React Fiber：面向全球卓越UI的和解算法深度解析

在Web开发的动态世界中，用户对无缝、响应迅速的界面的期望日益提高，理解驱动我们应用程序的基础技术至关重要。React，一个用于构建用户界面的领先JavaScript库，通过引入React Fiber经历了重大的架构改革。这不仅仅是一个内部重构；这是一个革命性的飞跃，从根本上改变了React如何协调变更，为并发模式和Suspense等强大的新功能铺平了道路。

本综合指南深入探讨React Fiber，揭开其和解算法的神秘面纱。我们将探讨为什么Fiber是必要的，它在底层如何工作，它对性能和用户体验的深远影响，以及它对为全球受众构建应用程序的开发人员意味着什么。

React 的演进：为什么 Fiber 变得至关重要

在 Fiber 之前，React 的和解过程（即它如何更新 DOM 以反映应用程序状态的变化）在很大程度上是同步的。它遍历组件树，计算差异，并在一次不间断的传递中应用更新。虽然这种方法对于较小的应用程序来说是有效的，但随着应用程序在复杂性和交互需求方面的增长，这种方法存在重大局限性：

• 阻塞主线程： 大型或复杂的更新会阻塞浏览器的主线程，导致 UI 卡顿、丢帧和用户体验迟缓。想象一下一个全球电子商务平台处理复杂的筛选操作，或者一个协作文档编辑器跨大陆同步实时更改；冻结的 UI 是不可接受的。
• 缺乏优先级排序： 所有更新都被同等对待。一个关键的用户输入（比如在搜索栏中输入）可能会因为一个不太紧急的后台数据提取（显示通知）而被延迟，导致用户感到沮丧。
• 有限的可中断性： 一旦一个更新开始，它就不能被暂停或恢复。这使得实现诸如时间分片或优先处理紧急任务等高级功能变得困难。
• 异步 UI 模式的困难： 优雅地处理数据获取和加载状态需要复杂的回避方法，通常会导致瀑布或不太理想的用户流程。

React 团队意识到了这些局限性，并开展了一个多年的项目来重建核心协调器。其结果是 Fiber，一种从头开始设计的架构，旨在支持增量渲染、并发以及对渲染过程的更好控制。

理解核心概念：什么是 Fiber？

从本质上讲，React Fiber 是对 React 核心和解算法的完全重写。它的主要创新是能够暂停、中止和恢复渲染工作。为了实现这一点，Fiber 引入了组件树的一种新的内部表示形式，以及一种新的处理更新的方式。

Fibers 作为工作单元

在 Fiber 架构中，每个 React 元素（组件、DOM 节点等）都对应于一个 Fiber。Fiber 是一个纯 JavaScript 对象，表示一个工作单元。可以把它想象成一个虚拟堆栈帧，但它不是由浏览器的调用堆栈管理的，而是由 React 自己管理的。每个 Fiber 存储关于组件的信息、它的状态、props，以及它与其他 Fiber 的关系（父、子、兄弟）。

当 React 需要执行更新时，它会创建一个新的 Fiber 树，称为“正在进行的工作”树。然后，它将这个新树与现有的“当前”树进行协调，识别需要应用于实际 DOM 的更改。整个过程被分解成小的、可中断的工作块。

新的数据结构：链表

至关重要的是，Fibers 以树状结构链接在一起，但在内部，它们类似于单链表，以便在协调期间进行高效的遍历。每个 Fiber 节点都有指针：

• child：指向第一个子 Fiber。
• sibling：指向下一个兄弟 Fiber。
• return：指向父 Fiber（“返回” Fiber）。

这种链表结构允许 React 深度优先地遍历树，然后展开，轻松地在任何点暂停和恢复。这种灵活性是 Fiber 并发能力的关键。

Fiber 和解的两个阶段

Fiber 将和解过程分解为两个不同的阶段，允许 React 异步执行工作并优先处理任务：

阶段 1：渲染/和解阶段（正在进行的工作树）

这个阶段也被称为“工作循环”或“渲染阶段”。这是 React 遍历 Fiber 树、执行差异算法（识别更改）并构建一个新的 Fiber 树（正在进行的工作树）的阶段，该树表示 UI 的即将到来的状态。这个阶段是可中断的。

这个阶段的关键操作包括：

• 更新 Props 和 State： React 处理每个组件的新 props 和 state，调用生命周期方法（如 getDerivedStateFromProps）或函数组件主体。
• 差异 Children： 对于每个组件，React 将其当前的 children 与新的 children（来自渲染）进行比较，以确定需要添加、删除或更新的内容。这就是臭名昭著的“key”prop 对于高效列表协调至关重要的地方。
• 标记副作用： Fiber 不是立即执行实际的 DOM 突变或调用 `componentDidMount`/`Update`，而是用“副作用”（例如，`Placement`、`Update`、`Deletion`）标记 Fiber 节点。这些效果被收集到一个单链表中，称为“效果列表”或“更新队列”。这个列表是一种轻量级的方式来存储所有必要的 DOM 操作和生命周期调用，这些操作需要在渲染阶段完成后发生。

在这个阶段，React 不会 接触实际的 DOM。它构建一个 将要 更新的表示。这种分离对于并发至关重要。如果一个更高优先级的更新进来，React 可以丢弃部分构建的正在进行的工作树，并从更紧急的任务开始，而不会在屏幕上造成可见的不一致。

阶段 2：提交阶段（应用更改）

一旦渲染阶段成功完成，并且给定更新的所有工作都已处理（或其中的一部分），React 就会进入提交阶段。这个阶段是同步且不间断的。在这个阶段，React 从正在进行的工作树中获取累积的副作用，并将它们应用于实际的 DOM 并调用相关的生命周期方法。

这个阶段的关键操作包括：

• DOM 突变： React 基于在前一个阶段标记的 `Placement`、`Update` 和 `Deletion` 效果执行所有必要的 DOM 操作（添加、删除、更新元素）。
• 生命周期方法 & Hooks： 这是调用诸如 `componentDidMount`、`componentDidUpdate`、`componentWillUnmount`（用于删除）和 `useLayoutEffect` 回调等方法的时候。重要的是，`useEffect` 回调被安排在浏览器绘制 之后 运行，提供了一种非阻塞的方式来执行副作用。

因为提交阶段是同步的，所以它必须快速完成以避免阻塞主线程。这就是为什么 Fiber 在渲染阶段预先计算所有更改，允许提交阶段成为这些更改的快速、直接应用。

React Fiber 的关键创新

两阶段方法和 Fiber 数据结构释放了大量的新功能：

并发和中断（时间分片）

Fiber 最重要的成就是实现并发。Fiber 可以将渲染工作分解成更小的时间单位（时间片），而不是将更新作为一个整体来处理。然后，它可以检查是否有任何更高优先级的工作可用。如果是这样，它可以暂停当前较低优先级的工作，切换到紧急任务，然后在以后恢复暂停的工作，或者如果它不再相关，甚至可以完全丢弃它。

这是使用浏览器 API（如 `requestIdleCallback`（用于低优先级后台工作，尽管 React 经常使用基于 `MessageChannel` 的自定义调度器，以便在各种环境中进行更可靠的调度））来实现的，当主线程空闲时，这允许 React 将控制权交还给浏览器。这种合作式多任务处理确保了紧急的用户交互（如动画或输入处理）始终优先处理，即使在功能较弱的设备上或在高负载下，也会导致感觉更流畅的用户体验。

优先级排序和调度

Fiber 引入了一个强大的优先级排序系统。不同类型的更新可以被分配不同的优先级：

• 立即/同步： 必须立即发生的关键更新（例如，事件处理程序）。
• 用户阻塞： 阻塞用户输入的更新（例如，文本输入）。
• 普通： 标准渲染更新。
• 低： 可以延迟的不太关键的更新。
• 空闲： 后台任务。

React 的内部 Scheduler 包管理这些优先级，决定接下来执行哪个工作。对于为具有不同网络条件和设备能力的用户提供服务的全球应用程序，这种智能的优先级排序对于保持响应性至关重要。

错误边界

Fiber 中断和恢复渲染的能力也实现了一种更强大的错误处理机制：错误边界。React 错误边界是一个组件，它可以捕获其子组件树中任何地方的 JavaScript 错误，记录这些错误，并显示一个回退 UI 而不是崩溃整个应用程序。这极大地提高了应用程序的弹性，防止单个组件错误扰乱不同设备和浏览器上的整个用户体验。

Suspense 和异步 UI

构建在 Fiber 的并发能力之上的最令人兴奋的功能之一是 Suspense。Suspense 允许组件在渲染之前“等待”某些东西 —— 通常是数据获取、代码拆分或图像加载。当一个组件正在等待时，Suspense 可以显示一个回退加载 UI（例如，一个旋转器）。一旦数据或代码准备就绪，组件就会渲染。这种声明式方法大大简化了异步 UI 模式，并有助于消除可能降低用户体验的“加载瀑布”，特别是对于速度较慢的网络上的用户。

例如，想象一个全球新闻门户网站。通过 Suspense，一个 `NewsFeed` 组件可以暂停直到其文章被获取，显示一个骨架加载器。一个 `AdBanner` 组件可以暂停直到其广告内容被加载，显示一个占位符。这些可以独立加载，用户获得一个渐进的、不那么刺耳的体验。

对开发人员的实际影响和好处

理解 Fiber 的架构为优化 React 应用程序和充分利用其潜力提供了宝贵的见解：

• 更流畅的用户体验： 最直接的好处是更流畅和响应迅速的 UI。无论他们的设备或互联网速度如何，用户都将体验更少的冻结和卡顿，从而提高满意度。
• 增强的性能： 通过智能地优先处理和调度工作，Fiber 确保关键更新（如动画或用户输入）不会被不太紧急的任务阻塞，从而提高感知性能。
• 简化的异步逻辑： 诸如 Suspense 之类的功能极大地简化了开发人员管理加载状态和异步数据的方式，从而使代码更清晰、更易于维护。
• 强大的错误处理： 错误边界使应用程序更具弹性，防止灾难性故障并提供优雅的降级体验。
• 面向未来： Fiber 是未来 React 功能和优化的基础，确保今天构建的应用程序可以轻松地采用新功能，因为生态系统在不断发展。

深入了解和解算法的核心逻辑

让我们简要地谈谈 React 在渲染阶段如何识别 Fiber 树中的更改的核心逻辑。

差异算法和启发式方法（`key` Prop 的作用）

当比较当前的 Fiber 树与新的正在进行的工作树时，React 使用一组启发式方法来进行其差异算法：

1. 不同的元素类型： 如果一个元素的 `type` 发生变化（例如，一个 `<div>` 变成一个 `<p>`），React 会拆除旧的组件/元素，并从头开始构建新的组件/元素。这意味着销毁旧的 DOM 节点及其所有子节点。
2. 相同的元素类型： 如果 `type` 相同，React 会查看 props。它只更新现有 DOM 节点上已更改的 props。这是一个非常高效的操作。
3. 协调子列表（`key` prop）： 这是 `key` prop 变得不可或缺的地方。当协调子列表时，React 使用 `keys` 来识别哪些项目已更改、已添加或已删除。如果没有 `keys`，React 可能会低效地重新渲染或重新排序现有元素，导致性能问题或列表中的状态错误。一个唯一、稳定的 `key`（例如，数据库 ID，而不是数组索引）允许 React 将旧列表中的元素精确地匹配到新列表，从而实现高效的更新。

Fiber 的设计允许这些差异操作以增量方式执行，并在需要时暂停，这在使用旧的 Stack 协调器时是不可能的。

Fiber 如何处理不同类型的更新

任何触发 React 中重新渲染的更改（例如，`setState`、`forceUpdate`、`useState` 更新、`useReducer` dispatch）都会启动一个新的和解过程。当发生更新时，React：

1. 调度工作： 更新被添加到具有特定优先级的队列中。
2. 开始工作： 调度器根据其优先级和可用的时间片决定何时开始处理更新。
3. 遍历 Fibers： React 从根 Fiber（或更新组件的最近公共祖先）开始并向下遍历。
4. `beginWork` 函数： 对于每个 Fiber，React 调用 `beginWork` 函数。此函数负责创建子 Fibers，协调现有子项，并可能返回一个指向要处理的下一个子项的指针。
5. `completeWork` 函数： 一旦一个 Fiber 的所有子项都已被处理，React 通过调用 `completeWork` 来“完成”该 Fiber 的工作。这是标记副作用的地方（例如，需要 DOM 更新，需要调用生命周期方法）。此函数从最深的子节点向上冒泡回到根节点。
6. 效果列表创建： 当 `completeWork` 运行时，它会构建“效果列表”——一个包含所有具有需要在提交阶段应用的效果的 Fibers 的列表。
7. 提交： 一旦根 Fiber 的 `completeWork` 完成，整个效果列表就会被遍历，并且会进行实际的 DOM 操作和最终的生命周期/效果调用。

这种系统的、两阶段的方法，以可中断性为核心，确保 React 可以优雅地管理复杂的 UI 更新，即使是在高度交互和数据密集的全球应用程序中。

考虑到 Fiber 的性能优化

虽然 Fiber 显着提高了 React 的固有性能，但开发人员仍然在优化他们的应用程序中发挥着至关重要的作用。理解 Fiber 的工作原理可以实现更明智的优化策略：

• 记忆化（`React.memo`、`useMemo`、`useCallback`）： 这些工具通过记忆化它们的输出来防止组件的不必要重新渲染或值的重新计算。Fiber 的渲染阶段仍然涉及遍历组件，即使它们没有改变。记忆化有助于跳过此阶段中的工作。这对于服务于全球用户群的大型、数据驱动的应用程序尤其重要，在这些应用程序中，性能至关重要。
• 代码拆分（`React.lazy`、`Suspense`）： 利用 Suspense 进行代码拆分可确保用户仅在任何给定时刻下载他们需要的 JavaScript 代码。这对于改善初始加载时间至关重要，特别是对于新兴市场中互联网连接速度较慢的用户。
• 虚拟化： 为了显示大型列表或表格（例如，具有数千行的财务仪表板或全球联系人列表），虚拟化库（如 `react-window` 或 `react-virtualized`）仅渲染视口中可见的项目。即使底层数据集很大，这也会显着减少 React 需要处理的 Fibers 数量。
• 使用 React DevTools 进行分析： React DevTools 提供了强大的分析功能，允许您可视化 Fiber 和解过程。您可以看到哪些组件正在渲染、每个阶段需要多长时间，并识别性能瓶颈。这是调试和优化复杂 UI 的不可或缺的工具。
• 避免不必要的 Prop 更改： 如果它们的内容在语义上没有改变，请注意在每次渲染时传递新的对象或数组字面量作为 props。即使使用 `React.memo`，这也会触发子组件中不必要的重新渲染，因为新的引用被视为更改。

展望未来：React 和并发功能的未来

Fiber 不仅仅是一个过去的成就；它是 React 未来的基石。React 团队继续在此架构的基础上构建强大的新功能，进一步推动 Web UI 开发中可能实现的界限：

• React 服务器组件 (RSC)： 虽然 RSC 不直接属于 Fiber 的客户端和解，但 RSC 利用组件模型在服务器上渲染组件并将它们流式传输到客户端。这可以显着改善初始页面加载时间并减少客户端 JavaScript 捆绑包，尤其是有利于全球应用程序，在这些应用程序中，网络延迟和捆绑包大小可能差异很大。
• 离屏 API： 这个即将到来的 API 允许 React 在不影响可见 UI 性能的情况下离屏渲染组件。它适用于诸如选项卡式界面之类的场景，您希望保持不活动的选项卡已渲染（并且可能已预渲染）但不在视觉上处于活动状态，从而确保用户切换选项卡时的即时过渡。
• 增强的 Suspense 模式： 围绕 Suspense 的生态系统在不断发展，为管理加载状态、过渡和并发渲染提供了更复杂的方式，从而实现了更复杂的 UI 场景。

这些创新都扎根于 Fiber 架构，旨在使构建高性能、丰富的用户体验比以往任何时候都更容易和更高效，并适应全球不同的用户环境。

结论：掌握现代 React

React Fiber 代表了一项巨大的工程努力，它将 React 从一个强大的库转变为一个灵活的、面向未来的平台，用于构建现代 UI。通过将渲染工作与提交阶段分离并引入可中断性，Fiber 为并发功能的新时代奠定了基础，从而实现了更流畅、响应更迅速、更具弹性的 Web 应用程序。

对于开发人员来说，对 Fiber 的深入理解不仅仅是一个学术练习；它是一个战略优势。它使您能够编写性能更高的代码，有效地诊断问题，并利用尖端功能在全球范围内提供无与伦比的用户体验。当您继续构建和优化您的 React 应用程序时，请记住，在它们的核心，正是 Fibers 的复杂舞蹈才使魔术发生，使您的 UI 能够迅速而优雅地做出响应，无论您的用户位于何处。