React 的性能秘诀：深度解析 Reconciliation 算法与虚拟 DOM Diffing

` 可能会像这样表示：

{ type: 'div', props: { className: 'container', children: 'Hello World' } }

因为这些只是 JavaScript 对象，创建和操作它们的速度非常快。这不涉及任何浏览器 API 的交互，所以没有重排或重绘。

虚拟 DOM 是如何工作的？

虚拟 DOM 使得声明式的 UI 开发方式成为可能。您无需告诉浏览器如何一步步地改变 DOM（命令式），而只需声明在特定状态下 UI 应该是什么样子（声明式）。剩下的工作由 React 处理。

这个过程如下：

1. 初始渲染： 当您的应用首次加载时，React 会为您的 UI 创建一个完整的虚拟 DOM 树，并用它来生成初始的真实 DOM。
2. 状态更新： 当应用的状态发生变化时（例如，用户点击了一个按钮），React 会创建一个反映新状态的新虚拟 DOM 树。
3. 差异对比 (Diffing)： 现在 React 内存中有两棵虚拟 DOM 树：旧树（状态变更前）和新树。然后，它会运行其“diffing”算法来比较这两棵树，并找出确切的差异。
4. 批量处理与更新： React 计算出将真实 DOM 更新以匹配新虚拟 DOM 所需的最高效、最少的操作集合。这些操作会被批量处理，并通过一个优化的序列一次性应用到真实 DOM 上。

通过批量更新，React 最大限度地减少了与缓慢的 DOM 的直接交互，从而显著提高了性能。这种效率的核心在于“差异对比”步骤，也就是我们所说的 Reconciliation 算法。

React 的核心：Reconciliation 协调算法

Reconciliation 是 React 用来更新 DOM 以匹配最新组件树的过程。执行这种比较的算法就是我们所说的“diffing 算法”。

理论上，找到将一棵树转换为另一棵树所需的最小转换次数是一个非常复杂的问题，其算法复杂度约为 O(n³)，其中 n 是树中节点的数量。这对于实际应用来说太慢了。为了解决这个问题，React 团队对 Web 应用的典型行为做出了一些精辟的观察，并实现了一种速度快得多的启发式算法——其时间复杂度为 O(n)。

启发式策略：让 Diffing 快速且可预测

React 的 diffing 算法建立在两个主要假设或启发式策略之上：

启发式策略 1：不同类型的元素会产生不同的树

这是第一条也是最直接的规则。在比较两个 VDOM 节点时，React 首先检查它们的类型。如果根元素的类型不同，React 会假设开发者不希望尝试将一个转换为另一个。相反，它会采取一种更激进但可预测的方法：

• 它会拆除整个旧树，卸载所有旧组件并销毁它们的状态。
• 然后，它会根据新的元素类型从头开始构建一个全新的树。

例如，看下这个变更：

之前： <div><Counter /></div>
之后： <span><Counter /></span>

尽管子组件 `Counter` 是相同的，但 React 看到根元素从 `div` 变成了 `span`。它会完全卸载旧的 `div` 及其中的 `Counter` 实例（导致其状态丢失），然后挂载一个新的 `span` 和一个全新的 `Counter` 实例。

核心要点：如果你想保留一个组件子树的状态或避免其完全重新渲染，请不要改变该子树的根元素类型。

启发式策略 2：开发者可以通过 `key` 属性来标识稳定的元素

这可以说是开发者需要正确理解和应用的最关键的启发式策略。当 React 比较一个子元素列表时，其默认行为是同时遍历新旧两个列表，并在发现差异的地方生成一个变更。

基于索引的 Diffing 的问题

让我们想象一个项目列表，我们现在要在列表的开头添加一个新项目，并且没有使用 key。

初始列表：

• 项目 B
• 项目 C

更新后的列表（在开头添加 '项目 A'）：

• 项目 A
• 项目 B
• 项目 C

在没有 key 的情况下，React 会执行一个简单的、基于索引的比较：

1. 它比较索引 0 上的旧项目（'项目 B'）和新项目（'项目 A'）。它们不同，因此它会修改第一个项目。
2. 它比较索引 1 上的旧项目（'项目 C'）和新项目（'项目 B'）。它们不同，因此它会修改第二个项目。
3. 它看到索引 2 上有一个新项目（'项目 C'），于是插入它。

这是非常低效的。React 执行了两次不必要的修改和一次插入，而实际上只需要在开头进行一次插入。如果这些列表项是拥有自身状态的复杂组件，这可能会导致严重的性能问题和 bug，因为状态可能会在组件之间混淆。

`key` 属性的威力

`key` 属性为此提供了解决方案。它是一个特殊的字符串属性，当您创建元素列表时需要包含它。Key 为每个元素提供了一个稳定的身份标识。

让我们重新审视同一个例子，但这次使用稳定且唯一的 key：

初始列表：

• 项目 B
• 项目 C

更新后的列表：

• 项目 A
• 项目 B
• 项目 C

现在，React 的 diffing 过程变得智能得多：

1. React 查看新列表的子节点，找到了带有 key 'b' 和 'c' 的元素。
2. 它知道带有 key 'b' 和 'c' 的元素在旧列表中已经存在，所以它只是移动它们。
3. 它看到有一个带有 key 'a' 的新元素之前不存在，所以它创建并插入该元素。

这样效率高得多。React 正确地识别出只需要执行一次插入操作。与 key 'b' 和 'c' 关联的组件被保留了下来，并维持了它们内部的状态。

关于 Key 的关键规则：Key 在其兄弟节点中必须是稳定、可预测且唯一的。如果列表的顺序会改变、被过滤、或在中间添加/删除项目，使用数组索引作为 key (`items.map((item, index) =>

...

)`) 是一种反模式，因为它会导致与没有 key 时相同的问题。最好的 key 是来自你数据的唯一标识符，比如数据库 ID。

演进：从 Stack 到 Fiber 架构

上面描述的协调算法是 React 多年来的基础。然而，它有一个主要的局限性：它是同步和阻塞的。这个最初的实现现在被称为 Stack Reconciler。

旧的方式：Stack Reconciler

在 Stack Reconciler 中，当状态更新触发重新渲染时，React 会递归地遍历整个组件树，计算变更，并将它们应用到 DOM——所有这些都在一个单一、不间断的序列中完成。对于小的更新，这没有问题。但对于大型组件树，这个过程可能会花费大量时间（例如，超过 16 毫秒），从而阻塞浏览器的主线程。这会导致 UI 无响应，导致掉帧、动画卡顿和糟糕的用户体验。

React Fiber 简介 (React 16+)

为了解决这个问题，React 团队进行了一个为期多年的项目，完全重写了核心的协调算法。其成果在 React 16 中发布，被称为 React Fiber。

Fiber 架构从头开始设计，旨在实现并发性——即 React 能够同时处理多个任务，并根据优先级在它们之间切换的能力。

一个“fiber”是一个普通的 JavaScript 对象，代表一个工作单元。它持有关于一个组件、其输入 (props) 和其输出 (children) 的信息。React 不再使用无法中断的递归遍历，而是现在会一次一个地处理一个 fiber 节点的链表。

这个新架构解锁了几个关键能力：

• 增量渲染： 它可以将渲染工作分割成小块，并分布在多个帧中执行。
• 优先级划分： 它可以为不同类型的更新分配不同的优先级。例如，用户在输入框中打字的优先级高于后台获取数据的优先级。
• 可暂停与可中止： 它可以暂停低优先级的更新工作来处理高优先级的任务，甚至可以中止或复用不再需要的工作。

Fiber 的两个阶段

在 Fiber 架构下，渲染过程被分为两个不同的阶段：

1. 渲染/协调阶段（异步）： 在这个阶段，React 处理 fiber 节点以构建一个“进行中”的树。它调用组件的 `render` 方法并运行 diffing 算法来确定需要对 DOM 进行哪些更改。关键是，这个阶段是可中断的。React 可以暂停这项工作来处理更重要的事情，并在稍后恢复。因为它可能被中断，React 在此阶段不应用任何实际的 DOM 更改，以避免出现不一致的 UI 状态。
2. 提交阶段（同步）： 一旦“进行中”的树完成，React 就进入提交阶段。它将计算出的变更应用到真实的 DOM 上。这个阶段是同步且不可中断的。这确保了用户始终看到一致的 UI。像 `componentDidMount` 和 `componentDidUpdate` 这样的生命周期方法，以及 `useLayoutEffect` 和 `useEffect` 这些 Hook，都在此阶段执行。

Fiber 架构是 React 许多现代特性的基础，包括 `Suspense`、并发渲染、`useTransition` 和 `useDeferredValue`，所有这些都帮助开发者构建响应更迅速、更流畅的用户界面。

面向开发者的实用优化策略

理解 React 的协调过程能让你有能力编写性能更好的代码。以下是一些可行的策略：

1. 始终为列表使用稳定且唯一的 Key

这一点怎么强调都不过分。它是针对列表最重要的单一优化。使用来自你数据的唯一 ID（例如 `product.id`）。避免使用数组索引，除非列表是完全静态且永远不会改变的。

2. 避免不必要的重新渲染

如果一个组件的状态或其父组件的状态发生改变，它就会重新渲染。有时，即使组件的输出完全相同，它也会重新渲染。你可以使用以下方法来防止这种情况：

• `React.memo()`： 一个用于函数组件的高阶组件。它对组件的 props 进行浅比较。如果 props 没有改变，React 将跳过重新渲染该组件，并复用上次渲染的结果。
• `useCallback()`： 在组件内部定义的函数会在每次渲染时重新创建。如果你将这些函数作为 props 传递给一个用 `React.memo` 包装的子组件，子组件会重新渲染，因为函数 prop 在技术上每次都是一个新函数。`useCallback` 会记忆化函数本身，确保它只在其依赖项改变时才被重新创建。
• `useMemo()`： 与 `useCallback` 类似，但用于值。它会记忆化一个昂贵计算的结果。只有当其依赖项之一发生变化时，该计算才会重新运行。这对于防止每次渲染都进行昂贵的计算以及保持作为 props 传递的稳定对象/数组引用非常有用。

3. 巧妙的组件组合

你组织组件的方式可能对性能产生重大影响。如果组件的某部分状态更新频繁，尝试将其与不常更新的部分隔离开来。

例如，与其让一个频繁变化的输入框导致一个庞大的组件整体重新渲染，不如将该状态提升到一个更小的独立组件中。这样，当用户输入时，只有这个小组件会重新渲染。

4. 虚拟化长列表

如果你需要渲染包含成百上千个项目的列表，即使有正确的 key，一次性渲染所有项目也可能很慢并消耗大量内存。解决方案是虚拟化或窗口化。这项技术只渲染当前在视口中可见的一小部分项目。随着用户滚动，旧的项目被卸载，新的项目被挂载。像 `react-window` 和 `react-virtualized` 这样的库提供了强大且易于使用的组件来实现这种模式。

结论

React 的高性能并非偶然；它是一个围绕虚拟 DOM 和高效 Reconciliation 算法构建的、经过深思熟虑的复杂架构的成果。通过对直接 DOM 操作的抽象，React 能够以一种手动管理将会异常复杂的方式来批量处理和优化更新。

作为开发者，我们是这个过程中的关键一环。通过理解 diffing 算法的启发式策略——正确使用 key、记忆化组件和值，以及深思熟虑地组织我们的应用——我们可以与 React 的协调器协同工作，而不是与之对抗。向 Fiber 架构的演进进一步推动了可能性的边界，开启了新一代流畅和响应式 UI 的可能性。

下次当你看到 UI 在状态变更后瞬间更新时，不妨花点时间欣赏一下底层虚拟 DOM、diffing 算法和提交阶段之间优雅的协作。这种理解是您为全球用户构建更快、更高效、更健壮的 React 应用的关键。