React 并发渲染：利用 Fiber 架构和工作循环分析释放性能

React 作为前端开发中的主导力量，不断演进以满足日益复杂和交互式用户界面的需求。这种演进中最重大的进展之一是随 React 16 引入的并发渲染（Concurrent Rendering）。这一范式转变从根本上改变了 React 管理更新和渲染组件的方式，释放了显著的性能提升，并带来了更灵敏的用户体验。本文将深入探讨并发渲染的核心概念，探索 Fiber 架构和工作循环，并提供关于这些机制如何有助于构建更流畅、更高效的 React 应用程序的见解。

理解并发渲染的必要性

在并发渲染之前，React 以同步方式运行。当发生更新（例如，状态改变、prop 更新）时，React 会在一个单一、不间断的操作中开始渲染整个组件树。这种同步渲染可能导致性能瓶颈，特别是在处理大型组件树或计算密集型操作时。在这些渲染期间，浏览器会变得无响应，导致卡顿和令人沮丧的用户体验。这通常被称为“阻塞主线程”。

想象一个用户在文本字段中输入内容的场景。如果负责显示输入文本的组件是大型复杂组件树的一部分，每次击键都可能触发阻塞主线程的重新渲染。这将导致明显的延迟和糟糕的用户体验。

并发渲染通过允许 React 将渲染任务分解为更小、更易于管理的单元来解决这个问题。这些单元可以根据需要进行优先级排序、暂停和恢复，从而允许 React 将渲染任务与其他浏览器操作（例如处理用户输入或网络请求）交错执行。这种方法可以防止主线程长时间被阻塞，从而带来更灵敏、更流畅的用户体验。可以将其视为 React 渲染过程的多任务处理。

引入 Fiber 架构

并发渲染的核心是 Fiber 架构。Fiber 代表了 React 内部协调算法的完全重新实现。与之前同步的协调过程不同，Fiber 引入了一种更复杂、更精细的方法来管理更新和渲染组件。

什么是 Fiber？

从概念上讲，Fiber 可以理解为组件实例的虚拟表示。您的 React 应用程序中的每个组件都与一个相应的 Fiber 节点相关联。这些 Fiber 节点形成一个镜像组件树的树形结构。每个 Fiber 节点都包含有关组件、其 props、其子组件及其当前状态的信息。至关重要的是，它还包含需要为该组件完成的工作信息。

Fiber 节点的主要属性包括：

• type: 组件类型（例如，div, MyComponent）。
• key: 分配给组件的唯一键（用于高效协调）。
• props: 传递给组件的 props。
• child: 指向表示组件第一个子组件的 Fiber 节点的指针。
• sibling: 指向表示组件下一个兄弟组件的 Fiber 节点的指针。
• return: 指向表示组件父组件的 Fiber 节点的指针。
• stateNode: 对实际组件实例的引用（例如，宿主组件的 DOM 节点，类组件实例）。
• alternate: 指向表示组件先前版本的 Fiber 节点的指针。
• effectTag: 指示组件所需更新类型的标志（例如，放置、更新、删除）。

Fiber 树

Fiber 树是一个持久性数据结构，表示应用程序 UI 的当前状态。当发生更新时，React 会在后台创建一个新的 Fiber 树，代表更新后 UI 的期望状态。这个新树被称为“工作进行中”树。一旦工作进行中树完成，React 就会将其与当前树交换，使更改对用户可见。

这种双树方法允许 React 以非阻塞方式执行渲染更新。当前树对用户保持可见，而工作进行中树在后台构建。这可以防止 UI 在更新期间冻结或变得无响应。

Fiber 架构的优势

• 可中断渲染：Fiber 使 React 能够暂停和恢复渲染任务，从而优先处理用户交互并防止主线程被阻塞。
• 增量渲染：Fiber 允许 React 将渲染更新分解为更小的单元，这些单元可以随着时间的推移增量处理。
• 优先级处理：Fiber 允许 React 优先处理不同类型的更新，确保关键更新（例如用户输入）在不那么重要的更新（例如后台数据获取）之前处理。
• 改进的错误处理：Fiber 使渲染期间的错误处理变得更容易，因为它允许 React 在发生错误时回滚到之前的稳定状态。

工作循环：Fiber 如何实现并发

工作循环是驱动并发渲染的引擎。它是一个递归函数，遍历 Fiber 树，对每个 Fiber 节点执行工作并增量更新 UI。工作循环负责以下任务：

• 选择下一个要处理的 Fiber。
• 对 Fiber 执行工作（例如，计算新状态、比较 props、渲染组件）。
• 用工作结果更新 Fiber 树。
• 安排更多工作待完成。

工作循环的阶段

1. 渲染阶段（也称为协调阶段）：此阶段负责构建工作进行中的 Fiber 树。在此阶段，React 遍历 Fiber 树，将当前树与期望状态进行比较，并确定需要进行哪些更改。此阶段是异步且可中断的。它确定了 DOM 中需要更改的内容。
2. 提交阶段：此阶段负责将更改应用到实际的 DOM。在此阶段，React 更新 DOM 节点，添加新节点，并删除旧节点。此阶段是同步且不可中断的。它实际改变了 DOM。

工作循环如何实现并发

并发渲染的关键在于渲染阶段是异步且可中断的。这意味着 React 可以随时暂停渲染阶段，以允许浏览器处理其他任务，例如用户输入或网络请求。当浏览器空闲时，React 可以从上次中断的地方恢复渲染阶段。

这种暂停和恢复渲染阶段的能力允许 React 将渲染任务与其他浏览器操作交错执行，从而防止主线程被阻塞并确保更灵敏的用户体验。另一方面，提交阶段必须是同步的，以确保 UI 的一致性。然而，提交阶段通常比渲染阶段快得多，因此它通常不会导致性能瓶颈。

工作循环中的优先级处理

React 使用基于优先级的调度算法来确定首先处理哪个 Fiber 节点。该算法根据每个更新的重要性为其分配一个优先级。例如，由用户输入触发的更新通常比由后台数据获取触发的更新具有更高的优先级。

工作循环始终首先处理优先级最高的 Fiber 节点。这确保了关键更新能够快速处理，从而提供灵敏的用户体验。不那么重要的更新在浏览器空闲时在后台处理。

这种优先级系统对于在具有大量并发更新的复杂应用程序中保持流畅的用户体验至关重要。考虑一个场景：用户正在搜索栏中输入内容，同时应用程序正在获取并显示建议的搜索词列表。与用户输入相关的更新应优先处理，以确保文本字段保持响应，而与建议搜索词相关的更新可以在后台处理。

并发渲染的实际应用示例

让我们看几个并发渲染如何改善 React 应用程序性能和用户体验的实际示例。

1. 用户输入防抖

考虑一个搜索栏，它在用户输入时显示搜索结果。如果没有并发渲染，每次击键都可能触发整个搜索结果列表的重新渲染，从而导致性能问题和卡顿的用户体验。

通过并发渲染，我们可以使用防抖（debouncing）来延迟搜索结果的渲染，直到用户停止输入一小段时间。这允许 React 优先处理用户输入并防止 UI 变得无响应。

这是一个简化示例：

import React, { useState, useCallback } from 'react';

function SearchBar() {
 const [searchTerm, setSearchTerm] = useState('');

 const debouncedSearch = useCallback(
 debounce((value) => {
 // Perform search logic here
 console.log('Searching for:', value);
 }, 300),
 []
 );

 const handleChange = (event) => {
 const value = event.target.value;
 setSearchTerm(value);
 debouncedSearch(value);
 };

 return (
 
 );
}

// Debounce function
function debounce(func, delay) {
 let timeout;
 return function(...args) {
 const context = this;
 clearTimeout(timeout);
 timeout = setTimeout(() => func.apply(context, args), delay);
 };
}

export default SearchBar;

在此示例中，debounce 函数将搜索逻辑的执行延迟到用户停止输入 300 毫秒后。这确保了搜索结果仅在必要时才渲染，从而提高了应用程序的性能。

2. 图片懒加载

加载大型图片会显著影响网页的初始加载时间。通过并发渲染，我们可以使用懒加载（lazy loading）来延迟图片的加载，直到它们在视口中可见。

这项技术可以显著提高应用程序的感知性能，因为用户无需等待所有图片加载完毕即可开始与页面交互。

这是一个使用 react-lazyload 库的简化示例：

import React from 'react';
import LazyLoad from 'react-lazyload';

function ImageComponent({ src, alt }) {
 return (
 Loading...
}>
 
 
 );
}

export default ImageComponent;

在此示例中，LazyLoad 组件将图片的加载延迟到它在视口中可见时。placeholder prop 允许我们在图片加载时显示一个加载指示器。

3. 使用 Suspense 进行数据获取

React Suspense 允许您在等待数据加载时“暂停”组件的渲染。这对于数据获取场景特别有用，在这种场景中，您希望在等待来自 API 的数据时显示加载指示器。

Suspense 与并发渲染无缝集成，允许 React 优先加载数据并防止 UI 变得无响应。

这是一个简化示例：

import React, { Suspense } from 'react';

// A fake data fetching function that returns a Promise
const fetchData = () => {
 return new Promise(resolve => {
 setTimeout(() => {
 resolve({ data: 'Data loaded!' });
 }, 2000);
 });
};

// A React component that uses Suspense
function MyComponent() {
 const resource = fetchData();
 return (
 Loading...