Кооперативна багатозадачність планувальника React: Освоєння стратегії передачі керування

У світі сучасної веб-розробки забезпечення бездоганного та високочутливого користувацького досвіду є першочерговим. Користувачі очікують, що додатки миттєво реагуватимуть на їхні взаємодії, навіть коли у фоновому режимі відбуваються складні операції. Це очікування створює значне навантаження на однопотокову природу JavaScript. Традиційні підходи часто призводять до зависання інтерфейсу або повільної роботи, коли обчислювально інтенсивні завдання блокують основний потік. Саме тут концепція кооперативної багатозадачності, а точніше, стратегія передачі керування в таких фреймворках, як React Scheduler, стає незамінною.

Внутрішній планувальник React відіграє вирішальну роль в управлінні тим, як оновлення застосовуються до UI. Довгий час рендеринг у React був переважно синхронним. Хоча це було ефективно для невеликих додатків, він мав труднощі з більш вимогливими сценаріями. Впровадження React 18 та його можливостей конкурентного рендерингу призвело до зміни парадигми. В основі цієї зміни лежить складний планувальник, який використовує кооперативну багатозадачність для розбиття роботи з рендерингу на менші, керовані частини. Ця стаття глибоко зануриться в кооперативну багатозадачність React Scheduler, з особливим акцентом на його стратегію передачі керування, пояснюючи, як вона працює і як розробники можуть використовувати її для створення більш продуктивних та чутливих додатків у глобальному масштабі.

Розуміння однопотокової природи JavaScript та проблеми блокування

Перш ніж зануритися в React Scheduler, важливо зрозуміти фундаментальну проблему: модель виконання JavaScript. У більшості браузерних середовищ JavaScript працює в одному потоці. Це означає, що одночасно може виконуватися лише одна операція. Хоча це спрощує деякі аспекти розробки, це створює значну проблему для додатків з інтенсивним використанням UI. Коли довготривале завдання, таке як складна обробка даних, важкі обчислення або великі маніпуляції з DOM, займає основний потік, воно перешкоджає виконанню інших критичних операцій. До цих заблокованих операцій належать:

• Реагування на введення користувача (кліки, набір тексту, прокручування)
• Запуск анімацій
• Виконання інших завдань JavaScript, включаючи оновлення UI
• Обробка мережевих запитів

Наслідком такої блокуючої поведінки є поганий користувацький досвід. Користувачі можуть бачити завислий інтерфейс, затримки у відповідях або рвані анімації, що призводить до розчарування та відмови від використання. Це часто називають «проблемою блокування».

Обмеження традиційного синхронного рендерингу

В епоху доконкурентного React оновлення рендерингу зазвичай були синхронними. Коли стан або пропси компонента змінювалися, React негайно перерендерив цей компонент та його дочірні елементи. Якщо цей процес перерендерингу включав значний обсяг роботи, він міг заблокувати основний потік, що призводило до вищезгаданих проблем з продуктивністю. Уявіть собі складну операцію рендерингу списку або щільну візуалізацію даних, яка займає сотні мілісекунд. Протягом цього часу взаємодія користувача ігнорувалася б, створюючи нечутливий додаток.

Чому кооперативна багатозадачність є рішенням

Кооперативна багатозадачність — це система, в якій завдання добровільно передають керування процесором іншим завданням. На відміну від витісняючої багатозадачності (яка використовується в операційних системах, де ОС може перервати завдання в будь-який час), кооперативна багатозадачність покладається на те, що самі завдання вирішують, коли призупинитися і дозволити іншим працювати. У контексті JavaScript та React це означає, що довге завдання рендерингу може бути розбите на менші частини, і після завершення частини воно може «передати» керування назад до циклу подій, дозволяючи обробити інші завдання (наприклад, введення користувача або анімації). React Scheduler реалізує складну форму кооперативної багатозадачності для досягнення цього.

Кооперативна багатозадачність React Scheduler та роль планувальника

React Scheduler — це внутрішня бібліотека в React, відповідальна за пріоритезацію та організацію завдань. Це двигун, що стоїть за конкурентними функціями React 18. Його основна мета — забезпечити, щоб UI залишався чутливим, розумно плануючи роботу з рендерингу. Він досягає цього шляхом:

• Пріоритезація: Планувальник призначає пріоритети різним завданням. Наприклад, негайна взаємодія з користувачем (наприклад, введення тексту в поле) має вищий пріоритет, ніж фонове завантаження даних.
• Розбиття роботи: Замість виконання великого завдання рендерингу за один раз, планувальник розбиває його на менші, незалежні одиниці роботи.
• Переривання та відновлення: Планувальник може перервати завдання рендерингу, якщо з'являється завдання з вищим пріоритетом, а потім відновити перерване завдання пізніше.
• Передача керування: Це основний механізм, що дозволяє кооперативну багатозадачність. Після завершення невеликої одиниці роботи завдання може передати керування назад планувальнику, який потім вирішує, що робити далі.

Цикл подій та його взаємодія з планувальником

Розуміння циклу подій JavaScript має вирішальне значення для оцінки того, як працює планувальник. Цикл подій постійно перевіряє чергу повідомлень. Коли повідомлення (що представляє подію або завдання) знайдено, воно обробляється. Якщо обробка завдання (наприклад, рендер React) є тривалою, вона може заблокувати цикл подій, перешкоджаючи обробці інших повідомлень. React Scheduler працює разом із циклом подій. Коли завдання рендерингу розбивається, кожне підзавдання обробляється. Якщо підзавдання завершується, планувальник може попросити браузер запланувати запуск наступного підзавдання у відповідний час, часто після завершення поточного циклу подій, але до того, як браузеру потрібно буде відмалювати екран. Це дозволяє обробити інші події в черзі тим часом.

Пояснення конкурентного рендерингу

Конкурентний рендеринг — це здатність React рендерити кілька компонентів паралельно або переривати рендеринг. Йдеться не про запуск кількох потоків; йдеться про більш ефективне управління одним потоком. З конкурентним рендерингом:

• React може почати рендеринг дерева компонентів.
• Якщо відбувається оновлення з вищим пріоритетом (наприклад, користувач натискає іншу кнопку), React може призупинити поточний рендеринг, обробити нове оновлення, а потім відновити попередній рендеринг.
• Це запобігає зависанню UI, забезпечуючи, що взаємодії користувача завжди обробляються оперативно.

Планувальник є диригентом цієї конкурентності. Він вирішує, коли рендерити, коли призупиняти і коли відновлювати, все на основі пріоритетів та доступних «часових зрізів».

Стратегія передачі керування: Серце кооперативної багатозадачності

Стратегія передачі керування — це механізм, за допомогою якого завдання JavaScript, особливо завдання рендерингу, кероване React Scheduler, добровільно відмовляється від контролю. Це наріжний камінь кооперативної багатозадачності в цьому контексті. Коли React виконує потенційно довготривалу операцію рендерингу, він не робить це одним монолітним блоком. Замість цього він розбиває роботу на менші одиниці. Після завершення кожної одиниці він перевіряє, чи є в нього «час» продовжувати, чи варто призупинитися і дозволити іншим завданням працювати. Ця перевірка є моментом, коли в гру вступає передача керування.

Як працює передача керування під капотом

На високому рівні, коли React Scheduler обробляє рендер, він може виконати одиницю роботи, а потім перевірити умову. Ця умова часто включає запит до браузера про те, скільки часу минуло з моменту рендерингу останнього кадру або чи відбулися якісь термінові оновлення. Якщо виділений часовий зріз для поточного завдання перевищено, або якщо очікує завдання з вищим пріоритетом, планувальник передасть керування.

У старих середовищах JavaScript це могло включати використання `setTimeout(..., 0)` або `requestIdleCallback`. React Scheduler використовує більш складні механізми, часто залучаючи `requestAnimationFrame` та ретельний таймінг, для ефективної передачі та відновлення роботи, не обов'язково повертаючи керування головному циклу подій браузера таким чином, щоб повністю зупинити прогрес. Він може запланувати наступний шматок роботи для виконання в межах наступного доступного кадру анімації або в момент простою.

Функція `shouldYield` (концептуально)

Хоча розробники не викликають безпосередньо функцію `shouldYield()` у своєму коді, це концептуальне представлення процесу прийняття рішень у планувальнику. Після виконання одиниці роботи (наприклад, рендерингу невеликої частини дерева компонентів), планувальник внутрішньо запитує: «Чи варто мені зараз передати керування?» Це рішення базується на:

• Часові зрізи: Чи перевищило поточне завдання свій виділений часовий бюджет для цього кадру?
• Пріоритет завдання: Чи є завдання з вищим пріоритетом, які очікують і потребують негайної уваги?
• Стан браузера: Чи зайнятий браузер іншими критичними операціями, такими як відмальовування?

Якщо відповідь на будь-яке з цих питань «так», планувальник передасть керування. Це означає, що він призупинить поточну роботу з рендерингу, дозволить іншим завданням працювати (включаючи оновлення UI або обробку подій користувача), а потім, коли це буде доречно, відновить перервану роботу з рендерингу з того місця, де вона зупинилася.

Перевага: Неблокуючі оновлення UI

Основна перевага стратегії передачі керування — це можливість виконувати оновлення UI без блокування основного потоку. Це призводить до:

• Чутливі додатки: UI залишається інтерактивним навіть під час складних операцій рендерингу. Користувачі можуть натискати кнопки, прокручувати та вводити текст, не відчуваючи затримок.
• Плавніші анімації: Анімації менш схильні до затримок або пропуску кадрів, оскільки основний потік не блокується постійно.
• Покращена сприймана продуктивність: Навіть якщо операція займає стільки ж загального часу, розбиття її на частини та передача керування робить додаток *відчутно* швидшим і чутливішим.

Практичні наслідки та як використовувати передачу керування

Як розробник React, ви зазвичай не пишете явних інструкцій `yield`. React Scheduler обробляє це автоматично, коли ви використовуєте React 18+ і його конкурентні функції увімкнені. Однак розуміння концепції дозволяє вам писати код, який краще поводиться в цій моделі.

Автоматична передача керування в конкурентному режимі

Коли ви вмикаєте конкурентний рендеринг (використовуючи React 18+ та налаштовуючи ваш `ReactDOM` відповідним чином), React Scheduler бере на себе керування. Він автоматично розбиває роботу з рендерингу та передає керування за потреби. Це означає, що багато переваг продуктивності від кооперативної багатозадачності доступні вам «з коробки».

Виявлення довготривалих завдань рендерингу

Хоча автоматична передача керування є потужною, все ж корисно знати, що *може* спричинити довготривалі завдання. Це часто включає:

• Рендеринг великих списків: Тисячі елементів можуть рендеритися довго.
• Складний умовний рендеринг: Глибоко вкладена умовна логіка, що призводить до створення або знищення великої кількості вузлів DOM.
• Важкі обчислення у функціях рендерингу: Виконання ресурсоємних обчислень безпосередньо в методі рендерингу компонента.
• Часті, великі оновлення стану: Швидка зміна великих обсягів даних, що викликає масові перерендеринги.

Стратегії для оптимізації та роботи з передачею керування

Хоча React обробляє передачу керування, ви можете писати свої компоненти таким чином, щоб отримати від цього максимальну користь:

1. Віртуалізація для великих списків: Для дуже довгих списків використовуйте бібліотеки, такі як `react-window` або `react-virtualized`. Ці бібліотеки рендерять лише ті елементи, які наразі видимі у вікні перегляду, значно зменшуючи обсяг роботи, яку React повинен виконати в будь-який момент часу. Це природно призводить до частіших можливостей для передачі керування.
2. Мемоізація (`React.memo`, `useMemo`, `useCallback`): Переконайтеся, що ваші компоненти та значення перераховуються лише за потреби. `React.memo` запобігає непотрібним перерендерингам функціональних компонентів. `useMemo` кешує дорогі обчислення, а `useCallback` кешує визначення функцій. Це зменшує обсяг роботи, яку React повинен виконати, роблячи передачу керування більш ефективною.
3. Розбиття коду (`React.lazy` та `Suspense`): Розбийте ваш додаток на менші частини, які завантажуються за вимогою. Це зменшує початкове навантаження на рендеринг і дозволяє React зосередитися на рендерингу потрібних на даний момент частин UI.
4. Debouncing та Throttling введення користувача: Для полів введення, що викликають дорогі операції (наприклад, пропозиції пошуку), використовуйте debouncing або throttling, щоб обмежити частоту виконання операції. Це запобігає потоку оновлень, які могли б перевантажити планувальник.
5. Винесення дорогих обчислень з рендерингу: Якщо у вас є обчислювально інтенсивні завдання, розгляньте можливість перенесення їх до обробників подій, хуків `useEffect` або навіть веб-воркерів. Це гарантує, що сам процес рендерингу залишається максимально легким, дозволяючи частішу передачу керування.
6. Пакетне оновлення (автоматичне та ручне): React 18 автоматично об'єднує оновлення стану, що відбуваються в обробниках подій або Promise. Якщо вам потрібно вручну об'єднати оновлення поза цими контекстами, ви можете використовувати `ReactDOM.flushSync()` для конкретних сценаріїв, де критично важливі негайні, синхронні оновлення, але використовуйте це з обережністю, оскільки це обходить поведінку передачі керування планувальником.

Приклад: Оптимізація великої таблиці даних

Розглянемо додаток, що відображає велику таблицю міжнародних біржових даних. Без конкурентності та передачі керування рендеринг 10 000 рядків міг би заморозити UI на кілька секунд.

Без передачі керування (концептуально):

Одна функція `renderTable` ітерує всі 10 000 рядків, створює елементи `` та `` для кожного і додає їх до DOM. Весь цей процес блокує основний потік до його завершення.

З передачею керування (використовуючи React 18+ та найкращі практики):

1. Віртуалізація: Використовуйте бібліотеку, таку як `react-window`. Компонент таблиці рендерить, скажімо, лише 20 рядків, видимих у вікні перегляду.
2. Роль планувальника: Коли користувач прокручує, стає видимим новий набір рядків. React Scheduler розіб'є рендеринг цих нових рядків на менші частини.
3. Передача керування в дії: Коли кожна маленька частина рядків рендериться (наприклад, 2-5 рядків за раз), планувальник перевіряє, чи слід йому передати керування. Якщо користувач швидко прокручує, React може передати керування після рендерингу кількох рядків, дозволяючи обробити подію прокрутки та запланувати рендеринг наступного набору рядків. Це забезпечує плавне та чутливе відчуття від прокрутки, хоча вся таблиця не рендериться відразу.
4. Мемоізація: Окремі компоненти рядків можна мемоізувати (`React.memo`), щоб у разі оновлення лише одного рядка інші не перерендерилися без потреби.

Результатом є плавне прокручування та UI, який залишається інтерактивним, демонструючи силу кооперативної багатозадачності та передачі керування.

Глобальні аспекти та майбутні напрямки

Принципи кооперативної багатозадачності та передачі керування є універсально застосовними, незалежно від місцезнаходження користувача чи можливостей його пристрою. Однак є деякі глобальні аспекти:

• Різна продуктивність пристроїв: Користувачі по всьому світу отримують доступ до веб-додатків на широкому спектрі пристроїв, від високопродуктивних настільних комп'ютерів до малопотужних мобільних телефонів. Кооперативна багатозадачність гарантує, що додатки можуть залишатися чутливими навіть на менш потужних пристроях, оскільки робота розбивається та розподіляється більш ефективно.
• Мережева затримка: Хоча передача керування в основному стосується завдань рендерингу, пов'язаних з CPU, її здатність розблоковувати UI також має вирішальне значення для додатків, які часто завантажують дані з географічно розподілених серверів. Чутливий UI може надавати зворотний зв'язок (наприклад, індикатори завантаження) під час виконання мережевих запитів, замість того, щоб виглядати замороженим.
• Доступність: Чутливий UI є за своєю суттю більш доступним. Користувачі з руховими порушеннями, які можуть мати менш точний час для взаємодій, отримають перевагу від додатка, який не зависає та не ігнорує їхнє введення.

Еволюція планувальника React

Планувальник React — це технологія, що постійно розвивається. Концепції пріоритезації, часу закінчення та передачі керування є складними і були вдосконалені протягом багатьох ітерацій. Майбутні розробки в React, ймовірно, ще більше посилять його можливості планування, потенційно досліджуючи нові способи використання API браузера або оптимізації розподілу роботи. Перехід до конкурентних функцій є свідченням прихильності React до вирішення складних проблем продуктивності для глобальних веб-додатків.

Висновок

Кооперативна багатозадачність планувальника React, що базується на стратегії передачі керування, є значним кроком уперед у створенні продуктивних та чутливих веб-додатків. Розбиваючи великі завдання рендерингу та дозволяючи компонентам добровільно передавати керування, React гарантує, що UI залишається інтерактивним та плавним, навіть під великим навантаженням. Розуміння цієї стратегії дає розробникам можливість писати більш ефективний код, ефективно використовувати конкурентні функції React та надавати винятковий користувацький досвід глобальній аудиторії.

Хоча вам не потрібно керувати передачею керування вручну, усвідомлення її механізмів допомагає в оптимізації ваших компонентів та архітектури. Застосовуючи такі практики, як віртуалізація, мемоізація та розбиття коду, ви можете розкрити весь потенціал планувальника React, створюючи додатки, які є не тільки функціональними, але й приємними у використанні, незалежно від того, де знаходяться ваші користувачі.

Майбутнє розробки на React — конкурентне, і освоєння основних принципів кооперативної багатозадачності та передачі керування є ключем до того, щоб залишатися на передовій веб-продуктивності.