React Fiber : Plongée en profondeur dans l'algorithme de réconciliation pour une excellence UI globale

Dans le monde dynamique du développement web, où les attentes des utilisateurs en matière d'interfaces fluides et réactives ne cessent d'augmenter, la compréhension des technologies fondamentales qui alimentent nos applications est primordiale. React, une bibliothèque JavaScript de premier plan pour la création d'interfaces utilisateur, a subi une refonte architecturale importante avec l'introduction de React Fiber. Il ne s'agit pas seulement d'une refactorisation interne ; c'est un bond révolutionnaire qui a fondamentalement changé la façon dont React réconcilie les changements, ouvrant la voie à de nouvelles fonctionnalités puissantes comme le mode concurrentiel et Suspense.

Ce guide complet se penche en profondeur sur React Fiber, démystifiant son algorithme de réconciliation. Nous explorerons pourquoi Fiber était nécessaire, comment il fonctionne en interne, son impact profond sur la performance et l'expérience utilisateur, et ce que cela signifie pour les développeurs qui construisent des applications pour un public mondial.

L'évolution de React : pourquoi Fiber est devenu essentiel

Avant Fiber, le processus de réconciliation de React (la façon dont il met à jour le DOM pour refléter les changements d'état de l'application) était largement synchrone. Il traversait l'arborescence des composants, calculait les différences et appliquait les mises à jour en une seule passe ininterrompue. Bien qu'efficace pour les petites applications, cette approche avait des limites importantes à mesure que les applications gagnaient en complexité et en exigences interactives :

• Blocage du thread principal : les mises à jour volumineuses ou complexes bloquaient le thread principal du navigateur, entraînant un jank de l'interface utilisateur, des chutes de trames et une expérience utilisateur lente. Imaginez une plateforme de commerce électronique mondiale traitant une opération de filtrage complexe ou un éditeur de documents collaboratif synchronisant les modifications en temps réel à travers les continents ; une interface utilisateur figée est inacceptable.
• Manque de priorisation : toutes les mises à jour étaient traitées de la même manière. Une entrée utilisateur critique (comme la saisie dans une barre de recherche) pouvait être retardée par une extraction de données en arrière-plan moins urgente affichant une notification, entraînant de la frustration.
• Interruption limitée : une fois une mise à jour démarrée, elle ne pouvait pas être mise en pause ou reprise. Cela rendait difficile la mise en œuvre de fonctionnalités avancées telles que le découpage temporel ou la priorisation des tâches urgentes.
• Difficulté avec les modèles d'interface utilisateur asynchrones : la gestion de l'extraction de données et des états de chargement de manière élégante nécessitait des solutions de contournement complexes, conduisant souvent à des cascades ou à des flux d'utilisateurs moins qu'idéaux.

L'équipe React a reconnu ces limites et s'est lancée dans un projet pluriannuel visant à reconstruire le réconciliateur de base. Le résultat a été Fiber, une architecture conçue de fond en comble pour prendre en charge le rendu incrémentiel, la concurrence et un meilleur contrôle du processus de rendu.

Comprendre le concept de base : qu'est-ce que Fiber ?

Au cœur de React, Fiber est une réécriture complète de l'algorithme de réconciliation de base de React. Son innovation principale est la possibilité de mettre en pause, d'abandonner et de reprendre le travail de rendu. Pour ce faire, Fiber introduit une nouvelle représentation interne de l'arborescence des composants et une nouvelle façon de traiter les mises à jour.

Les Fibers en tant qu'unités de travail

Dans l'architecture Fiber, chaque élément React (composants, nœuds DOM, etc.) correspond à un Fiber. Un Fiber est un simple objet JavaScript qui représente une unité de travail. Considérez-le comme une trame de pile virtuelle, mais au lieu d'être gérée par la pile d'appels du navigateur, elle est gérée par React lui-même. Chaque Fiber stocke des informations sur un composant, son état, ses propriétés et sa relation avec d'autres Fibers (parent, enfant, frère).

Lorsque React doit effectuer une mise à jour, il crée une nouvelle arborescence de Fibers, appelée l'arborescence « en cours ». Il réconcilie ensuite cette nouvelle arborescence avec l'arborescence « actuelle » existante, en identifiant les changements qui doivent être appliqués au DOM réel. L'ensemble de ce processus est divisé en petits morceaux de travail interromptibles.

La nouvelle structure de données : liste chaînée

Fondamentalement, les Fibers sont liés ensemble dans une structure en forme d'arborescence, mais en interne, ils ressemblent à une liste chaînée simplement pour une traversée efficace lors de la réconciliation. Chaque nœud Fiber possède des pointeurs :

• child : pointe vers le premier Fiber enfant.
• sibling : pointe vers le Fiber frère suivant.
• return : pointe vers le Fiber parent (le Fiber « return »).

Cette structure de liste chaînée permet à React de traverser l'arborescence en profondeur d'abord, puis de se dérouler, en se mettant facilement en pause et en reprenant à tout moment. Cette flexibilité est essentielle aux capacités concurrentes de Fiber.

Les deux phases de la réconciliation Fiber

Fiber divise le processus de réconciliation en deux phases distinctes, permettant à React d'effectuer le travail de manière asynchrone et de hiérarchiser les tâches :

Phase 1 : Phase de rendu/réconciliation (arborescence en cours)

Cette phase est également connue sous le nom de « boucle de travail » ou « phase de rendu ». C'est là que React traverse l'arborescence Fiber, effectue l'algorithme de différenciation (identification des changements) et crée une nouvelle arborescence Fiber (l'arborescence en cours) qui représente l'état futur de l'interface utilisateur. Cette phase est interromptible.

Les opérations clés au cours de cette phase incluent :

• Mise à jour des propriétés et de l'état : React traite les nouvelles propriétés et l'état de chaque composant, en appelant des méthodes de cycle de vie comme getDerivedStateFromProps ou des corps de composants fonctionnels.
• Différenciation des enfants : pour chaque composant, React compare ses enfants actuels avec les nouveaux enfants (du rendu) pour déterminer ce qui doit être ajouté, supprimé ou mis à jour. C'est là que la fameuse propriété « key » devient vitale pour une réconciliation efficace des listes.
• Marquage des effets secondaires : au lieu d'effectuer les mutations DOM réelles ou d'appeler `componentDidMount`/`Update` immédiatement, Fiber marque les nœuds Fiber avec des « effets secondaires » (par exemple, `Placement`, `Update`, `Deletion`). Ces effets sont collectés dans une liste chaînée simplement appelée la « liste d'effets » ou « file d'attente de mise à jour ». Cette liste est un moyen léger de stocker toutes les opérations DOM et les appels de cycle de vie nécessaires qui doivent avoir lieu une fois la phase de rendu terminée.

Au cours de cette phase, React ne touche pas au DOM réel. Il crée une représentation de ce qui sera mis à jour. Cette séparation est cruciale pour la concurrence. Si une mise à jour de priorité supérieure arrive, React peut ignorer l'arborescence en cours partiellement construite et recommencer avec la tâche la plus urgente, sans provoquer d'incohérences visibles à l'écran.

Phase 2 : Phase de validation (application des modifications)

Une fois la phase de rendu terminée avec succès et que tout le travail d'une mise à jour donnée a été traité (ou une partie de celui-ci), React entre dans la phase de validation. Cette phase est synchrone et ininterrompue. C'est là que React prend les effets secondaires accumulés de l'arborescence en cours et les applique au DOM réel et appelle les méthodes de cycle de vie pertinentes.

Les opérations clés au cours de cette phase incluent :

• Mutations DOM : React effectue toutes les manipulations DOM nécessaires (ajout, suppression, mise à jour des éléments) en fonction des effets `Placement`, `Update` et `Deletion` marqués dans la phase précédente.
• Méthodes et hooks de cycle de vie : c'est à ce moment-là que des méthodes comme `componentDidMount`, `componentDidUpdate`, `componentWillUnmount` (pour les suppressions) et les rappels `useLayoutEffect` sont appelés. Fait important, les rappels `useEffect` sont programmés pour s'exécuter après le rendu par le navigateur, offrant un moyen non bloquant d'effectuer des effets secondaires.

Étant donné que la phase de validation est synchrone, elle doit se terminer rapidement pour éviter de bloquer le thread principal. C'est pourquoi Fiber pré-calcule toutes les modifications dans la phase de rendu, ce qui permet à la phase de validation d'être une application rapide et directe de ces modifications.

Innovations clés de React Fiber

L'approche en deux phases et la structure de données Fiber ouvrent un éventail de nouvelles capacités :

Concurrence et interruption (découpage temporel)

La plus grande réussite de Fiber est de permettre la concurrence. Au lieu de traiter les mises à jour en un seul bloc, Fiber peut diviser le travail de rendu en unités de temps plus petites (tranches de temps). Il peut ensuite vérifier s'il existe un travail de priorité supérieure disponible. Si c'est le cas, il peut interrompre le travail actuel de priorité inférieure, passer à la tâche urgente, puis reprendre le travail interrompu plus tard, ou même l'ignorer complètement s'il n'est plus pertinent.

Cela est réalisé à l'aide d'API de navigateur telles que `requestIdleCallback` (pour les travaux de fond de faible priorité, bien que React utilise souvent un planificateur personnalisé basé sur `MessageChannel` pour une planification plus fiable dans tous les environnements) qui permet à React de céder le contrôle au navigateur lorsque le thread principal est inactif. Ce multitâche coopératif garantit que les interactions utilisateur urgentes (comme les animations ou la gestion des entrées) sont toujours prioritaires, ce qui conduit à une expérience utilisateur perceptiblement plus fluide, même sur des appareils moins puissants ou en cas de forte charge.

Hiérarchisation et planification

Fiber introduit un système de hiérarchisation robuste. Différents types de mises à jour peuvent se voir attribuer des priorités différentes :

• Immédiat/Synchrone : mises à jour critiques qui doivent avoir lieu immédiatement (par exemple, gestionnaires d'événements).
• Blocage utilisateur : mises à jour qui bloquent les entrées utilisateur (par exemple, saisie de texte).
• Normal : mises à jour de rendu standard.
• Faible : mises à jour moins critiques qui peuvent être différées.
• Inactif : tâches en arrière-plan.

Le package interne Scheduler de React gère ces priorités, en décidant quel travail effectuer ensuite. Pour une application globale desservant des utilisateurs avec des conditions de réseau et des capacités d'appareils variables, cette hiérarchisation intelligente est inestimable pour maintenir la réactivité.

Limites d'erreur

La capacité de Fiber à interrompre et à reprendre le rendu a également permis un mécanisme de gestion des erreurs plus robuste : les limites d'erreur. Une limite d'erreur React est un composant qui intercepte les erreurs JavaScript n'importe où dans son arborescence de composants enfants, enregistre ces erreurs et affiche une interface utilisateur de repli au lieu de planter l'ensemble de l'application. Cela améliore considérablement la résilience des applications, empêchant une seule erreur de composant de perturber l'ensemble de l'expérience utilisateur sur différents appareils et navigateurs.

Suspense et interface utilisateur asynchrone

L'une des fonctionnalités les plus intéressantes intégrées aux capacités concurrentes de Fiber est Suspense. Suspense permet aux composants « d'attendre » quelque chose avant le rendu, généralement l'extraction de données, la division de code ou le chargement d'images. Pendant qu'un composant attend, Suspense peut afficher une interface utilisateur de chargement de secours (par exemple, un spinner). Une fois les données ou le code prêts, le composant effectue le rendu. Cette approche déclarative simplifie considérablement les modèles d'interface utilisateur asynchrones et aide à éliminer les « cascades de chargement » qui peuvent dégrader l'expérience utilisateur, en particulier pour les utilisateurs sur des réseaux plus lents.

Par exemple, imaginez un portail d'actualités mondial. Avec Suspense, un composant `NewsFeed` pourrait se suspendre jusqu'à ce que ses articles soient récupérés, en affichant un chargeur de squelette. Un composant `AdBanner` pourrait se suspendre jusqu'à ce que son contenu publicitaire soit chargé, en affichant un espace réservé. Ceux-ci peuvent se charger indépendamment et l'utilisateur obtient une expérience progressive et moins brutale.

Implications pratiques et avantages pour les développeurs

La compréhension de l'architecture de Fiber fournit des informations précieuses pour optimiser les applications React et exploiter tout son potentiel :

• Expérience utilisateur plus fluide : l'avantage le plus immédiat est une interface utilisateur plus fluide et plus réactive. Les utilisateurs, quels que soient leur appareil ou leur vitesse Internet, connaîtront moins de blocages et de jank, ce qui conduira à une plus grande satisfaction.
• Performances améliorées : en hiérarchisant et en planifiant intelligemment le travail, Fiber garantit que les mises à jour critiques (comme les animations ou les entrées utilisateur) ne sont pas bloquées par des tâches moins urgentes, ce qui conduit à de meilleures performances perçues.
• Logique asynchrone simplifiée : des fonctionnalités telles que Suspense simplifient radicalement la façon dont les développeurs gèrent les états de chargement et les données asynchrones, ce qui conduit à un code plus propre et plus facile à entretenir.
• Gestion des erreurs robuste : les limites d'erreur rendent les applications plus résilientes, en prévenant les défaillances catastrophiques et en offrant une expérience de dégradation gracieuse.
• À l'épreuve du temps : Fiber est le fondement des futures fonctionnalités et optimisations de React, garantissant que les applications créées aujourd'hui peuvent facilement adopter de nouvelles capacités à mesure que l'écosystème évolue.

Plongée en profondeur dans la logique de base de l'algorithme de réconciliation

Touchons brièvement à la logique de base de la façon dont React identifie les changements dans l'arborescence Fiber pendant la phase de rendu.

L'algorithme de différenciation et les heuristiques (le rôle de la propriété `key`)

Lors de la comparaison de l'arborescence Fiber actuelle avec la nouvelle arborescence en cours, React utilise un ensemble d'heuristiques pour son algorithme de différenciation :

1. Types d'éléments différents : si le `type` d'un élément change (par exemple, un `<div>` devient un `<p>`), React détruit l'ancien composant/élément et construit le nouveau à partir de zéro. Cela signifie la destruction de l'ancien nœud DOM et de tous ses enfants.
2. Même type d'élément : si le `type` est le même, React examine les propriétés. Il ne met à jour que les propriétés modifiées sur le nœud DOM existant. Il s'agit d'une opération très efficace.
3. Réconciliation des listes d'enfants (propriété `key`) : c'est là que la propriété `key` devient indispensable. Lors de la réconciliation des listes d'enfants, React utilise des `keys` pour identifier les éléments qui ont été modifiés, ajoutés ou supprimés. Sans `keys`, React pourrait, de manière inefficace, restituer ou réorganiser les éléments existants, ce qui entraînerait des problèmes de performances ou des bogues d'état dans les listes. Une `key` unique et stable (par exemple, un ID de base de données, et non un index de tableau) permet à React de faire correspondre avec précision les éléments de l'ancienne liste à la nouvelle liste, ce qui permet des mises à jour efficaces.

La conception de Fiber permet à ces opérations de différenciation d'être effectuées de manière incrémentielle, en se mettant en pause si nécessaire, ce qui n'était pas possible avec l'ancien réconciliateur Stack.

Comment Fiber gère différents types de mises à jour

Tout changement qui déclenche un nouveau rendu dans React (par exemple, `setState`, `forceUpdate`, mise à jour `useState`, répartition `useReducer`) initie un nouveau processus de réconciliation. Lorsqu'une mise à jour se produit, React :

1. Planifie le travail : la mise à jour est ajoutée à une file d'attente avec une priorité spécifique.
2. Commence le travail : le Scheduler détermine quand commencer à traiter la mise à jour en fonction de sa priorité et des tranches de temps disponibles.
3. Traverse les Fibers : React part du Fiber racine (ou de l'ancêtre commun le plus proche du composant mis à jour) et traverse vers le bas.
4. Fonction `beginWork` : pour chaque Fiber, React appelle la fonction `beginWork`. Cette fonction est chargée de créer des Fibers enfants, de réconcilier les enfants existants et de renvoyer potentiellement un pointeur vers l'enfant suivant à traiter.
5. Fonction `completeWork` : une fois que tous les enfants d'un Fiber ont été traités, React « termine » le travail de ce Fiber en appelant `completeWork`. C'est là que les effets secondaires sont marqués (par exemple, besoin d'une mise à jour DOM, besoin d'appeler une méthode de cycle de vie). Cette fonction remonte de l'enfant le plus profond vers la racine.
6. Création de la liste d'effets : au fur et à mesure que `completeWork` s'exécute, il crée la « liste d'effets » – une liste de tous les Fibers qui ont des effets secondaires qui doivent être appliqués dans la phase de validation.
7. Validation : une fois la fonction `completeWork` du Fiber racine terminée, l'ensemble de la liste d'effets est parcouru, et les manipulations DOM réelles et les appels finaux de cycle de vie/effet sont effectués.

Cette approche systématique en deux phases avec l'interruptibilité au cœur garantit que React peut gérer les mises à jour complexes de l'interface utilisateur avec élégance, même dans les applications globales très interactives et gourmandes en données.

Optimisation des performances avec Fiber en tête

Bien que Fiber améliore considérablement les performances inhérentes de React, les développeurs jouent toujours un rôle crucial dans l'optimisation de leurs applications. La compréhension du fonctionnement de Fiber permet des stratégies d'optimisation plus éclairées :

• Mémorisation (`React.memo`, `useMemo`, `useCallback`) : ces outils empêchent les rendus inutiles des composants ou les recalculs des valeurs en mémorisant leur sortie. La phase de rendu de Fiber implique toujours la traversée des composants, même s'ils ne changent pas. La mémorisation permet de passer le travail au cours de cette phase. Ceci est particulièrement important pour les applications volumineuses et basées sur les données desservant une base d'utilisateurs mondiale où la performance est essentielle.
• Division du code (`React.lazy`, `Suspense`) : l'exploitation de Suspense pour la division du code garantit que les utilisateurs ne téléchargent que le code JavaScript dont ils ont besoin à un moment donné. Ceci est essentiel pour améliorer les temps de chargement initiaux, en particulier pour les utilisateurs disposant de connexions Internet plus lentes sur les marchés émergents.
• Virtualisation : pour l'affichage de grandes listes ou tableaux (par exemple, un tableau de bord financier avec des milliers de lignes, ou une liste de contacts globale), les bibliothèques de virtualisation (comme `react-window` ou `react-virtualized`) ne rendent que les éléments visibles dans la fenêtre d'affichage. Cela réduit considérablement le nombre de Fibers que React doit traiter, même si l'ensemble de données sous-jacent est vaste.
• Profilage avec React DevTools : les React DevTools offrent de puissantes capacités de profilage qui vous permettent de visualiser le processus de réconciliation Fiber. Vous pouvez voir quels composants effectuent le rendu, combien de temps chaque phase prend et identifier les goulots d'étranglement de performance. Il s'agit d'un outil indispensable pour le débogage et l'optimisation des interfaces utilisateur complexes.
• Éviter les modifications de propriétés inutiles : soyez attentif à la transmission de nouveaux littéraux d'objet ou de tableau en tant que propriétés à chaque rendu si leur contenu n'a pas été modifié de manière sémantique. Cela peut déclencher des rendus inutiles dans les composants enfants même avec `React.memo`, car une nouvelle référence est considérée comme une modification.

Regard sur l'avenir : l'avenir de React et les fonctionnalités concurrentes

Fiber n'est pas seulement une réussite du passé ; c'est le fondement de l'avenir de React. L'équipe React continue de s'appuyer sur cette architecture pour proposer de nouvelles fonctionnalités puissantes, repoussant encore les limites de ce qui est possible en matière de développement d'interface utilisateur Web :

• Composants serveur React (RSC) : bien qu'ils ne fassent pas directement partie de la réconciliation côté client de Fiber, les RSC utilisent le modèle de composant pour rendre les composants sur le serveur et les diffuser en continu vers le client. Cela peut améliorer considérablement les temps de chargement initiaux des pages et réduire les bundles JavaScript côté client, ce qui est particulièrement bénéfique pour les applications globales où la latence du réseau et la taille des bundles peuvent varier considérablement.
• API hors écran : cette API à venir permet à React de rendre les composants hors écran sans qu'ils n'affectent les performances de l'interface utilisateur visible. Elle est utile pour des scénarios comme les interfaces à onglets où vous souhaitez conserver les onglets inactifs rendus (et potentiellement pré-rendus) mais pas visuellement actifs, garantissant des transitions instantanées lorsqu'un utilisateur bascule entre les onglets.
• Modèles Suspense améliorés : l'écosystème autour de Suspense évolue continuellement, offrant des moyens plus sophistiqués de gérer les états de chargement, les transitions et le rendu concurrentiel pour des scénarios d'interface utilisateur encore plus complexes.

Ces innovations, toutes enracinées dans l'architecture Fiber, sont conçues pour rendre la création d'expériences utilisateur riches et performantes plus facile et plus efficace que jamais, adaptable à divers environnements utilisateur dans le monde entier.

Conclusion : maîtriser React moderne

React Fiber représente un effort d'ingénierie monumental qui a transformé React d'une bibliothèque puissante en une plateforme flexible et à l'épreuve du temps pour la création d'interfaces utilisateur modernes. En découplant le travail de rendu de la phase de validation et en introduisant l'interruptibilité, Fiber a jeté les bases d'une nouvelle ère de fonctionnalités concurrentes, conduisant à des applications Web plus fluides, plus réactives et plus résilientes.

Pour les développeurs, une compréhension approfondie de Fiber n'est pas seulement un exercice académique ; c'est un avantage stratégique. Il vous permet d'écrire du code plus performant, de diagnostiquer efficacement les problèmes et d'exploiter des fonctionnalités de pointe qui offrent des expériences utilisateur inégalées dans le monde entier. Alors que vous continuez à créer et à optimiser vos applications React, rappelez-vous qu'à la base, c'est la danse complexe des Fibers qui fait la magie, permettant à vos interfaces utilisateur de réagir rapidement et avec élégance, où que se trouvent vos utilisateurs.