Tajná ingrediencia Reactu: Hĺbkový pohľad na Rekonciliačný algoritmus a porovnávanie virtuálneho DOM

` môže byť reprezentovaný takto:

{ type: 'div', props: { className: 'container', children: 'Hello World' } }

Pretože sú to len JavaScript objekty, ich vytváranie a manipulácia s nimi je neuveriteľne rýchla. Nezahŕňa žiadnu interakciu s API prehliadača, takže nedochádza k žiadnym reflow alebo repaint operáciám.

Ako funguje Virtuálny DOM?

VDOM umožňuje deklaratívny prístup k vývoju UI. Namiesto toho, aby ste prehliadaču hovorili, ako má zmeniť DOM krok za krokom (imperatívne), jednoducho deklarujete, ako by malo UI vyzerať pre daný stav (deklaratívne). React sa postará o zvyšok.

Proces vyzerá takto:

1. Počiatočné renderovanie: Keď sa vaša aplikácia prvýkrát načíta, React vytvorí kompletný strom Virtuálneho DOM pre vaše UI a použije ho na vygenerovanie počiatočného skutočného DOM.
2. Aktualizácia stavu: Keď sa stav aplikácie zmení (napr. používateľ klikne na tlačidlo), React vytvorí nový strom Virtuálneho DOM, ktorý odráža nový stav.
3. Porovnávanie (Diffing): React má teraz v pamäti dva stromy Virtuálneho DOM: starý (pred zmenou stavu) a nový. Potom spustí svoj "diffing" algoritmus na porovnanie týchto dvoch stromov a identifikáciu presných rozdielov.
4. Dávkovanie a aktualizácia: React vypočíta najefektívnejšiu a minimálnu sadu operácií potrebných na aktualizáciu skutočného DOM tak, aby zodpovedal novému Virtuálnemu DOM. Tieto operácie sú spojené do dávky a aplikované na skutočný DOM v jednej, optimalizovanej sekvencii.

Dávkovaním aktualizácií React minimalizuje priamu interakciu s pomalým DOM, čo výrazne zlepšuje výkon. Jadro tejto efektivity spočíva v kroku "diffing", ktorý je formálne známy ako Rekonciliačný algoritmus.

Srdce Reactu: Rekonciliačný algoritmus

Rekonciliácia je proces, prostredníctvom ktorého React aktualizuje DOM tak, aby zodpovedal najnovšiemu stromu komponentov. Algoritmus, ktorý vykonáva toto porovnanie, nazývame "diffing algoritmus".

Teoreticky, nájdenie minimálneho počtu transformácií na prevedenie jedného stromu na druhý je veľmi zložitý problém, s algoritmickou zložitosťou rádu O(n³), kde n je počet uzlov v strome. To by bolo pre reálne aplikácie príliš pomalé. Na riešenie tohto problému urobili tvorcovia Reactu niekoľko geniálnych pozorovaní o tom, ako sa webové aplikácie zvyčajne správajú, a implementovali heuristický algoritmus, ktorý je oveľa rýchlejší – operuje v čase O(n).

Heuristiky: Ako urobiť porovnávanie rýchlym a predvídateľným

Diffing algoritmus v Reacte je postavený na dvoch primárnych predpokladoch alebo heuristikách:

Heuristika 1: Rôzne typy elementov produkujú rôzne stromy

Toto je prvé a najjednoduchšie pravidlo. Pri porovnávaní dvoch VDOM uzlov sa React najprv pozrie na ich typ. Ak je typ koreňových elementov odlišný, React predpokladá, že vývojár nechce skúšať konvertovať jeden na druhý. Namiesto toho zvolí drastickejší, ale predvídateľný prístup:

• Zničí celý starý strom, odpojí všetky staré komponenty a zničí ich stav.
• Postaví úplne nový strom od nuly na základe nového typu elementu.

Zvážte napríklad túto zmenu:

Pred: <div><Counter /></div>
Po: <span><Counter /></span>

Aj keď je vnorený komponent `Counter` rovnaký, React vidí, že koreňový element sa zmenil z `div` na `span`. Úplne odpojí starý `div` a inštanciu `Counter` v ňom (strácajúc jeho stav) a potom pripojí nový `span` a úplne novú inštanciu `Counter`.

Kľúčový poznatok: Vyhnite sa zmene typu koreňového elementu podstromu komponentov, ak chcete zachovať jeho stav alebo sa vyhnúť úplnému prekresleniu daného podstromu.

Heuristika 2: Vývojári môžu naznačiť stabilné elementy pomocou `key` prop

Toto je pravdepodobne najdôležitejšia heuristika, ktorú by mali vývojári pochopiť a správne aplikovať. Keď React porovnáva zoznam vnorených elementov, jeho predvolené správanie je iterovať cez oba zoznamy detí naraz a vygenerovať mutáciu všade, kde je rozdiel.

Problém s porovnávaním na základe indexu

Predstavme si, že máme zoznam položiek a pridáme novú položku na začiatok zoznamu bez použitia kľúčov.

Pôvodný zoznam:

• Položka B
• Položka C

Aktualizovaný zoznam (pridanie 'Položka A' na začiatok):

• Položka A
• Položka B
• Položka C

Bez kľúčov vykoná React jednoduché porovnanie založené na indexoch:

1. Porovná starú položku na indexe 0 ('Položka B') s novou položkou na indexe 0 ('Položka A'). Sú odlišné, takže zmutuje prvú položku.
2. Porovná starú položku na indexe 1 ('Položka C') s novou položkou na indexe 1 ('Položka B'). Sú odlišné, takže zmutuje druhú položku.
3. Vidí, že na indexe 2 je nová položka ('Položka C') a vloží ju.

Toto je veľmi neefektívne. React vykonal dve zbytočné mutácie a jedno vloženie, zatiaľ čo bolo potrebné iba jedno vloženie na začiatok. Ak by tieto položky zoznamu boli zložité komponenty s vlastným stavom, mohlo by to viesť k vážnym problémom s výkonom a chybám, pretože stav by sa mohol pomiešať medzi komponentmi.

Sila `key` prop

Prop `key` poskytuje riešenie. Je to špeciálny reťazcový atribút, ktorý musíte zahrnúť pri vytváraní zoznamov elementov. Kľúče dávajú Reactu stabilnú identitu pre každý element.

Vráťme sa k rovnakému príkladu, ale tentoraz so stabilnými, unikátnymi kľúčmi:

Pôvodný zoznam:

• Položka B
• Položka C

Aktualizovaný zoznam:

• Položka A
• Položka B
• Položka C

Teraz je proces porovnávania v Reacte oveľa inteligentnejší:

1. React sa pozrie na deti nového zoznamu a nájde elementy s kľúčmi 'b' a 'c'.
2. Vie, že elementy s kľúčmi 'b' a 'c' už existujú v starom zozname, takže ich jednoducho presunie.
3. Vidí, že existuje nový element s kľúčom 'a', ktorý predtým neexistoval, takže ho vytvorí a vloží.

Toto je oveľa efektívnejšie. React správne identifikuje, že potrebuje vykonať iba jedno vloženie. Komponenty spojené s kľúčmi 'b' a 'c' sú zachované, udržiavajúc si svoj interný stav.

Kritické pravidlo pre kľúče: Kľúče musia byť stabilné, predvídateľné a unikátne medzi súrodencami. Používanie indexu poľa ako kľúča (`items.map((item, index) =>

...

)`) je anti-vzor, ak sa zoznam môže niekedy preusporiadať, filtrovať alebo ak sa z neho pridávajú/odstraňujú položky v strede, pretože to vedie k rovnakým problémom ako absencia kľúča. Najlepšie kľúče sú unikátne identifikátory z vašich dát, ako napríklad ID z databázy.

Evolúcia: Od Stack k Fiber architektúre

Rekonciliačný algoritmus opísaný vyššie bol základom Reactu po mnoho rokov. Mal však jedno veľké obmedzenie: bol synchrónny a blokujúci. Táto pôvodná implementácia sa teraz označuje ako Stack Reconciler.

Starý spôsob: Stack Reconciler

V Stack Reconciler, keď aktualizácia stavu spustila prekreslenie, React rekurzívne prešiel celý strom komponentov, vypočítal zmeny a aplikoval ich na DOM – všetko v jednej, neprerušovanej sekvencii. Pre malé aktualizácie to bolo v poriadku. Ale pre veľké stromy komponentov mohol tento proces trvať značné množstvo času (napr. viac ako 16ms), čím blokoval hlavné vlákno prehliadača. To spôsobovalo, že UI prestalo reagovať, čo viedlo k vynechaným snímkam, trhaným animáciám a zlému používateľskému zážitku.

Predstavenie React Fiber (React 16+)

Na vyriešenie tohto problému sa tím Reactu pustil do viacročného projektu úplného prepísania základného rekonciliačného algoritmu. Výsledok, vydaný v React 16, sa nazýva React Fiber.

Fiber architektúra bola navrhnutá od základov tak, aby umožňovala súbežnosť (concurrency) – schopnosť Reactu pracovať na viacerých úlohách naraz a prepínať medzi nimi na základe priority.

"Fiber" je obyčajný JavaScript objekt, ktorý predstavuje jednotku práce. Obsahuje informácie o komponente, jeho vstupe (props) a výstupe (children). Namiesto rekurzívneho prechádzania, ktoré nebolo možné prerušiť, React teraz spracováva spájaný zoznam fiber uzlov, jeden po druhom.

Táto nová architektúra odomkla niekoľko kľúčových schopností:

• Inkrementálne renderovanie: Dokáže rozdeliť prácu na renderovaní do malých kúskov a rozložiť ju na viacero snímok.
• Prioritizácia: Dokáže priradiť rôzne úrovne priority rôznym typom aktualizácií. Napríklad, používateľ píšuci do vstupného poľa má vyššiu prioritu ako dáta načítavané na pozadí.
• Možnosť pozastavenia a zrušenia: Dokáže pozastaviť prácu na nízko prioritnej aktualizácii, aby spracoval vysoko prioritnú, a dokonca môže zrušiť alebo znovu použiť prácu, ktorá už nie je potrebná.

Dve fázy Fiber

V rámci Fiber je proces renderovania rozdelený na dve odlišné fázy:

1. Fáza Render/Rekonciliácia (Asynchrónna): V tejto fáze React spracováva fiber uzly, aby vytvoril "work-in-progress" strom. Volá `render` metódy komponentov a spúšťa diffing algoritmus na určenie, aké zmeny je potrebné vykonať v DOM. Kľúčové je, že táto fáza je prerušiteľná. React môže túto prácu pozastaviť, aby zvládol niečo dôležitejšie, a neskôr ju obnoviť. Pretože môže byť prerušená, React počas tejto fázy neaplikuje žiadne skutočné zmeny v DOM, aby sa predišlo nekonzistentnému stavu UI.
2. Fáza Commit (Synchrónna): Keď je "work-in-progress" strom kompletný, React vstupuje do fázy commit. Zoberie vypočítané zmeny a aplikuje ich na skutočný DOM. Táto fáza je synchrónna a nemôže byť prerušená. Tým sa zabezpečí, že používateľ vždy vidí konzistentné UI. Počas tejto fázy sa vykonávajú metódy životného cyklu ako `componentDidMount` a `componentDidUpdate`, ako aj `useLayoutEffect` a `useEffect` hooky.

Fiber architektúra je základom pre mnohé moderné funkcie Reactu, vrátane `Suspense`, súbežného renderovania, `useTransition` a `useDeferredValue`, ktoré všetky pomáhajú vývojárom budovať responzívnejšie a plynulejšie používateľské rozhrania.

Praktické optimalizačné stratégie pre vývojárov

Pochopenie rekonciliačného procesu Reactu vám dáva moc písať výkonnejší kód. Tu sú niektoré praktické stratégie:

1. Vždy používajte stabilné a unikátne kľúče pre zoznamy

Toto sa nedá dostatočne zdôrazniť. Je to najdôležitejšia optimalizácia pre zoznamy. Použite unikátne ID z vašich dát (napr. `product.id`). Vyhnite sa používaniu indexov poľa, pokiaľ zoznam nie je úplne statický a nikdy sa nezmení.

2. Vyhnite sa zbytočným prekresleniam

Komponent sa prekreslí, ak sa zmení jeho stav alebo sa prekreslí jeho rodič. Niekedy sa komponent prekreslí, aj keď by jeho výstup bol identický. Tomu môžete zabrániť pomocou:

• `React.memo()`: Komponent vyššieho rádu pre funkčné komponenty. Vykonáva plytké porovnanie props komponentu. Ak sa props nezmenili, React preskočí prekreslenie komponentu a znovu použije posledný vyrenderovaný výsledok.
• `useCallback()`: Funkcie definované vo vnútri komponentu sa vytvárajú pri každom renderovaní. Ak tieto funkcie odovzdávate ako props do vnoreného komponentu obaleného v `React.memo`, dieťa sa prekreslí, pretože prop funkcie je technicky zakaždým nová funkcia. `useCallback` memoizuje samotnú funkciu, čím zabezpečuje, že sa vytvorí iba vtedy, ak sa zmenia jej závislosti.
• `useMemo()`: Podobne ako `useCallback`, ale pre hodnoty. Memoizuje výsledok náročného výpočtu. Výpočet sa znova spustí iba vtedy, ak sa zmenila niektorá z jeho závislostí. To je užitočné na zabránenie náročným výpočtom pri každom renderovaní a na udržanie stabilných referencií na objekty/polia odovzdávané ako props.

3. Inteligentná kompozícia komponentov

Spôsob, akým štrukturujete svoje komponenty, môže mať významný dopad na výkon. Ak sa časť stavu vášho komponentu často aktualizuje, skúste ju izolovať od častí, ktoré sa nemenia.

Napríklad, namiesto jedného veľkého komponentu, kde často sa meniace vstupné pole spôsobuje prekreslenie celého komponentu, presuňte tento stav do vlastného menšieho komponentu. Týmto spôsobom sa pri písaní používateľa prekreslí iba malý komponent.

4. Virtualizujte dlhé zoznamy

Ak potrebujete renderovať zoznamy so stovkami alebo tisíckami položiek, aj so správnymi kľúčmi môže byť renderovanie všetkých naraz pomalé a spotrebovať veľa pamäte. Riešením je virtualizácia alebo windowing. Táto technika zahŕňa renderovanie iba malého pod-súboru položiek, ktoré sú aktuálne viditeľné v zobrazení. Ako používateľ posúva, staré položky sú odpojené a nové sú pripojené. Knižnice ako `react-window` a `react-virtualized` poskytujú výkonné a ľahko použiteľné komponenty na implementáciu tohto vzoru.

Záver

Výkonnosť Reactu nie je náhoda; je výsledkom premyslenej a sofistikovanej architektúry zameranej na Virtuálny DOM a efektívny Rekonciliačný algoritmus. Abstrakciou priamej manipulácie s DOM môže React dávkovať a optimalizovať aktualizácie spôsobom, ktorý by bolo neuveriteľne zložité spravovať manuálne.

Ako vývojári sme kľúčovou súčasťou tohto procesu. Porozumením heuristík diffing algoritmu – správnym používaním kľúčov, memoizáciou komponentov a hodnôt a premysleným štruktúrovaním našich aplikácií – môžeme pracovať s rekonciliátorom Reactu, nie proti nemu. Evolúcia k Fiber architektúre ďalej posunula hranice možného, umožňujúc novú generáciu plynulých a responzívnych UI.

Keď nabudúce uvidíte, ako sa vaše UI okamžite aktualizuje po zmene stavu, chvíľu sa zastavte a oceňte elegantný tanec Virtuálneho DOM, diffing algoritmu a commit fázy, ktorý sa odohráva pod kapotou. Toto porozumenie je vaším kľúčom k budovaniu rýchlejších, efektívnejších a robustnejších React aplikácií pre globálne publikum.