React 渲染调度：精通帧预算管理以实现卓越性能

在快节奏的 Web 开发世界中，提供流畅且响应迅速的用户体验至关重要。React，一个用于构建用户界面的流行 JavaScript 库，提供了强大的机制来管理渲染更新和优化性能。理解 React 如何调度渲染和管理帧预算，对于构建无论用户设备或地理位置如何都能感觉快捷和响应迅速的应用程序至关重要。本综合指南将深入探讨 React 渲染调度的复杂性，提供掌握帧预算管理和实现最佳性能的实用技术。

理解渲染管线

在深入研究 React 特定的渲染调度机制之前，了解浏览器渲染管线中涉及的基本步骤至关重要：

1. JavaScript 执行：浏览器执行 JavaScript 代码，这可能会修改 DOM（文档对象模型）。
2. 样式计算：浏览器根据 CSS 规则计算应用于 DOM 中每个元素的样式。
3. 布局：浏览器计算布局树中每个元素的位置和大小。
4. 绘制：浏览器根据其计算出的样式和布局，在屏幕上绘制每个元素。
5. 合成：浏览器将绘制的图层合成为最终图像以供显示。

这些步骤中的每一步都需要时间，如果浏览器在任何一个步骤上花费太长时间，帧率就会下降，导致用户体验卡顿或无响应。一个典型的目标是在 16.67 毫秒（ms）内完成所有这些步骤，以实现每秒 60 帧（FPS）的流畅效果。

帧预算管理的重要性

帧预算管理是指确保浏览器能够在每帧的分配时间内（通常为 16.67 毫秒）完成所有必要的渲染任务。当渲染任务超出帧预算时，浏览器将被迫跳过帧，导致视觉上的卡顿和用户体验下降。这在以下情况中尤为关键：

• 复杂的 UI 交互：动画、过渡和用户输入处理会触发频繁的重新渲染，可能会让浏览器不堪重负。
• 数据密集型应用：显示大量数据集或执行复杂计算的应用程序会给渲染管线带来压力。
• 低功耗设备：移动设备和旧款电脑的处理能力有限，使其更容易出现性能瓶颈。
• 网络延迟：缓慢的网络连接会延迟数据获取，导致渲染延迟和响应迟缓的感觉。考虑一下网络基础设施从发达国家到发展中国家差异巨大的情况。为最低共同标准进行优化可确保最广泛的可访问性。

React 的渲染调度：响应能力的关键

React 采用了一种复杂的渲染调度机制来优化性能并防止阻塞主线程。这个被称为 React Fiber 的机制允许 React 将渲染任务分解为更小、可管理的块，并根据其重要性进行优先级排序。

React Fiber 简介

React Fiber 是 React 核心协调算法的实现。它是对先前协调器的完全重写，实现了增量渲染。React Fiber 的主要特性包括：

• 增量渲染：React 可以将渲染工作分解为更小的单元，并在多个帧中执行。
• 优先级排序：React 可以根据更新对用户体验的重要性，对不同类型的更新进行优先级排序。
• 暂停和恢复：React 可以在一帧的中间暂停渲染工作，并在稍后恢复，从而允许浏览器处理其他任务。
• 中止：如果渲染工作不再需要（例如当用户导航到另一个页面时），React 可以中止它。

React Fiber 的工作原理

React Fiber 引入了一种名为“fiber”的新数据结构。每个 fiber 代表一个要执行的工作单元，例如更新组件的 props 或渲染一个新元素。React 维护一个 fiber 树，与组件树相对应。渲染过程包括遍历这个 fiber 树并执行必要的更新。

React 使用调度器来决定何时以及如何执行这些更新。调度器结合使用启发式方法和用户提供的优先级来决定首先处理哪些更新。这使得 React 能够优先处理对用户体验最重要的更新，例如响应用户输入或更新可见元素。

RequestAnimationFrame：浏览器的得力助手

React 利用 requestAnimationFrame API 与浏览器的渲染管线进行协调。requestAnimationFrame 允许 React 安排在浏览器的空闲时间内执行渲染工作，确保更新与屏幕刷新率同步。

通过使用 requestAnimationFrame，React 可以避免阻塞主线程并防止动画卡顿。浏览器保证传递给 requestAnimationFrame 的回调将在下一次重绘之前执行，从而使 React 能够平滑高效地执行更新。

优化 React 渲染调度的技巧

虽然 React 的渲染调度机制功能强大，但了解如何有效利用它来优化性能至关重要。以下是一些管理帧预算和提高 React 应用程序响应能力的实用技巧：

1. 最小化不必要的重新渲染

React 应用程序中性能瓶颈最常见的原因之一是不必要的重新渲染。当一个组件重新渲染时，React 需要将其虚拟 DOM 与实际 DOM 进行协调，这可能是一个计算成本很高的操作。

为了最小化不必要的重新渲染，请考虑以下策略：

• 使用 React.memo：用 React.memo 包装函数式组件以记忆化渲染输出。如果组件的 props 没有改变（默认使用浅比较），React.memo 将阻止其重新渲染。
• 实现 shouldComponentUpdate（对于类组件）：在类组件中，实现 shouldComponentUpdate 生命周期方法，根据 prop 和 state 的变化有条件地阻止重新渲染。
• 使用不可变数据结构：不可变数据结构确保对数据的更改会创建新对象，而不是修改现有对象。这使得 React 能够轻松检测到变化并避免不必要的重新渲染。像 Immutable.js 或 Immer 这样的库可以帮助你在 JavaScript 中使用不可变数据。
• 避免在 Render 方法中使用内联函数：在 render 方法内部创建新函数会导致不必要的重新渲染，因为函数实例在每次渲染时都会改变。使用 useCallback 来记忆化函数实例。
• 优化 Context Provider：Context Provider 中值的变化会触发所有消费组件的重新渲染。请仔细设计你的 Context Provider 以避免不必要的更新。考虑将大型 context 分解为更小、更具体的 context。

示例：使用 React.memo

            import React from 'react';

const MyComponent = React.memo(function MyComponent(props) {
  return (
    <div>
      <p>{props.name}</p>
    </div>
  );
});

export default MyComponent;

            

              
                Copy
              
            
          

2. 对事件处理程序进行防抖和节流

快速触发的事件处理程序，例如滚动事件或输入变化，可能会导致频繁的重新渲染并影响性能。防抖（Debouncing）和节流（throttling）是限制这些事件处理程序执行频率的技术。

• 防抖 (Debouncing)：防抖会延迟函数的执行，直到自上次调用以来经过了一定的时间。这对于只需要在一系列事件停止后执行一次函数的场景很有用，例如当用户在搜索框中输完字时。
• 节流 (Throttling)：节流限制了函数可以执行的频率。这对于需要以固定间隔执行函数的场景很有用，例如在处理滚动事件时。

像 Lodash 或 Underscore 这样的库为事件处理程序提供了防抖和节流的实用函数。

示例：对输入处理程序进行防抖

            import React, { useState, useCallback } from 'react';
import debounce from 'lodash.debounce';

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

  const handleInputChange = useCallback(debounce((event) => {
    setSearchTerm(event.target.value);
    // Perform search based on searchTerm
    console.log('Searching for:', event.target.value);
  }, 300), []);

  return (
    <input type="text" onChange={handleInputChange} />
  );
}

export default MyComponent;

            

              
                Copy
              
            
          

3. 虚拟化长列表

渲染长列表项可能是一个严重的性能瓶颈，尤其是在移动设备上。虚拟化是一种只渲染当前屏幕上可见项的技术，并在用户滚动时回收 DOM 节点。这可以显著减少浏览器需要执行的工作量，从而提高滚动性能并减少内存使用。

像 react-window 或 react-virtualized 这样的库提供了用于在 React 中虚拟化长列表的组件。

示例：使用 react-window

            import React from 'react';
import { FixedSizeList } from 'react-window';

const Row = ({ index, style }) => (
  <div style={style}>
    Row {index}
  </div>
);

function MyComponent() {
  return (
    <FixedSizeList
      height={400}
      width={300}
      itemSize={35}
      itemCount={1000}
    >
      {Row}
    </FixedSizeList>
  );
}

export default MyComponent;

            

              
                Copy
              
            
          

4. 代码分割和懒加载

代码分割是将您的应用程序划分为可以按需加载的更小包的技术。这可以减少应用程序的初始加载时间并提高其感知性能。

懒加载是一种特殊的代码分割，它仅在需要时才加载组件。这可以使用 React 的 React.lazy 和 Suspense 组件来实现。

示例：懒加载一个组件

            import React, { Suspense } from 'react';

const MyComponent = React.lazy(() => import('./MyComponent'));

function App() {
  return (
    <Suspense fallback={<div>Loading...</div>}>
      <MyComponent />
    </Suspense>
  );
}

export default App;

            

              
                Copy
              
            
          

5. 优化图片和其他资源

大图片和其他资源会显著影响应用程序的加载时间和渲染性能。通过以下方式优化您的图片：

• 压缩图片：使用图片压缩工具在不牺牲质量的情况下减小图片的文件大小。
• 使用合适的图片格式：为每张图片选择合适的格式。例如，照片使用 JPEG，带透明度的图形使用 PNG。WebP 格式相比 JPEG 和 PNG 提供了更优的压缩和质量，并被大多数现代浏览器支持。
• 使用响应式图片：根据用户的屏幕尺寸和设备像素比提供不同大小的图片。可以使用 <picture> 元素和 <img> 元素上的 srcset 属性来实现响应式图片。
• 懒加载图片：仅在图片在屏幕上可见时才加载它们。这可以改善应用程序的初始加载时间。

6. 使用 Web Workers 处理繁重计算

如果您的应用程序执行计算密集型任务，例如复杂的计算或数据处理，请考虑将这些任务卸载到 Web Worker。Web Worker 在与主线程不同的线程中运行，防止它们阻塞 UI 并提高响应能力。像 Comlink 这样的库可以简化主线程和 Web Worker 之间的通信。

7. 性能分析和监控

性能分析和监控对于识别和解决 React 应用程序中的性能瓶颈至关重要。使用 React Profiler（在 React 开发者工具中可用）来测量组件的性能并确定优化的领域。真实用户监控（RUM）工具可以提供有关您应用程序在真实世界条件下性能的宝贵见解。这些工具可以捕获诸如页面加载时间、首字节时间（TTFB）和错误率等指标，从而提供对用户体验的全面视图。

React 并发模式：渲染调度的未来

React 并发模式是一套实验性功能，为构建响应迅速且高性能的 React 应用程序开启了新的可能性。并发模式允许 React 中断、暂停和恢复渲染工作，从而实现对渲染管线更精细的控制。

并发模式的主要特性包括：

• 用于数据获取的 Suspense：Suspense 允许您声明式地指定在获取数据时如何处理加载状态。React 会自动暂停渲染直到数据可用，从而提供更流畅的用户体验。
• Transitions：Transitions 允许您将某些更新标记为低优先级，从而让 React 优先处理更重要的更新，例如用户输入。这可以防止动画卡顿并提高响应能力。
• 选择性水合 (Selective Hydration)：选择性水合允许您只水合应用程序的可见部分，从而改善初始加载时间和可交互时间。

虽然并发模式仍处于实验阶段，但它代表了 React 渲染调度的未来，并为构建高性能应用程序提供了令人兴奋的可能性。

结论

掌握 React 渲染调度和帧预算管理对于构建能够提供卓越用户体验的高性能、响应迅速的应用程序至关重要。通过理解渲染管线、利用 React 的渲染调度机制，并应用本指南中概述的优化技术，您可以构建即使在低功耗设备和具有挑战性的网络条件下也能感觉快捷和响应迅速的 React 应用程序。请记住，性能优化是一个持续的过程。定期分析您的应用程序，监控其在真实世界条件下的性能，并根据需要调整您的策略，以确保为您的全球用户提供持续卓越的用户体验。

持续监控性能指标并根据用户群体的具体需求（无论其地理位置或设备如何）调整您的方法，是取得长期成功的关键。拥抱全球视野，您的 React 应用程序将在多样化的数字世界中茁壮成长。