Skrivna sestavina Reacta: Poglobljen vpogled v algoritem Reconciliation in primerjanje navideznega DOM-a

` bi lahko bil predstavljen takole:

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

Ker so to le JavaScript objekti, je njihovo ustvarjanje in manipuliranje neverjetno hitro. Ne vključuje nobene interakcije z brskalniškimi API-ji, zato ni "reflow"-ov ali ponovnih risanj.

Kako deluje navidezni DOM?

VDOM omogoča deklarativen pristop k razvoju uporabniškega vmesnika. Namesto da bi brskalniku korak za korakom govorili, kako naj spremeni DOM (imperativno), preprosto deklarirate, kakšen naj bo uporabniški vmesnik za določeno stanje (deklarativno). React poskrbi za ostalo.

Postopek izgleda takole:

1. Začetno upodabljanje: Ko se vaša aplikacija prvič naloži, React ustvari celotno drevo navideznega DOM-a za vaš uporabniški vmesnik in ga uporabi za generiranje začetnega resničnega DOM-a.
2. Posodobitev stanja: Ko se stanje aplikacije spremeni (npr. uporabnik klikne gumb), React ustvari novo drevo navideznega DOM-a, ki odraža novo stanje.
3. Primerjanje (Diffing): React ima zdaj v pomnilniku dve drevesi navideznega DOM-a: staro (pred spremembo stanja) in novo. Nato zažene svoj algoritem za primerjanje ("diffing"), da primerja ti dve drevesi in ugotovi natančne razlike.
4. Združevanje in posodabljanje: React izračuna najučinkovitejši in minimalen nabor operacij, potrebnih za posodobitev resničnega DOM-a, da se ujema z novim navideznim DOM-om. Te operacije so združene in uporabljene na resničnem DOM-u v enem samem, optimiziranem zaporedju.

Z združevanjem posodobitev React zmanjša neposredno interakcijo s počasnim DOM-om, kar bistveno izboljša zmogljivost. Jedro te učinkovitosti leži v koraku primerjanja ("diffing"), ki je formalno znan kot algoritem Reconciliation.

Srce Reacta: Algoritem Reconciliation

Reconciliation je proces, skozi katerega React posodablja DOM, da se ujema z najnovejšim drevesom komponent. Algoritem, ki izvaja to primerjavo, je tisto, čemur pravimo "algoritem za primerjanje" (diffing algorithm).

Teoretično je iskanje minimalnega števila transformacij za pretvorbo enega drevesa v drugega zelo kompleksen problem, z algoritemsko zahtevnostjo reda O(n³), kjer je n število vozlišč v drevesu. To bi bilo prepočasi za aplikacije v resničnem svetu. Da bi rešili to težavo, so v ekipi Reacta naredili nekaj briljantnih opažanj o tem, kako se spletne aplikacije običajno obnašajo, in implementirali hevristični algoritem, ki je veliko hitrejši – deluje v času O(n).

Hevristike: Kako narediti primerjanje hitro in predvidljivo

Reactov algoritem za primerjanje temelji na dveh primarnih predpostavkah oziroma hevristikah:

Hevristika 1: Različni tipi elementov ustvarijo različna drevesa

To je prvo in najpreprostejše pravilo. Pri primerjanju dveh vozlišč VDOM-a React najprej pogleda njun tip. Če je tip korenskih elementov drugačen, React predpostavlja, da razvijalec ne želi poskušati pretvoriti enega v drugega. Namesto tega uporabi bolj drastičen, a predvidljiv pristop:

• Poruši celotno staro drevo, odstrani vse stare komponente in uniči njihovo stanje.
• Zgradi popolnoma novo drevo iz nič na podlagi novega tipa elementa.

Poglejmo si na primer to spremembo:

Prej: <div><Counter /></div>
Potem: <span><Counter /></span>

Čeprav je podrejena komponenta `Counter` ista, React vidi, da se je koren spremenil iz `div` v `span`. Popolnoma bo odstranil stari `div` in instanco `Counter` v njem (in s tem izgubil njeno stanje) ter nato vstavil nov `span` in popolnoma novo instanco komponente `Counter`.

Ključni nauk: Izogibajte se spreminjanju tipa korenskega elementa poddrevesa komponente, če želite ohraniti njeno stanje ali se izogniti popolnemu ponovnemu upodabljanju tega poddrevesa.

Hevristika 2: Razvijalci lahko s `key` prop-om namignejo na stabilne elemente

To je verjetno najpomembnejša hevristika, ki jo morajo razvijalci razumeti in pravilno uporabljati. Ko React primerja seznam podrejenih elementov, je njegovo privzeto obnašanje, da iterira čez oba seznama otrok hkrati in ustvari mutacijo povsod, kjer pride do razlike.

Problem s primerjanjem na podlagi indeksa

Predstavljajmo si, da imamo seznam elementov in na začetek seznama dodamo nov element, ne da bi uporabili ključe.

Začetni seznam:

• Element B
• Element C

Posodobljen seznam (na začetek dodan 'Element A'):

• Element A
• Element B
• Element C

Brez ključev React izvede preprosto primerjavo na podlagi indeksa:

1. Primerja stari element na indeksu 0 ('Element B') z novim elementom na indeksu 0 ('Element A'). Razlikujeta se, zato spremeni prvi element.
2. Primerja stari element na indeksu 1 ('Element C') z novim elementom na indeksu 1 ('Element B'). Razlikujeta se, zato spremeni drugi element.
3. Vidi, da je na indeksu 2 nov element ('Element C'), in ga vstavi.

To je zelo neučinkovito. React je izvedel dve nepotrebni mutaciji in eno vstavljanje, medtem ko je bilo potrebno le eno vstavljanje na začetku. Če bi bili ti elementi seznama kompleksne komponente z lastnim stanjem, bi to lahko povzročilo resne težave z zmogljivostjo in hrošče, saj bi se stanje lahko pomešalo med komponentami.

Moč `key` prop-a

Rešitev ponuja `key` prop. To je poseben atribut tipa string, ki ga morate vključiti pri ustvarjanju seznamov elementov. Ključi dajejo Reactu stabilno identiteto za vsak element.

Poglejmo si isti primer še enkrat, tokrat s stabilnimi, edinstvenimi ključi:

Začetni seznam:

• Element B
• Element C

Posodobljen seznam:

• Element A
• Element B
• Element C

Zdaj je Reactov proces primerjanja veliko pametnejši:

1. React pogleda otroke novega seznama in najde elemente s ključema 'b' in 'c'.
2. Ve, da elementa s ključema 'b' in 'c' že obstajata v starem seznamu, zato ju preprosto premakne.
3. Vidi, da obstaja nov element s ključem 'a', ki prej ni obstajal, zato ga ustvari in vstavi.

To je veliko bolj učinkovito. React pravilno ugotovi, da mora izvesti le eno vstavljanje. Komponenti, povezani s ključema 'b' in 'c', sta ohranjeni in ohranita svoje notranje stanje.

Kritično pravilo za ključe: Ključi morajo biti stabilni, predvidljivi in edinstveni med svojimi sorodniki. Uporaba indeksa polja kot ključa (`items.map((item, index) =>

...

)`) je anti-vzorec, če se seznam lahko kdaj preuredi, filtrira ali če se mu dodajajo/odstranjujejo elementi iz sredine, saj to vodi do istih težav kot če ključa sploh ne bi bilo. Najboljši ključi so edinstveni identifikatorji iz vaših podatkov, kot je ID iz baze podatkov.

Evolucija: Od arhitekture Stack do Fiber

Zgoraj opisan algoritem Reconciliation je bil osnova Reacta več let. Vendar je imel eno večjo omejitev: bil je sinhron in blokirajoč. Ta prvotna implementacija se zdaj imenuje Stack Reconciler.

Stari način: Stack Reconciler

V Stack Reconcilerju je React, ko je posodobitev stanja sprožila ponovno upodabljanje, rekurzivno prečesal celotno drevo komponent, izračunal spremembe in jih uporabil na DOM-u – vse v enem samem, neprekinjenem zaporedju. Za majhne posodobitve je bilo to v redu. Toda za velika drevesa komponent je ta proces lahko trajal precej časa (npr. več kot 16 ms), kar je blokiralo glavno nit brskalnika. To je povzročilo, da je uporabniški vmesnik postal neodziven, kar je vodilo do izpuščenih sličic, zatikajočih se animacij in slabe uporabniške izkušnje.

Predstavitev React Fiber (React 16+)

Da bi rešila to težavo, se je ekipa Reacta lotila večletnega projekta popolnega prepisa osrednjega algoritma Reconciliation. Rezultat, izdan v Reactu 16, se imenuje React Fiber.

Arhitektura Fiber je bila zasnovana od temeljev, da omogoči sočasnost (concurrency) – sposobnost Reacta, da dela na več nalogah hkrati in preklaplja med njimi glede na prioriteto.

"Fiber" je navaden JavaScript objekt, ki predstavlja enoto dela. Vsebuje informacije o komponenti, njenem vhodu (props) in njenem izhodu (otroci). Namesto rekurzivnega prečesavanja, ki ga ni bilo mogoče prekiniti, React zdaj obdeluje povezan seznam vozlišč Fiber, enega za drugim.

Ta nova arhitektura je odklenila več ključnih zmožnosti:

• Inkrementalno upodabljanje: Delo upodabljanja lahko razdeli na majhne koščke in ga razporedi čez več sličic.
• Prioritizacija: Različnim vrstam posodobitev lahko dodeli različne stopnje prioritete. Na primer, uporabnikov vnos v polje ima višjo prioriteto kot podatki, ki se pridobivajo v ozadju.
• Možnost premora in prekinitve: Delo na nizkoprioritetni posodobitvi lahko zaustavi, da obravnava višjeprioritetno, in lahko celo prekliče ali ponovno uporabi delo, ki ni več potrebno.

Dve fazi arhitekture Fiber

V arhitekturi Fiber je proces upodabljanja razdeljen na dve ločeni fazi:

1. Faza upodabljanja/Reconciliation (asinhrona): V tej fazi React obdeluje vozlišča Fiber, da zgradi "work-in-progress" (delovno) drevo. Kliče metode `render` komponent in izvaja algoritem za primerjanje, da določi, katere spremembe je treba narediti v DOM-u. Ključno je, da je ta faza prekinljiva. React lahko to delo zaustavi, da obravnava nekaj pomembnejšega, in ga nadaljuje pozneje. Ker je lahko prekinjena, React med to fazo ne uporablja nobenih dejanskih sprememb na DOM-u, da se izogne neskladnemu stanju uporabniškega vmesnika.
2. Faza potrditve (Commit Phase) (sinhrona): Ko je delovno drevo končano, React vstopi v fazo potrditve. Vzame izračunane spremembe in jih uporabi na resničnem DOM-u. Ta faza je sinhrona in je ni mogoče prekiniti. To zagotavlja, da uporabnik vedno vidi skladen uporabniški vmesnik. Metode življenjskega cikla, kot sta `componentDidMount` in `componentDidUpdate`, ter kaveljčka `useLayoutEffect` in `useEffect` se izvajajo med to fazo.

Arhitektura Fiber je temelj za mnoge sodobne funkcije Reacta, vključno s `Suspense`, sočasnim upodabljanjem, `useTransition` in `useDeferredValue`, ki vse pomagajo razvijalcem graditi bolj odzivne in tekoče uporabniške vmesnike.

Praktične strategije optimizacije za razvijalce

Razumevanje Reactovega procesa Reconciliation vam daje moč za pisanje bolj zmogljive kode. Tukaj je nekaj uporabnih strategij:

1. Vedno uporabljajte stabilne in edinstvene ključe za sezname

Tega ni mogoče dovolj poudariti. To je najpomembnejša optimizacija za sezname. Uporabite edinstven ID iz svojih podatkov (npr. `product.id`). Izogibajte se uporabi indeksov polja, razen če je seznam popolnoma statičen in se nikoli ne bo spremenil.

2. Izogibajte se nepotrebnim ponovnim upodabljanjem

Komponenta se ponovno upodobi, če se spremeni njeno stanje ali če se ponovno upodobi njen starš. Včasih se komponenta ponovno upodobi, tudi če bi bil njen izhod enak. To lahko preprečite z uporabo:

• `React.memo()`: Komponenta višjega reda za funkcijske komponente. Izvede plitvo primerjavo prop-ov komponente. Če se prop-i niso spremenili, bo React preskočil ponovno upodabljanje komponente in ponovno uporabil zadnji upodobljeni rezultat.
• `useCallback()`: Funkcije, definirane znotraj komponente, se ponovno ustvarijo ob vsakem upodabljanju. Če te funkcije posredujete kot prop-e podrejeni komponenti, oviti v `React.memo`, se bo otrok ponovno upodobil, ker je prop funkcije tehnično vsakič nova funkcija. `useCallback` memoizira samo funkcijo in zagotavlja, da se ponovno ustvari le, če se spremenijo njene odvisnosti.
• `useMemo()`: Podobno kot `useCallback`, vendar za vrednosti. Memoizira rezultat dragega izračuna. Izračun se ponovno zažene le, če se je spremenila ena od njegovih odvisnosti. To je uporabno za preprečevanje dragih izračunov ob vsakem upodabljanju in za ohranjanje stabilnih referenc na objekte/polja, ki se posredujejo kot prop-i.

3. Pametna kompozicija komponent

Način, kako strukturirate svoje komponente, lahko pomembno vpliva na zmogljivost. Če se del stanja vaše komponente pogosto posodablja, ga poskusite izolirati od delov, ki se ne.

Na primer, namesto da bi imeli eno veliko komponento, kjer pogosto spreminjajoče se vnosno polje povzroči ponovno upodabljanje celotne komponente, dvignite to stanje v svojo manjšo komponento. Na ta način se ob tipkanju uporabnika ponovno upodobi le majhna komponenta.

4. Virtualizirajte dolge sezname

Če morate upodobiti sezname z več sto ali tisoč elementi, je lahko upodabljanje vseh naenkrat počasno in porabi veliko pomnilnika, tudi s pravilnimi ključi. Rešitev je virtualizacija ali "windowing". Ta tehnika vključuje upodabljanje le majhnega podnabora elementov, ki so trenutno vidni v vidnem polju. Ko se uporabnik pomika, se stari elementi odstranijo, novi pa vstavijo. Knjižnice, kot sta `react-window` in `react-virtualized`, ponujajo zmogljive in enostavne komponente za implementacijo tega vzorca.

Zaključek

Zmogljivost Reacta ni naključje; je rezultat premišljene in sofisticirane arhitekture, osredotočene na navidezni DOM in učinkovit algoritem Reconciliation. Z abstrahiranjem neposredne manipulacije DOM-a lahko React združuje in optimizira posodobitve na način, ki bi ga bilo ročno izjemno težko upravljati.

Kot razvijalci smo ključni del tega procesa. Z razumevanjem hevristik algoritma za primerjanje – s pravilno uporabo ključev, memoiziranjem komponent in vrednosti ter premišljenim strukturiranjem naših aplikacij – lahko delamo z Reactovim reconcilerjem, ne proti njemu. Evolucija v arhitekturo Fiber je še dodatno premaknila meje mogočega in omogočila novo generacijo tekočih in odzivnih uporabniških vmesnikov.

Ko boste naslednjič videli, da se vaš uporabniški vmesnik takoj posodobi po spremembi stanja, si vzemite trenutek in cenite eleganten ples navideznega DOM-a, algoritma za primerjanje in faze potrditve, ki se dogaja pod pokrovom. To razumevanje je vaš ključ do gradnje hitrejših, učinkovitejših in robustnejših React aplikacij za globalno občinstvo.