und Übergänge flüssiger sein können und kritische Updates (wie Formularvalidierungsfehler) sofort angezeigt werden können, ohne auf andere weniger wichtige Aufgaben warten zu müssen.
• Bessere Ressourcennutzung: Der Scheduler kann intelligentere Entscheidungen darüber treffen, wann und wie gerendert werden soll, was zu einer effizienteren Nutzung der Geräte-Ressourcen führt, was für die Akkulaufzeit auf Mobilgeräten und die Leistung auf älterer Hardware wichtig ist.
• Verbesserte Benutzerbindung: Eine konsistent reibungslose und reaktionsschnelle Anwendung schafft Vertrauen und Zufriedenheit bei den Benutzern, was zu besseren Bindungsraten weltweit führt. Eine träge oder nicht reagierende App kann schnell dazu führen, dass Benutzer sie aufgeben.
• Skalierbarkeit für komplexe UIs: Wenn Anwendungen wachsen und mehr dynamische Features integrieren, bietet die Architektur von Fiber eine solide Grundlage für die Verwaltung komplexer Rendering-Anforderungen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Für eine globale Fintech-Anwendung ist es beispielsweise entscheidend, sicherzustellen, dass Echtzeit-Marktdaten-Updates sofort angezeigt werden, während Benutzer die Benutzeroberfläche ohne Verzögerung navigieren können. Fiber und seine zugehörigen Mechanismen machen dies möglich.

Wichtige Konzepte, die man sich merken sollte

• Fiber Node: Die neue, flexiblere Arbeitseinheit in React, die unterbrechbares Rendering ermöglicht.
• Work Loop: Der Kernprozess, der den Fiber-Baum durchläuft, Rendering-Arbeit ausführt und Änderungen übergibt.
• Render-Phase: Die unterbrechbare Phase, in der React den Work-in-Progress-Baum erstellt.
• Commit-Phase: Die synchrone, nicht unterbrechbare Phase, in der DOM-Änderungen und Nebeneffekte angewendet werden.
• React Scheduler: Die Bibliothek, die für die Verwaltung der Ausführung von React-Aufgaben, deren Priorisierung und die Zusammenarbeit mit dem Browser verantwortlich ist.
• Prioritätswarteschlangen: Datenstrukturen, die vom Scheduler verwendet werden, um Aufgaben basierend auf ihrer Dringlichkeit zu ordnen und sicherzustellen, dass kritische Updates zuerst behandelt werden.
• Concurrent Rendering: Die Fähigkeit von React, Rendering-Aufgaben zu pausieren, fortzusetzen und zu priorisieren, was zu reaktionsschnelleren Anwendungen führt.

Fazit

React Fiber stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Art und Weise dar, wie React Rendering handhabt. Durch den Ersatz des alten stapelbasierten Abgleichs durch eine unterbrechbare, re-entrant-fähige Fiber-Architektur und durch die Integration mit einem ausgeklügelten Scheduler, der Prioritätswarteschlangen nutzt, hat React echte konkurrierende Rendering-Fähigkeiten freigeschaltet. Dies führt nicht nur zu performanteren und reaktionsschnelleren Anwendungen, sondern bietet auch eine gerechtere Benutzererfahrung für ein vielfältiges globales Publikum, unabhängig von seinem Gerät, seinen Netzwerkbedingungen oder seiner technischen Kompetenz. Das Verständnis dieser zugrunde liegenden Mechanismen ist entscheidend für jeden Entwickler, der hochwertige, performante und benutzerfreundliche Anwendungen für das moderne Web erstellen möchte.

Behalten Sie diese Konzepte im Hinterkopf, während Sie weiterhin mit React entwickeln. Sie sind die stillen Helden hinter den reibungslosen, nahtlosen Erlebnissen, die wir von weltweit führenden Webanwendungen erwarten. Durch die Nutzung der Leistung von Fiber, des Schedulers und intelligenter Priorisierung können Sie sicherstellen, dass Ihre Anwendungen Benutzer auf allen Kontinenten begeistern.