精通 React 并发渲染调度器：帧时间预算管理

在瞬息万变的 Web 开发领域，提供无缝且响应迅速的用户体验 (UX) 至关重要。全球用户都期望应用程序无论在何种设备、网络条件或 UI 复杂度下，都能快速、流畅且互动性强。现代 JavaScript 框架，尤其是 React，在满足这些需求方面取得了重大进展。React 实现这一目标的核心在于其精密的并发渲染调度器，这是一个强大的机制，能够更智能地管理渲染工作，以及至关重要的帧时间预算。

本篇综合指南将深入探讨 React 并发渲染调度器的复杂性，特别关注其如何管理帧时间预算。我们将探索其底层原理、解决的挑战，以及开发者可以利用此功能构建高性能和全球可访问应用程序的实用策略。

帧时间预算管理的必要性

在我们深入了解 React 的具体实现之前，理解为什么帧时间预算管理对现代 Web 应用程序如此关键是至关重要的。 “帧” 的概念指的是单次屏幕刷新。在大多数显示器上，刷新频率为每秒 60 次，这意味着每一帧大约有 16.67 毫秒 (ms) 的时间来完成渲染。这通常被称为 16ms 预算。

如果一个 Web 应用程序渲染一帧的时间超过了这个预算，浏览器就会 “掉帧”，导致 UI 出现卡顿、抖动或无响应。这种情况会立即被用户注意到并感到沮丧，尤其是在动画、滚动或表单输入等交互式组件中。

传统渲染的挑战：

• 长耗时任务： 在前并发时代，React（以及许多其他框架）在单个同步线程上运行。如果一个组件的渲染时间过长，它会阻塞主线程，导致用户交互（如点击或输入）直到渲染完成才能被处理。
• 不可预测的性能： 渲染性能可能高度不可预测。数据或 UI 复杂度的微小变化可能导致渲染时间差异巨大，使得保证流畅体验变得困难。
• 缺乏优先级： 所有的渲染任务都被同等对待。没有内在机制来优先处理紧急更新（例如，用户输入）而非次要更新（例如，后台获取数据）。

在全球化背景下，这些挑战会被放大。用户从网络基础设施较差或设备较旧的地区访问应用程序时，会面临更大的障碍。管理不善的帧时间预算可能导致应用程序对于全球相当一部分用户来说几乎无法使用。

React 并发渲染简介

React 并发模式（现已成为 React 18 的默认模式）从根本上改变了 React 渲染应用程序的方式。其核心思想是让 React 能够中断、暂停和恢复渲染。这是通过一个新的调度器实现的，该调度器能够感知浏览器的渲染管道，并相应地对任务进行优先级排序。

核心概念：

• 时间分片： 调度器将大型的、同步的渲染任务分解成更小的块。这些块可以在多个帧上执行，从而允许 React 在块之间将控制权交还给浏览器。这确保了主线程能够处理关键任务，如用户交互和事件处理。
• 可重入性： React 现在可以在组件生命周期的中间暂停渲染，并在稍后恢复，可能会以不同的顺序或在其他任务完成后恢复。这对于交错处理不同类型的更新至关重要。
• 优先级： 调度器为不同的渲染任务分配优先级。例如，紧急更新（如在输入框中打字）会比不那么紧急的更新（如更新从 API 获取的列表）获得更高的优先级。

其核心在于，并发渲染是通过智能地调度和分解工作来管理帧时间预算。

React 调度器：并发渲染的引擎

React 调度器是并发渲染背后的指挥者。它负责决定何时渲染、渲染什么，以及如何分解工作以适应帧时间预算。它与浏览器的 requestIdleCallback 和 requestAnimationFrame API 交互，以高效地调度任务。

工作原理：

1. 任务队列： 调度器维护一个任务队列（例如，组件更新、事件处理程序）。
2. 优先级： 每个任务都被分配一个优先级。React 有一个离散的优先级系统，从最高级（例如，用户输入）到最低级（例如，后台数据获取）。
3. 调度决策： 当浏览器空闲时（即在帧预算内有时间），调度器会从队列中选择优先级最高的任务并安排其执行。
4. 时间分片的实际应用： 如果一个任务太大，无法在当前帧的剩余时间内完成，调度器会将其 “切片”。它执行一部分工作，然后将控制权交还给浏览器，并将剩余的工作安排在未来的帧中执行。
5. 中断与恢复： 如果在处理低优先级任务时出现了一个更高优先级的任务，调度器可以中断低优先级任务，处理高优先级任务，然后再恢复被中断的任务。

这种动态调度机制使得 React 能够确保最重要的更新被优先处理，从而防止主线程被阻塞，并保持 UI 的响应性。

在实践中理解帧时间预算管理

调度器的主要目标是确保渲染工作不会超过可用的帧时间。这涉及几个关键策略：

1. 工作的时间分片

当 React 需要执行重要的渲染操作时，例如渲染一个大型组件树或处理一个复杂的状态更新，调度器就会介入。它不会一次性完成整个操作（这可能会花费很多毫秒并超过 16ms 的预算），而是将工作分解成更小的单元。

示例： 想象一个需要渲染的大型项目列表。在同步模型中，React 会尝试一次性渲染所有项目。如果这需要 50ms，UI 在此期间就会冻结。通过时间分片，React 可能先渲染前 10 个项目，然后让出控制权。在下一帧中，它再渲染接下来的 10 个，依此类推。这意味着用户会看到列表逐渐出现，但在此过程中 UI 始终保持响应。

调度器会持续监控已用时间。如果它检测到即将接近帧预算的末尾，它将暂停当前工作，并将剩余部分安排在下一个可用的时机执行。

2. 更新的优先级排序

React 的调度器为各种类型的更新分配不同的优先级。这使得它能够推迟不那么重要的工作，以支持更关键的更新。

优先级（概念性）：

• `Immediate` (最高): 用于需要即时反馈的事物，如用户输入。
• `UserBlocking` (高): 用于用户正在等待的关键 UI 更新，例如弹窗出现或表单提交确认。
• `Normal` (中): 用于次要更新，例如渲染不在立即可视区域内的项目列表。
• `Low` (低): 用于后台任务，例如获取不直接影响即时用户交互的数据。
• `Offscreen` (最低): 用于当前对用户不可见的组件。

当高优先级更新发生时（例如，用户点击按钮），调度器会立即中断任何可能正在进行的低优先级工作。这确保了 UI 对用户操作的即时响应，这对于拥有不同网络速度和设备能力的多样化用户群体的应用程序至关重要。

3. 并发特性及其影响

React 18 引入了几个利用并发渲染及其帧时间预算管理能力的特性：

• startTransition: 此 API 允许您将某些状态更新标记为 “过渡”。过渡是不紧急的更新，不需要阻塞 UI。这非常适合像过滤大型列表或在页面之间导航这样的操作，在这些操作中，UI 更新的短暂延迟是可以接受的。调度器将优先保持 UI 响应，并在后台渲染过渡更新。
• useDeferredValue: 与 startTransition 类似，useDeferredValue 允许您延迟更新 UI 的一部分。这对于可以延迟而不会对用户体验产生负面影响的昂贵计算或渲染非常有用。例如，如果用户在搜索框中输入，您可以延迟渲染搜索结果，直到用户完成输入或出现短暂暂停。
• 自动批处理： 在 React 的早期版本中，事件处理程序内的多个状态更新会被批处理在一起。但是，来自 Promise、超时或原生事件处理程序的更新则不会。React 18 会自动批处理所有状态更新，无论其来源如何，从而显著减少了重新渲染的次数并提高了性能。这通过减少整体渲染工作，间接地帮助了帧时间预算的管理。

这些特性对于构建全球化应用程序来说是颠覆性的。低带宽地区的用户可以体验到更平滑的导航和交互，因为调度器智能地管理着更新的应用时间和方式。

使用并发渲染优化应用程序的策略

虽然 React 的调度器处理了大部分繁重的工作，但开发者可以也应该采用策略来进一步优化他们的应用程序，并确保它们在全球范围内表现良好。

1. 识别并隔离昂贵的计算

第一步是识别计算成本高昂的组件或操作。像 React 开发者工具分析器这样的工具对于精确定位性能瓶颈非常有价值。

可行见解： 一旦确定，可以考虑使用 React.memo 对组件或使用 useMemo 对值进行记忆化处理。但是，要谨慎使用；过度记忆化也可能引入开销。

2. 恰当利用 startTransition 和 useDeferredValue

这些并发特性是您管理非关键更新的最佳助手。

示例： 考虑一个有多个小部件的仪表板。如果用户在一个小部件内筛选表格，该筛选操作可能计算量很大。与其阻塞整个仪表板，不如将触发筛选的状态更新包裹在 startTransition 中。这确保了用户在表格筛选时仍可以与其他小部件进行交互。

示例（全球化背景）： 一个跨国电子商务网站可能有一个产品列表页面，应用筛选条件可能需要时间。对筛选更新使用 startTransition 可以确保其他 UI 元素，如导航或“添加到购物车”按钮，保持响应，为网速较慢或设备性能较差的用户提供更好的体验。

3. 保持组件小而专注

更小、更专注的组件更容易被调度器管理。当一个组件很小时，其渲染时间通常也较短，使其更容易适应帧预算。

可行见解： 将大型复杂组件分解为更小、可重用的组件。这不仅提高了性能，还增强了代码的可维护性和在您的全球开发团队中的可重用性。

4. 优化数据获取和状态管理

您获取和管理数据的方式会显著影响渲染性能。低效的数据获取可能导致不必要的重新渲染或大量数据被同时处理。

可行见解： 实施高效的数据获取策略，如分页、懒加载和数据规范化。像 React Query 或 Apollo Client 这样的库可以帮助有效管理服务器状态，减轻组件和调度器的负担。

5. 代码分割和懒加载

对于大型应用程序，尤其是那些面向带宽可能受限的全球用户的应用程序，代码分割和懒加载至关重要。这确保用户只下载他们当前视图所需的 JavaScript 代码。

示例： 一个复杂的报告工具可能有许多不同的模块。通过使用 React.lazy 和 Suspense，您可以按需加载这些模块。这减少了初始加载时间，并允许调度器首先专注于渲染应用程序的可见部分。

6. 性能分析与迭代优化

性能优化是一个持续的过程。定期分析您的应用程序，尤其是在引入新功能或进行重大更改后。

可行见解： 在生产构建中（或在模拟生产的环境中）使用 React 开发者工具分析器来识别性能回归。重点是理解渲染过程中时间的消耗点以及调度器如何管理这些任务。

全球化考量与最佳实践

在为全球用户构建应用程序时，帧时间预算管理变得更加关键。用户环境的多样性要求我们采取积极主动的性能优化方法。

1. 网络延迟和带宽

世界不同地区的用户会经历截然不同的网络状况。严重依赖频繁、大量数据传输的应用程序在低带宽地区表现会很差。

最佳实践： 优化数据有效载荷，利用缓存机制，并在适当时考虑离线优先策略。确保昂贵的客户端计算由调度器高效处理，而不是依赖持续的服务器通信。

2. 设备能力

全球使用的设备范围差异巨大，从高端智能手机和台式机到老旧、性能较差的电脑和平板电脑。

最佳实践： 设计时要考虑优雅降级。使用并发特性来确保即使在性能较差的设备上，应用程序仍然可用且响应迅速。除非是必不可少的，并且已经在各种设备上进行了充分的性能测试，否则应避免计算密集型的动画或效果。

3. 国际化 (i18n) 和本地化 (l10n)

虽然与调度器没有直接关系，但应用程序的国际化和本地化过程可能会引入性能考量。大型翻译文件或复杂的格式化逻辑会增加渲染开销。

最佳实践： 优化您的 i18n/l10n 库，并确保任何动态加载的翻译都能被高效处理。如果本地化内容不是立即可见的，调度器可以通过延迟其渲染来提供帮助。

4. 在多样化环境中测试

在模拟真实世界全球条件的环境中测试您的应用程序至关重要。

最佳实践： 使用浏览器开发者工具来模拟不同的网络条件和设备类型。如果可能，与来自不同地理位置和拥有不同硬件配置的个人进行用户测试。

React 渲染的未来

React 的并发渲染之旅仍在不断演进。随着生态系统的成熟和更多开发者接受这些新范式，我们可以期待更多用于管理渲染性能的先进工具和技术。

对帧时间预算管理的强调证明了 React 致力于为世界各地的所有用户提供高质量用户体验的承诺。通过理解和应用并发渲染及其调度机制的原则，开发者可以构建不仅功能丰富，而且性能卓越、响应迅速的应用程序，无论用户的地理位置或设备如何。

结论

React 的并发渲染调度器及其精密的帧时间预算管理，代表了构建高性能 Web 应用程序的重大飞跃。通过分解工作、优先处理更新，并启用像过渡和延迟值这样的特性，React 确保了即便是复杂的渲染操作期间，用户界面也能保持响应。

对于全球用户而言，这项技术不仅仅是一种优化，更是一种必需。它弥合了由不同网络条件、设备能力和用户期望所造成的差距。通过积极利用并发特性，优化数据处理，并通过性能分析和测试持续关注性能，开发者可以创造出真正卓越的用户体验，让全球用户都感到满意。

精通 React 的调度器是释放现代 Web 开发全部潜力的关键。拥抱并发，构建快速、流畅且对每个人都可访问的应用程序。