React パフォーマンスの解明：Fiber ワークループ、スケジューラ連携、優先度キュー

フロントエンド開発の進化し続ける状況において、パフォーマンスは単なる機能ではなく、基本的な期待です。多様なデバイスやネットワーク条件で、世界中の何百万人ものユーザーが使用するアプリケーションにとって、スムーズで応答性の高いユーザーインターフェース（UI）の実現は最重要です。UI構築のための主要な JavaScript ライブラリである React は、この課題に対処するために大幅なアーキテクチャの変更を経ました。これらの改善の中心にあるのが、React Fiber アーキテクチャです。これは、リコンサイリエーションアルゴリズムの完全な書き直しです。この記事では、React Fiber のワークループの複雑さ、スケジューラとのシームレスな連携、そしてグローバルなユーザーにパフォーマンスが高く流暢なユーザー体験を提供するための優先度キューの重要な役割を掘り下げていきます。

React レンダリングの進化：スタックから Fiber へ

Fiber 登場以前、React のレンダリングプロセスは再帰的なコールスタックに基づいていました。コンポーネントが更新されると、React はコンポーネントツリーをたどり、UI 変更の説明を構築しました。このプロセスは多くのアプリケーションで効果的でしたが、重要な制限がありました。それは同期的でブロッキングされるということでした。大規模な更新が発生したり、複雑なコンポーネントツリーをレンダリングする必要がある場合、メインスレッドが過負荷になり、特に多くのグローバル市場で一般的な低性能デバイスでの、ぎこちないアニメーション、応答しないインタラクション、そして劣悪なユーザー体験につながる可能性がありました。

国際的に使用される e コマースアプリケーションでよくあるシナリオを考えてみましょう。ユーザーが複雑な製品フィルターを操作する場面です。古いスタックベースのリコンサイリエーションでは、複数のフィルターを同時に適用すると、すべての更新が完了するまで UI がフリーズする可能性がありました。これはどのユーザーにとってもフラストレーションが溜まることですが、インターネット接続が信頼性の低い地域や、デバイスのパフォーマンスがより懸念される地域では特に影響が大きいです。

React Fiber は、同時実行レンダリングを可能にすることで、これらの制限に対処するために導入されました。古いスタックとは異なり、Fiber は 再入可能で、非同期で、中断可能なリコンサイリエーションアルゴリズムです。これは、React がレンダリングを一時停止し、他のタスクを実行し、その後メインスレッドをブロックすることなく、後でレンダリングを再開できることを意味します。

Fiber ノードの紹介：より器用な作業単位

その核心において、React Fiber は作業単位をコンポーネントインスタンスから Fiber ノードに再定義しました。Fiber ノードを、実行されるべき作業単位を表す JavaScript オブジェクトと考えてください。React アプリケーションの各コンポーネントには、対応する Fiber ノードがあります。これらのノードはリンクされ、コンポーネントツリーをミラーリングするツリーを形成しますが、新しいレンダリングモデルを促進するための追加プロパティも持っています。

Fiber ノードの主なプロパティは以下の通りです。

• Type: 要素のタイプ（例：関数コンポーネント、クラスコンポーネント、文字列、DOM 要素）。
• Key: リストアイテムのユニークな識別子。効率的な更新に不可欠です。
• Child: 最初の子 Fiber ノードへのポインタ。
• Sibling: 次の兄弟 Fiber ノードへのポインタ。
• Return: 親 Fiber ノードへのポインタ。
• MemoizedProps: 前回のレンダリングをメモ化するために使用された props。
• MemoizedState: 前回のレンダリングをメモ化するために使用された state。
• Alternate: もう一方のツリー（現在のツリーまたは作業中のツリー）の対応する Fiber ノードへのポインタ。これは、React がレンダリング状態を切り替える方法の基本です。
• Flags: この Fiber ノードで実行されるべき作業の種類を示すビットマスク（例：props の更新、エフェクトの追加、ノードの削除）。
• Effects: ライフサイクルメソッドやフックなどの、この Fiber ノードに関連付けられたエフェクトのリスト。

Fiber ノードは、コンポーネントインスタンスがそうであったように、JavaScript のガベージコレクションによって直接管理されるわけではありません。代わりに、React が効率的にたどることができるリンクリストを形成します。この構造により、React は作業を簡単に管理し、中断することができます。

React Fiber ワークループ：レンダリングプロセスのオーケストレーション

React Fiber の同時実行性の心臓部は、その ワークループです。このループは、Fiber ツリーをたどり、作業を実行し、完了した変更を DOM にコミットする責任を負います。このループを革命的にしているのは、一時停止および再開できる能力です。

ワークループは、大きく 2 つのフェーズに分けられます。

1. レンダリングフェーズ（作業中ツリー）

このフェーズでは、React はコンポーネントツリーをたどり、Fiber ノードで作業を実行します。この作業には以下が含まれる可能性があります。

• コンポーネント関数または `render()` メソッドの呼び出し。
• props と state のリコンサイル。
• Fiber ノードの作成または更新。
• 副作用（例：`useEffect`、`componentDidMount`）の特定。

レンダリングフェーズ中、React は作業中ツリーを構築します。これは、UI の可能性のある新しい状態を表す Fiber ノードの別のツリーです。重要なのは、ワークループはこのフェーズ中に中断可能であるということです。より優先度の高いタスク（例：ユーザー入力）が発生した場合、React は現在のレンダリング作業を一時停止し、新しいタスクを処理し、その後中断された作業を後で再開できます。

この中断可能性は、スムーズな体験を実現するための鍵です。国際的な旅行サイトで検索バーに文字を入力しているユーザーを想像してください。React がサジェストリストのレンダリングに忙しい間に新しいキーストロークが到着した場合、サジェストレンダリングを一時停止し、キーストロークを処理して検索クエリを更新し、新しい入力に基づいてサジェストのレンダリングを再開できます。ユーザーは、遅延ではなく、タイピングに対する即時応答を認識します。

ワークループは Fiber ノードを反復処理し、それらの `flags` をチェックして、どの作業が必要かを判断します。ノードからその子へ、次に兄弟へ、そして親へ戻り、必要な操作を実行します。このトラバースは、保留中のすべての作業が完了するか、ワークループが中断されるまで続きます。

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完了し、React が安定した作業中ツリーを持つと、コミットフェーズに入ります。このフェーズでは、React は副作用を実行し、実際の DOM を更新します。このフェーズは、UI を直接操作するため、同期的で中断不可能です。React は、DOM を更新する際に、ちらつきや不整合な UI 状態を避けるために、単一の原子的な操作としてそれを行うことを保証したいと考えています。

コミットフェーズ中、React は以下を実行します。

• DOM 操作（要素の追加、削除、更新）を実行します。
• `componentDidMount`、`componentDidUpdate`、および `useEffect` によって返されたクリーンアップ関数などの副作用を実行します。
• DOM ノードへの参照を更新します。

コミットフェーズの後、作業中ツリーは現在のツリーになり、後続の更新のためにプロセスが再び開始できます。

スケジューラの役割：作業の優先順位付けとスケジューリング

Fiber ワークループの中断可能性は、いつ作業を実行するか、そしてどの作業を最初に実行するかを決定するメカニズムなしではあまり有用ではありません。ここで React スケジューラが登場します。

スケジューラは、React が作業の実行を管理するために使用する、別個の低レベルライブラリです。その主な責任は以下の通りです。

• 作業のスケジューリング: レンダリングタスクを開始または再開するタイミングを決定します。
• 作業の優先順位付け: 異なるタスクに優先度を割り当て、重要な更新が迅速に処理されることを保証します。
• ブラウザとの連携: メインスレッドをブロックすることを避け、ブラウザがペイントやユーザー入力の処理などの重要なタスクを実行できるようにします。

スケジューラは、定期的にブラウザに制御を戻すことで機能し、他のタスクの実行を許可します。その後、ブラウザがアイドル状態になったとき、またはより優先度の高いタスクを処理する必要があるときに、作業の再開を要求します。

この協調的なマルチタスクは、特にグローバルなユーザーベースを持つ応答性の高いアプリケーションを構築するために不可欠です。インターネット速度が遅い地域のユーザーは、React のレンダリングがブラウザのメインスレッドを完全に占有している場合、アプリケーションが鈍いと感じる可能性があります。スケジューラは、譲与することで、重いレンダリング中でも、ブラウザはまだユーザーインタラクションに応答したり、UI の重要な部分をレンダリングしたりして、はるかにスムーズな知覚パフォーマンスを提供することを保証します。

優先度キュー：同時実行レンダリングのバックボーン

スケジューラは、どの作業を最初に行うかをどのように決定するのでしょうか？ここで 優先度キュー が不可欠になります。React は、さまざまな種類の更新を緊急度に基づいて分類し、各更新に優先度レベルを割り当てます。

スケジューラは、優先度で並べ替えられた保留中のタスクのキューを維持します。作業を実行する時間になると、スケジューラはキューから最も優先度の高いタスクを選択します。

以下は、優先度レベルの典型的な内訳です（ただし、正確な実装詳細は進化する可能性があります）。

• 即時優先度: テキストフィールドへの入力への応答など、延期されるべきでない緊急の更新。これらは通常、同期的または非常に高い緊急度で処理されます。
• ユーザーブロック優先度: モーダルダイアログやドロップダウンメニューの表示など、ユーザーインタラクションをブロックする更新。これらは、ユーザーをブロックしないように迅速にレンダリングする必要があります。
• 通常優先度: データの取得やリストのレンダリングなど、ユーザーインタラクションに直接的な影響を与えない一般的な更新。
• 低優先度: 分析イベントやバックグラウンド計算など、延期できる重要でない更新。
• オフスクリーン優先度: 現在画面に表示されていないコンポーネント（例：オフスクリーンのリスト、隠されたタブ）。これらは最も低い優先度でレンダリングされるか、必要に応じてスキップされることさえあります。

スケジューラはこれらの優先度を使用して、いつ既存の作業を中断し、いつ再開するかを決定します。たとえば、React が大規模な検索結果リストをレンダリングしている（通常優先度）間に、ユーザーが入力フィールドに文字を入力した場合（即時優先度）、スケジューラはリストレンダリングを一時停止し、入力イベントを処理し、その後新しい入力に基づく更新されたデータを使用してリストレンダリングを再開します。

実践的な国際例：

異なる大陸のチームによって使用されるリアルタイムコラボレーションツールを考えてみましょう。ユーザーは、大幅なレンダリングを必要とする大規模な埋め込みグラフを表示している別のユーザーがいる一方で、ドキュメントを編集している可能性があります（高優先度、即時更新）。同僚から新しいメッセージが届いた場合（ユーザーブロック優先度、注意が必要なため）、スケジューラはメッセージ通知がすぐに表示されるようにし、グラフレンダリングを一時停止し、その後メッセージが処理された後にグラフレンダリングを再開する可能性があります。

この洗練された優先順位付けにより、重要なユーザー向け更新が常に優先され、ユーザーの場所やデバイスに関係なく、より応答性が高く快適な体験が保証されます。

Fiber がスケジューラと連携する方法

Fiber とスケジューラの連携が、同時実行 React を可能にしています。スケジューラはタスクを譲与および再開するためのメカニズムを提供し、Fiber の中断可能性によりこれらのタスクを小さな作業単位に分割できます。

以下は、それらがどのように相互作用するかの単純化されたフローです。

1. 更新が発生する: コンポーネントの state が変更されるか、props が更新されます。
2. スケジューラが作業をスケジューリングする: スケジューラは更新を受け取り、優先度を割り当てます。更新に対応する Fiber ノードを適切な優先度キューに入れます。
3. スケジューラがレンダリングを要求する: メインスレッドがアイドル状態または容量がある場合、スケジューラは最も優先度の高い作業の実行を要求します。
4. Fiber ワークループが開始する: React のワークループは、作業中ツリーのトラバースを開始します。
5. 作業が実行される: Fiber ノードが処理され、変更が特定されます。
6. 中断: より優先度の高いタスクが利用可能になった場合（例：ユーザー入力）または現在の作業が特定の時間予算を超えた場合、スケジューラは Fiber ワークループを中断できます。作業中ツリーの現在の状態が保存されます。
7. より優先度の高いタスクが処理される: スケジューラは、新しい高優先度タスクを処理します。これには新しいレンダリングパスが含まれる場合があります。
8. 再開: より優先度の高いタスクが処理されると、スケジューラは保存された状態を使用して、中断された Fiber ワークループを中断した場所から再開できます。
9. コミットフェーズ: レンダリングフェーズですべての優先順位付けされた作業が完了すると、React はコミットフェーズを実行して DOM を更新します。

この相互作用により、React はさまざまな更新の緊急度とメインスレッドの可用性に基づいてレンダリングプロセスを動的に調整できます。

グローバルアプリケーションにとっての Fiber、スケジューラ、優先度キューの利点

Fiber とスケジューラで導入されたアーキテクチャの変更は、特にグローバルなユーザーベースを持つアプリケーションにとって、顕著な利点を提供します。

• 応答性の向上: メインスレッドがブロックされるのを防ぐことで、複雑なレンダリングタスク中でも、アプリケーションはユーザーインタラクションに迅速に対応できます。これは、世界中の多くの地域で一般的なモバイルデバイスや低速なインターネット接続を持つユーザーにとって不可欠です。
• よりスムーズなユーザー体験: 中断可能なレンダリングは、アニメーションやトランジションがより流暢になることを意味し、フォーム検証エラーのような重要な更新は、他の重要度の低いタスクが完了するのを待たずに即座に表示できます。
• より良いリソース利用: スケジューラは、いつ、どのようにレンダリングするかについてより賢明な決定を下すことができ、デバイスリソースのより効率的な使用につながります。これは、モバイルデバイスのバッテリー寿命や古いハードウェアでのパフォーマンスにとって重要です。
• 強化されたユーザー維持率: 一貫してスムーズで応答性の高いアプリケーションは、ユーザーの信頼と満足度を構築し、世界中でより良い維持率につながります。遅延したり応答しないアプリは、ユーザーがすぐに放棄する可能性があります。
• 複雑な UI へのスケーラビリティ: アプリケーションが成長し、より動的な機能が組み込まれるにつれて、Fiber のアーキテクチャは、パフォーマンスを犠牲にすることなく複雑なレンダリング要求を管理するための強固な基盤を提供します。

たとえば、グローバルなフィンテックアプリケーションにとって、リアルタイムの市場データ更新が即座に表示されるようにしながら、ユーザーが遅延なしでインターフェースをナビゲートできるようにすることは不可欠です。Fiber とその関連メカニズムはこれを可能にします。

覚えておくべき主要な概念

• Fiber ノード: React における新しい、より柔軟な作業単位。中断可能なレンダリングを可能にします。
• ワークループ: Fiber ツリーをたどり、レンダリング作業を実行し、変更をコミットするコアプロセス。
• レンダリングフェーズ: React が作業中ツリーを構築する、中断可能なフェーズ。
• コミットフェーズ: DOM 変更と副作用が適用される、同期的で中断不可能なフェーズ。
• React スケジューラ: React タスクの実行を管理し、優先順位を付け、ブラウザと連携する責任を負うライブラリ。
• 優先度キュー: スケジューラがタスクの緊急度に基づいて並べ替えるために使用するデータ構造。重要な更新が最初に処理されることを保証します。
• 同時実行レンダリング: React がレンダリングタスクを一時停止、再開、優先順位付けする能力。より応答性の高いアプリケーションにつながります。

結論

React Fiber は、React がレンダリングを処理する方法において大きな進歩を表しています。古いスタックベースのリコンサイリエーションを、中断可能で再入可能な Fiber アーキテクチャに置き換え、優先度キューを活用する洗練されたスケジューラと統合することにより、React は真の同時実行レンダリング能力を解き放ちました。これは、よりパフォーマンスが高く応答性の高いアプリケーションにつながるだけでなく、デバイス、ネットワーク条件、または技術的習熟度に関係なく、多様なグローバルオーディエンスにとってより公平なユーザー体験を提供します。これらの根本的なメカニズムを理解することは、現代の Web のための高品質でパフォーマンスの高い、ユーザーフレンドリーなアプリケーションを構築することを目指すすべての開発者にとって不可欠です。

React での構築を続ける際に、これらの概念を念頭に置いてください。それらは、世界中の主要な Web アプリケーションから期待されるスムーズでシームレスな体験の背後にある静かなヒーローです。Fiber、スケジューラ、インテリジェントな優先順位付けの力を活用することで、すべての大陸のユーザーを喜ばせるアプリケーションを保証できます。