解锁 React 性能：Fiber 工作循环、调度器集成与优先级队列

在不断发展的前端开发领域，性能不仅仅是一个功能，而是一种基本期望。对于面向全球数百万用户、运行在各种设备和网络条件下的应用程序来说，实现流畅且响应迅速的用户界面 (UI) 至关重要。React，作为构建 UI 的领先 JavaScript 库，已经经历了重大的架构转变来应对这一挑战。这些改进的核心是 React Fiber 架构，这是对协调算法的彻底重写。本文将深入探讨 React Fiber 工作循环的复杂性、它与调度器的无缝集成，以及优先级队列在为全球用户编排高性能、流畅的用户体验方面所发挥的关键作用。

React 渲染的演变：从堆栈到 Fiber

在 Fiber 出现之前，React 的渲染过程是基于递归调用堆栈的。当一个组件更新时，React 会遍历组件树，构建 UI 更改的描述。这个过程虽然对许多应用程序有效，但有一个显著的限制：它是同步且阻塞的。如果发生大型更新或需要渲染复杂的组件树，主线程可能会不堪重负，导致动画卡顿、交互无响应以及用户体验不佳，尤其是在全球许多市场普遍存在的性能较低的设备上。

试想一下国际电商应用中常见的场景：用户正在与一个复杂的商品过滤器进行交互。使用旧的基于堆栈的协调，同时应用多个过滤器可能会冻结 UI，直到所有更新完成。这会让任何用户感到沮丧，但对于互联网连接可能不太可靠或设备性能是更大担忧的地区，影响尤为严重。

React Fiber 的引入旨在通过实现 并发渲染 来解决这些限制。与旧的堆栈不同，Fiber 是一种 可重入、异步 且 可中断 的协调算法。这意味着 React 可以暂停渲染，执行其他任务，然后稍后恢复渲染，所有这些都不会阻塞主线程。

介绍 Fiber 节点：更灵活的工作单元

其核心在于，React Fiber 将工作单元从组件实例重新定义为 Fiber 节点。可以将 Fiber 节点视为一个 JavaScript 对象，它代表一项待办的工作。您的 React 应用程序中的每个组件都有一个对应的 Fiber 节点。这些节点相互链接，形成一个镜像组件树的树，但具有额外的属性以促进新的渲染模型。

Fiber 节点的主要属性包括：

• Type：元素的类型（例如，函数组件、类组件、字符串、DOM 元素）。
• Key：列表项的唯一标识符，对高效更新至关重要。
• Child：指向第一个子 Fiber 节点的指针。
• Sibling：指向下一个同级 Fiber 节点的指针。
• Return：指向父 Fiber 节点的指针。
• MemoizedProps：用于记忆上一次渲染的 props。
• MemoizedState：用于记忆上一次渲染的状态。
• Alternate：指向另一个树（当前树或工作中树）中相应 Fiber 节点的指针。这是 React 在渲染状态之间切换的基础。
• Flags：位掩码，指示在此 Fiber 节点上需要执行的工作类型（例如，更新 props、添加 effects、删除节点）。
• Effects：与此 Fiber 节点关联的效果列表，例如生命周期方法或 Hooks。

Fiber 节点不像组件实例那样由 JavaScript 垃圾回收直接管理。相反，它们构成了一个链表，React 可以高效地遍历。这种结构使 React 能够轻松地管理和中断工作。

React Fiber 工作循环：编排渲染过程

React Fiber 并发的核心是其 工作循环。此循环负责遍历 Fiber 树、执行工作并将完成的更改提交给 DOM。使其具有革命性的是其暂停和恢复的能力。

工作循环大致可分为两个阶段：

1. 渲染阶段（工作中树）

在此阶段，React 会遍历组件树并对 Fiber 节点执行工作。这项工作可能包括：

• 调用组件函数或 `render()` 方法。
• 协调 props 和 state。
• 创建或更新 Fiber 节点。
• 识别副作用（例如，`useEffect`、`componentDidMount`）。

在渲染阶段，React 会构建一个 工作中树。这是一个独立的 Fiber 节点树，代表 UI 的潜在新状态。重要的是，工作循环在此阶段是 可中断 的。如果出现更高优先级的任务（例如，用户输入），React 可以暂停当前渲染工作，处理新任务，然后稍后恢复中断的工作。

这种可中断性是实现流畅体验的关键。试想一下，用户在一个国际旅行网站的搜索栏中输入内容。当 React 忙于渲染建议列表时，如果出现新的按键输入，它可以暂停建议渲染，处理按键输入以更新搜索查询，然后根据新输入恢复建议渲染。用户感知到对其输入的即时响应，而不是延迟。

工作循环遍历 Fiber 节点，检查它们的 `flags` 以确定需要执行什么工作。它从一个 Fiber 节点移动到它的子节点，然后到它的同级节点，再回到它的父节点，执行必要的操作。此遍历一直持续，直到所有待处理的工作完成或工作循环被中断。

2. 提交阶段（应用更改）

一旦渲染阶段完成，React 有了一个稳定的工作中树，它就进入了 提交阶段。在此阶段，React 执行副作用并更新实际的 DOM。此阶段是 同步且不可中断 的，因为它直接操作 UI。React 希望确保当它更新 DOM 时，它以单一、原子化的操作来完成，以避免闪烁或不一致的 UI 状态。

在提交阶段，React：

• 执行 DOM 变异（添加、删除、更新元素）。
• 运行副作用，如 `componentDidMount`、`componentDidUpdate` 以及 `useEffect` 返回的清理函数。
• 更新 DOM 节点的引用。

提交阶段完成后，工作中树成为当前树，并且该过程可以为后续更新重新开始。

调度器的作用：优先排序和调度工作

如果没有一种机制来决定 何时 执行工作以及 哪个 工作应首先执行，Fiber 工作循环的可中断性将毫无用处。这就是 React 调度器 发挥作用的地方。

调度器是一个独立的、低级别的库，React 使用它来管理其工作的执行。它的主要职责是：

• 调度工作：确定何时开始或恢复渲染任务。
• 优先排序工作：为不同任务分配优先级，确保重要更新得到及时处理。
• 与浏览器协作：避免阻塞主线程，允许浏览器执行绘制和处理用户输入等关键任务。

调度器通过定期将控制权交还给浏览器来工作，使其能够执行其他任务。然后，当浏览器空闲或需要处理更高优先级的任务时，它会请求恢复其工作。

这种协作多任务处理对于构建响应式应用程序至关重要，特别是对于全球用户而言，他们的网络延迟和设备功能可能存在很大差异。在互联网连接较慢的地区的用户，如果 React 的渲染完全占用了浏览器的所有主线程，可能会体验到应用程序感觉迟钝。调度器通过让步，确保即使在繁重的渲染过程中，浏览器仍然可以响应用户交互或渲染 UI 的关键部分，从而提供更流畅的可感知性能。

优先级队列：并发渲染的支柱

调度器如何决定先做什么工作？这就是 优先级队列 变得不可或缺的地方。React 根据其紧急程度对不同类型的更新进行分类，为每个更新分配一个优先级级别。

调度器维护一个待处理任务队列，按优先级排序。当是时候执行工作时，调度器从队列中选择优先级最高的任务。

以下是优先级级别的典型分类（尽管确切的实现细节可能会演变）：

• 立即优先级：用于不应延迟的紧急更新，例如响应用户输入（例如，在文本字段中键入）。这些通常是同步处理的或具有非常高的紧急性。
• 用户阻塞优先级：用于阻止用户交互的更新，例如显示模态对话框或下拉菜单。这些需要快速渲染以避免阻止用户。
• 普通优先级：用于对用户交互没有直接影响的常规更新，例如获取数据并渲染列表。
• 低优先级：用于可以延迟的非关键更新，例如分析事件或后台计算。
• 屏幕外优先级：用于当前未显示在屏幕上的组件（例如，屏幕外的列表、隐藏的选项卡）。这些可以以最低优先级渲染，甚至在必要时跳过。

调度器使用这些优先级来决定何时中断现有工作以及何时恢复它。例如，如果用户在输入字段中键入（立即优先级），而 React 正在渲染大量搜索结果（普通优先级），调度器将暂停列表渲染，处理输入事件，然后根据新输入恢复列表渲染。

实际的国际化示例：

考虑一个供跨洲团队使用的实时协作工具。一个用户可能正在编辑文档（高优先级，即时更新），而另一个用户正在查看需要大量渲染的大型嵌入式图表（普通优先级）。如果收到来自同事的新消息（用户阻塞优先级，需要关注），调度器将确保消息通知得到及时显示，可能会暂停图表渲染，然后在处理完消息后恢复图表渲染。

这种复杂的分级确保了关键的用户界面更新始终被优先处理，从而提供更具响应性和更令人愉悦的体验，无论用户的地点或设备如何。

Fiber 如何与调度器集成

Fiber 和调度器之间的集成是实现并发 React 的关键。调度器提供了让步和恢复任务的机制，而 Fiber 的可中断性允许将这些任务分解为更小的工作单元。

以下是它们交互的简化流程：

1. 发生更新：组件的状态更改，或 props 被更新。
2. 调度器调度工作：调度器接收更新并为其分配优先级。它将与更新对应的 Fiber 节点放入适当的优先级队列中。
3. 调度器请求渲染：当主线程空闲或有容量时，调度器请求执行最高优先级的任务。
4. Fiber 工作循环开始：React 的工作循环开始遍历工作中树。
5. 执行工作：处理 Fiber 节点并识别更改。
6. 中断：如果出现更高优先级的任务（例如，用户输入）或当前工作超过了设定的时间限制，调度器可以中断 Fiber 工作循环。工作中树的当前状态被保存。
7. 处理更高优先级的任务：调度器处理新的高优先级任务，这可能涉及新的渲染通道。
8. 恢复：一旦高优先级任务得到处理，调度器就可以从中断的地方恢复被中断的 Fiber 工作循环，并使用保存的状态。
9. 提交阶段：在渲染阶段完成所有优先处理的工作后，React 执行提交阶段以更新 DOM。

这种交互确保 React 可以根据不同更新的紧急程度和主线程的可用性动态调整其渲染过程。

Fiber、调度器和优先级队列对全球应用的益处

Fiber 和调度器引入的架构更改提供了显著的优势，特别是对于拥有全球用户群的应用程序：

• 提高响应性：通过防止主线程被阻塞，即使在复杂的渲染任务期间，应用程序也能响应用户交互。这对于在移动设备上或在世界许多地区网络连接较慢的用户来说至关重要。
• 更流畅的用户体验：可中断的渲染意味着动画和过渡可以更流畅，关键更新（如表单验证错误）可以立即显示，而无需等待其他不太重要的任务完成。
• 更好的资源利用：调度器可以更智能地决定何时以及如何渲染，从而更有效地利用设备资源，这对于移动设备的电池续航和旧硬件的性能很重要。
• 增强用户留存：始终流畅且响应迅速的应用程序可以建立用户信任和满意度，从而在全球范围内提高留存率。缓慢或无响应的应用程序可能很快导致用户放弃。
• 复杂 UI 的可扩展性：随着应用程序的增长并纳入更多动态功能，Fiber 的架构为管理复杂的渲染需求而不牺牲性能提供了坚实的基础。

例如，对于一个全球性的金融科技应用程序，确保实时市场数据更新即时显示，同时仍允许用户在不卡顿的情况下导航界面，这是至关重要的。Fiber 及其相关机制使这一切成为可能。

需要记住的关键概念

• Fiber 节点：React 中新的、更灵活的工作单元，支持可中断渲染。
• 工作循环：遍历 Fiber 树、执行渲染工作并提交更改的核心过程。
• 渲染阶段：React 构建工作中树的可中断阶段。
• 提交阶段：同步、不可中断的阶段，在此阶段应用 DOM 更改和副作用。
• React 调度器：负责管理 React 任务的执行、优先排序它们以及与浏览器协作的库。
• 优先级队列：调度器用于根据任务的紧急程度对其进行排序的数据结构，确保关键更新首先得到处理。
• 并发渲染：React 能够暂停、恢复和优先处理渲染任务的能力，从而实现更具响应性的应用程序。

结论

React Fiber 代表了 React 处理渲染方式的重大飞跃。通过用可中断、可重入的 Fiber 架构取代旧的基于堆栈的协调，并通过与利用优先级队列的复杂调度器集成，React 已经解锁了真正的并发渲染能力。这不仅能带来性能更高、响应更快的应用程序，还能为全球多样化的用户提供更公平的用户体验，无论他们的设备、网络状况或技术熟练程度如何。理解这些底层机制对于任何旨在构建高质量、高性能且用户友好的现代 Web 应用程序的开发人员来说都至关重要。

在继续使用 React 构建时，请记住这些概念。它们是我们在全球领先的 Web 应用程序中所期望的流畅、无缝体验背后的无名英雄。通过利用 Fiber、调度器和智能优先级的力量，您可以确保您的应用程序能取悦每个大洲的用户。