React Fiber：グローバルUIエクスペリエンスを高めるための再帰アルゴリズム徹底解説

ウェブ開発のダイナミックな世界では、シームレスで応答性の高いインターフェースに対するユーザーの期待はますます高まっています。アプリケーションを支える基盤技術を理解することは極めて重要です。ユーザーインターフェース構築のための主要なJavaScriptライブラリであるReactは、React Fiberの導入により、アーキテクチャの大きなオーバーホールを経験しました。これは単なる内部リファクタリングではありません。Reactが変更を再帰する方法を根本的に変え、並行モードやSuspenseのような強力な新機能への道を開いた革命的な飛躍です。

この包括的なガイドでは、React Fiberを深く掘り下げ、その再帰アルゴリズムを解き明かします。Fiberが必要だった理由、内部でどのように機能するか、パフォーマンスとユーザーエクスペリエンスへの深い影響、そしてグローバルなオーディエンス向けのアプリケーションを構築する開発者にとってそれが何を意味するのかを探ります。

Reactの進化：なぜFiberが不可欠になったのか

Fiber登場以前、Reactの再帰プロセス（アプリケーションの状態変更を反映するためにDOMをどのように更新するか）は、ほとんど同期的に行われていました。コンポーネントツリーをトラバースし、差分を計算し、単一の中断されないパスで更新を適用していました。小規模なアプリケーションでは効率的でしたが、アプリケーションが複雑化し、インタラクティブな要求が増えるにつれて、このアプローチには大きな制限がありました。

• メインスレッドのブロッキング：大規模または複雑な更新はブラウザのメインスレッドをブロックし、UIのジャック、フレームドロップ、および反応の遅いユーザーエクスペリエンスにつながりました。グローバルなeコマースプラットフォームが複雑なフィルター操作を処理したり、共同ドキュメントエディタが大陸間でリアルタイムの変更を同期したりする状況を想像してみてください。フリーズしたUIは許容できません。
• 優先順位付けの欠如：すべての更新は同等に扱われました。通知を表示する緊急度の低いバックグラウンドデータ取得によって、検索バーへの入力のような重要なユーザー入力が遅延する可能性があり、フラストレーションを引き起こしました。
• 中断可能性の制限：一度更新が開始されると、一時停止または再開することはできませんでした。これにより、タイムスライシングや緊急タスクの優先順位付けのような高度な機能の実装が困難でした。
• 非同期UIパターンの処理の難しさ：データ取得とロード状態を適切に処理するには複雑な回避策が必要であり、しばしばウォーターフォールや理想的とは言えないユーザーフローにつながりました。

Reactチームはこれらの制限を認識し、コアリコンサイラーを再構築するために多年のプロジェクトに着手しました。その結果がFiberです。これは、増分レンダリング、並行性、およびレンダリングプロセスに対するより良い制御をサポートするためにゼロから設計されたアーキテクチャです。

コアコンセプトの理解：Fiberとは何か

その核心において、React FiberはReactのコア再帰アルゴリズムの完全な書き直しです。その主な革新は、レンダリング作業を一時停止、中止、および再開する機能です。これを達成するために、Fiberはコンポーネントツリーの新しい内部表現と、更新を処理する新しい方法を導入しました。

作業単位としてのFiber

Fiberアーキテクチャでは、各React要素（コンポーネント、DOMノードなど）はFiberに対応します。Fiberは、作業単位を表すプレーンなJavaScriptオブジェクトです。ブラウザのコールスタックによって管理されるのではなく、React自体によって管理される仮想スタックフレームと考えてください。各Fiberは、コンポーネント、その状態、プロパティ、および他のFiber（親、子、兄弟）との関係に関する情報を格納します。

Reactが更新を実行する必要がある場合、それは「作業中」ツリーとして知られる新しいFiberツリーを作成します。次に、この新しいツリーを既存の「現在の」ツリーに対して再帰し、実際のDOMに適用する必要がある変更を特定します。このプロセス全体は、小さく中断可能な作業チャンクに分解されます。

新しいデータ構造：連結リスト

重要���ことに、Fiberはツリーライクな構造でリンクされていますが、内部的には再帰中の効率的なトラバーサル���めに単方向連結リストに似ています。各Fiberノードにはポインタがあります。

• child：最初の子Fiberを指します。
• sibling：次の兄弟Fiberを指します。
• return：親Fiber（「return」Fiber）を指します。

この連結リスト構造により、Reactはツリーを深さ優先でトラバースし、その後アンワインドして、いつでも簡単に一時停止および再開できます。この柔軟性が、Fiberの並行機能の鍵となります。

Fiber再帰の2つのフェーズ

Fiberは再帰プロセスを2つの明確なフェーズに分割し、Reactが非同期���作業を実行し、タスクに優先順位を付けることを可能にします。

フェーズ1：レンダリング/再帰フェーズ（作業中ツリー）

このフェーズは「作業ループ」または「レンダリングフェーズ」とも呼ばれます。ここでは、ReactはFiberツリーをトラバースし、差分アルゴリズム（変更の特定）を実行し、UIの次の状態を表す新しいFiberツリー（作業中ツリー）を構築します。このフェーズは中断可能です。

このフェーズ中の主な操作には以下が含まれます。

• プロパティと状態の更新：Reactは各コンポーネントの新しいプロパティと状態を処理し、getDerivedStateFromPropsまたは関数コンポーネント本体のようなライフサイクルメソッドを呼び出します。
• 子の差分：各コンポーネントについて、Reactは現在の子供と新しい子供（レンダリングからの）を比較して、追加、削除、または更新する必要があるものを決定します。ここで有名な「key」プロパが、効率的なリスト再帰に不可欠になります。
• 副作用のマーク：実際のDOM操作を実行したり、componentDidMount/Updateをすぐに呼び出したりする代わりに、FiberはFiberノードに「副作用」（例：Placement、Update、Deletion）をマークします。これらの副作用は、「エフェクトリスト」または「更新キュー」として知られる単方向連結リストに収集されます。このリストは、レンダリングフェーズ完了後に実行する必要があるすべての必要なDOM操作とライフサイクル呼び出しを格納する軽量な方法です。

このフェーズ中、Reactは実際のDOMに触れません。更新されるものの表現を構築します。この分離は並行性���ために重要です。より優先度の高い更新が入ってきた場合、Reactは部分的に構築された作業中ツリーを破棄し、表示上の不整合を引き起こすことなく、より緊急のタスクで最初からやり直すことができます。

フェーズ2：コミットフェーズ（変更の適用）

レンダリングフェーズが正常に完了し、指定された更新のすべての作業が処理される（またはその一部）と、Reactはコミットフェーズに入ります。このフェーズは同期的かつ中断なしです。ここでは、Reactは作業中ツリーから収集された副作用を取得し、それらを実際のDOMに適用し、関連するライフサイクルメソッドを呼び出します。

このフェーズ中の主な操作には以下が含まれます。

• DOM操作：Reactは、前のフェーズでマークされたPlacement、Update、およびDeletionエフェクトに基づいて、必要なすべてのDOM操作（要素の追加、削除、更新）を実行します。
• ライフサイクルメソッドとフック：この時に、componentDidMount、componentDidUpdate、componentWillUnmount（削除の場合）、およびuseLayoutEffectコールバックのようなメソッドが呼び出されます。重要���ことに、useEffectコールバックはブラウザがペイントした後���実行されるようにスケジュールされており、副作用を非ブロッキングで実行する方法を提供します。

コミットフェーズは同期的であるため、メインスレッドをブロックしないように迅速に完了する必要があります。そのため、Fiberはレンダリングフェーズですべての変更を事前に計算し、コミットフェーズがこれらの変更の迅速かつ直接的な適用になるようにします。

React Fiberの主な革新

2フェーズアプローチとFiberデータ構造は、豊富な新機能��解き放ちます。

並行性と中断（タイムスライシング）

Fiberの最も重要な成果は、並行性を可能にすることです。Fiberは、更新を単一のブロックとして処理するのではなく、レンダリング作業を短い時間単位（タイムスライス）に分割できます。その後、より優先度の高い作業が利用可能かどうかを確認できます。利用可能な場合、現在の低優先度作業を一時停止し、緊急タスクに切り替え、その後一時停止した作業を後で再開するか、関連性がなくなった場合は破棄することさえできます。

これは、requestIdleCallback（低優先度バックグラウンド作業用、ただしReactは多くの場合、環境全体でより信頼性の高いスケジューリングのためにMessageChannelに基づくカスタムスケジューラを使用します）のようなブラウザAPIを使用して達成されます。これにより、Reactはメインスレッドがアイドル状態のときにブラウザに制御を戻すことができます。この協調的なマルチタスクにより、アニメーションや入力処理のような緊急のユーザーインタラクションが常に優先され、低性能なデバイスや負荷の高い状況でも、認識可能なほどスムーズなユーザーエクスペリエンスが保証されます。

優先順位付けとスケジューリング

Fiberは堅牢な優先順位付けシステムを導入しています。さまざまな種類の更新に異なる優先順位を割り当てることができます。

• 即時/同期：すぐに発生する必要がある重要な更新（例：イベントハンドラ）。
• ユーザーブロッキング：ユーザー入力をブロックする更新（例：テキスト入力）。
• 標準：標準的なレンダリング更新。
• 低：延期できる重要度の低い更新。
• アイドル：バックグラウンドタスク。

Reactの内部Schedulerパッケージはこれらの優先順位を管理し、次にどの作業を実行するかを決定します。さまざまなネットワーク条件やデバイス機能を持つユーザーにサービスを提供するグローバルアプリケーションにとって、このインテリジェントな優先順位付けは、応答性を維持するために非常に価値があります。

エラーバウンダリー

Fiberの中断および再開レンダリング機能は、より堅牢なエラー処理メカニズムであるエラーバウンダリーも可能にしました。Reactエラーバウンダリーは、子コンポーネントツリーのどこかのJavaScriptエラーをキャッチし、それらのエラーをログに記録し、アプリケーション全体をクラッシュさせる代わりにフォールバックUIを表示するコンポーネントです。これはアプリケーションの回復力を大幅に高め、単一のコンポーネントエラーがさまざまなデバイスやブラウザ全体でユーザーエクスペリエンス全体を中断するのを防ぎます。

Suspenseと非同期UI

Fiberの並行機能の上に構築された最もエキサイティングな機能の1つはSuspenseです。Suspenseは、コンポーネントがレンダリングする前に何かのために「待機」することを可能にします。通常はデータ取得、コード分割、または画像読み込みです。コンポーネントが待機している間、SuspenseはフォールバックロードUI（例：スピナー）を表示できます。データまたはコードの準備ができると、コンポーネントがレンダリングされます。この宣言的なアプローチは、非同期UIパターンを大幅に簡素化し、「ローディングウォーターフォール」を排除してユーザーエクスペリエンスを低下させるのを助けます。これは、特に低速ネットワークのユーザーにとって重要です。

例えば、グローバルニュースポータルを想像してみてください。Suspenseを使用すると、NewsFeedコンポーネントは記事が取得されるまでサスペンドし、スケルトンローダーを表示できます。AdBannerコンポーネントは広告コンテンツが読み込まれるまでサスペンドし、プレースホルダーを表示できます。これらは独立してロードでき、ユーザーは段階的で、より少ない不快感の体験を得られます。

開発者にとっての実践的な意味とメリット

Fiberアーキテクチャを理解することは、Reactアプリケーションの最適化とその潜在能力を最大限に活用するための貴重な洞察を提供します。

• よりスムーズなユーザーエクスペリエンス：最も直接的なメリットは、より流動的で応答性の高いUIです。ユーザーは、デバイスやインターネット速度に関係なく、フリーズやジャックが少なくなり、満足度が高まります。
• 強化されたパフォーマンス：Fiberは、作業の優先順位付けとスケジューリングをインテリジェントに行うことで、アニメーションやユーザー入力のような重要な更新が、重要度の低いタスクによってブロックされないことを保証し、知覚されるパフォーマンスを向上させます。
• 単純化された非同期ロジック：Suspenseのような機能は、開発者がロード状態と非同期データを管理する方法を劇的に簡素化し、よりクリーンで保守性の高いコードにつながります。
• 堅牢なエラー処理：エラーバウンダリーはアプリケーションをより回復力のあるものにし、壊滅的な障害を防ぎ、優雅な低下エクスペリエンスを提供します。
• 将来性：Fiberは将来のReact機能と最適化の基盤であり、今日構築されたアプリケーションが、エコシステムが進化するにつれて新しい機能に簡単に適応できるようにします。

再帰アルゴリズムのコアロジックの掘り下げ

レンダリングフェーズ中にReactがFiberツリー内の変更をどのように特定するかについてのコアロジックに簡単に触れてみましょう。

差分アルゴリズムとヒューリスティクス（keyプロパの役割）

現在のFiberツリーと新しい作業中ツリーを比較する際、Reactは差分アルゴリズムに一連のヒューリスティクスを使用します。

1. 異なる要素タイプ：要素のtypeが変更された場合（例：<div>が<p>になった場合）、Reactは古いコンポーネント/要素を解体し、最初から新しいものを構築します。これは、古いDOMノードとそのすべての子供を破棄することを意味します。
2. 同じ要素タイプ：typeが同じ場合、Reactはプロパティを見ます。既存のDOMノードの変更されたプロパティのみを更新します。これは非常に効率的な操作です。
3. 子のリストの再帰（keyプロパ）：ここでkeyプロパが不可欠になります。子のリストを再帰する際、Reactはkeysを使用して、どのアイテムが変更されたか、追加されたか、または削除されたかを特定します。keysがないと、Reactは非効率的に既存の要素を再レンダリングまたは再配置する可能性があり、パフォーマンスの問題やリスト内の状態バグにつながります。ユニークで安定したkey（例：配列インデックスではなくデータベースID）により、Reactは古いリストから新しいリストへの要素を正確に一致させることができ、効率的な更新を可能にします。

Fiberのデザインにより、これらの差分操作は増分的に実行でき、必要に応じて一時停止できるため、古いStackリコンサイラーでは不可能でした。

Fiberがさまざまな種類の更新を処理する方法

Reactでの再レンダリングをトリガーするすべての変更（例：setState、forceUpdate、useState更新、useReducerディスパッチ）は、新しい再帰プロセスを開始します。更新が発生すると、Reactは次のことを行います。

1. 作業のスケジューリング：更新は特定の優先順位でキューに追加されます。
2. 作業の開始：スケジューラは、優先順位と利用可能なタイムスライスに基づいて、いつ更新の処理を開始するかを決定します。
3. Fiberのトラバース：ReactはルートFiber（または更新されたコンポーネントの最も近い共通の祖先）から開始し、下方向にトラバースします。
4. beginWork関数：各Fiberについて、ReactはbeginWork関数を呼び出します。この関数は、子Fiberの作成、既存の子の再帰、および次の処理する子へのポインタの返却を担当します。
5. completeWork関数：Fiberのすべての子が処理されると、ReactはcompleteWorkを呼び出すことによって、そのFiberの作業を「完了」します。ここで副作用がマークされます（例：DOM更新が必要、ライフサイクルメソッドを呼び出す必要がある）。この関数は、最も深い子からルートに向かってバブルアップします。
6. エフェクトリストの作成：completeWorkが実行されるにつれて、コミットフェーズで適用する必要がある副作用を持つすべてのFiberのリストである「エフェクトリスト」を構築します。
7. コミット：ルートFiberのcompleteWorkが完了すると、エフェクトリスト全体がトラバースされ、実際のDOM操作と最終的なライフサイクル/エフェクト呼び出しが行われます。

この体系的で、中断可能性をコアに持つ2フェーズアプローチにより、Reactは、非常にインタラクティブでデータ集約的なグローバルアプリケーションでさえ、複雑なUI更新を適切に管理できます。

Fiberを念頭に置いたパフォーマンス最適化

FiberはReactの本来のパフォーマンスを大幅に向上させますが、開発者はアプリケーションの最適化において依然として重要な役割を果たしています。Fiberの動作を理解することで、より情報に基づいた最適化戦略が可能になります。

• メモ化（React.memo、useMemo、useCallback）：これらのツールは、コンポーネントの再レンダリングや値の再計算を、出力���メモ化することによって不要なものを防ぎます。Fiberのレンダリングフェーズでは、変更されていないコンポーネントでさえトラバースが含まれます。メモ化は、このフェーズ内の作業をスキップするのに役立ちます。これは、パフォーマンスが重要なグローバルユーザーベースにサービスを提供する大規模なデータ駆動型アプリケーションにとって特に重要です。
• コード分割（React.lazy、Suspense）：コード分割にSuspenseを活用することで、ユーザーはいつでも必要なJavaScriptコードのみをダウンロードできます。これは、特に新興市場の低速インターネット接続を持つユーザーにとって、初期ロード時間を改善するのに不可欠です。
• 仮想化：大規模なリストまたはテーブル（例：数千行の金融ダッシュボード、またはグローバル連絡先リスト）を表示する場合、仮想化ライブラリ（react-windowまたはreact-virtualizedのような）は、ビューポートに表示されているアイテムのみをレンダリングします。これにより、基盤となるデータセットが膨大であっても、Reactが処理する必要のあるFiberの数を劇的に削減できます。
• React DevToolsを使用したプロファイリング：React DevToolsは、Fiber再帰プロセスを視覚化できる強力なプロファイリング機能を提供します。どのコンポーネントがレンダリングされているか、各フェーズにかかる時間、およびパフォーマンスのボトルネックを特定できます。これは、複雑なUIのデバッグと最適化のための不可欠なツールです。
• 不要なプロパティ変更の回避：毎回レンダリングする際に、内容が意味的に変更されていない場合でも、新しいオブジェクトまたは配列リテラルをプロパティとして渡すことに注意してください。これは、新しい参照が変更と見なされるため、React.memoを使用しても子コンポーネントで不要な再レンダリングを引き起こす可能性があります。

今後：Reactと並行機能の未来

Fiberは過去の成果だけでなく、Reactの未来の基盤です。Reactチームは、このアーキテクチャ��上に構築を続け、Web UI開発の可能性をさらに押し広げる強力な新機能を提供しています。

• React Server Components (RSC)：クライアントサイドのFiber再帰に直接関係しませんが、RSCはコンポーネントモデルを活用してサーバー上でコンポーネントをレンダリングし、クライアントにストリームします。これにより、初期ページロード時間が大幅に改善され、クライアントサイドJavaScriptバンドルが削減される可能性があります。これは、ネットワーク遅延とバンドルサイズが大きく変動するグローバルアプリケーションにとって特に有益です。
• Offscreen API：この今後のAPIにより、Reactは表示UIのパフォーマンスに影響を与えることなく、オフスクリーンでコンポーネントをレンダリングできます。これは、非アクティブなタブをレンダリングされたまま（および事前レンダリングされる可能性もある）にしておきたいタブインターフェースのようなシナリオに役立ちますが、視覚的にアクティブではないようにします。これにより、ユーザーがタブを切り替えるときに即座な移行が保証されます。
• 強化されたSuspenseパターン：Suspenseのエコシステムは継続的に進化しており、ローディング状態、トランジション、およびより複雑なUIシナリオの並行レンダリングを管理するための、より洗練された方法を提供します。

これらの革新はすべてFiberアーキテクチャに根ざしており、これまで以上に簡単かつ効率的に、世界中の多様なユーザー環境に適応可能な、高性能でリッチなユーザーエクスペリエンスを構築することを目指しています。

結論：モダンReactの習得

React Fiberは、Reactを強力なライブラリからモダンなUIを構築するための柔軟で将来性のあるプラットフォームへと変貌させた、記念碑的なエンジニアリングの成果を表しています。レンダリング作業をコミットフェーズから分離し、中断可能性を導入することで、Fiberは、よりスムーズで、より応答性が高く、より回復力のあるWebアプリケーションにつながる新しい時代の並行機能の基盤を築きました。

開発者にとって、Fiberの深い理解は単なる学術的な演習ではありません。それは戦略的なアドバンテージです。これにより、よりパフォーマンスの高いコードを記述し、問題を効果的に診断し、比類のないユーザーエクスペリエンスをグローバルに提供する最先端の機能��活用できます。Reactアプリケーションの構築と最適化を続けるにつれて、それらのコアでは、Fiberの複雑なダンスが魔法を起こし、ユーザーがどこにいても、UIが迅速かつ優雅に応答できるようにすること���忘れないでください。