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React17新特性:启发式更新算法

北京时间8月11日凌晨,React团队发布了React17第一个RC版本。该版本的最大特性是“无新特性”。

那么,从v16v17这一年多时间React团队究竟在做什么?

遥想从v15v16React团队花了两年时间将源码架构中的Stack Reconciler重构为Fiber Reconciler,事情一定没有这么简单。

事实上,这次版本更迭确实有“新特性” —— 替换了内部使用的启发式更新算法

只不过这个特性对开发者是无感知的。

本文接下来将讲述如下内容:

  • 起源:为什么会出现启发式更新算法

  • 现状:React16启发式更新算法及他的不足

  • 未来:React17启发式更新算法

为什么会出现启发式更新算法

框架的运行性能是框架设计者在设计框架时需要重点关注的点。

Vue使用模版语法,可以在编译时对确定的模版作出优化。

ReactJS写法太过灵活,使他在编译时优化方面先天不足。

所以,React的优化主要在运行时

React15的痛点

运行时优化方面,React一直在努力。

比如,React15实现了batchedUpdates(批量更新)。

即同一事件回调函数上下文中的多次setState只会触发一次更新

但是,如果单次更新就很耗时,页面还是会卡顿(这在一个维护时间很长的大应用中是很常见的)。

这是因为React15的更新流程是同步执行的,一旦开始更新直到页面渲染前都不能中断。

为了解决同步更新长时间占用线程导致页面卡顿的问题,也为了探索运行时优化的更多可能,React开始重构并一直持续至今。

重构的目标是实现Concurrent Mode(并发模式)。

Concurrent Mode

Concurrent Mode的目的是实现一套可中断/恢复的更新机制

其由两部分组成:

  • 一套协程架构

  • 基于协程架构启发式更新算法

其中,协程架构就是React16中实现的Fiber Reconciler

我们可以将Fiber Reconciler理解为React自己实现的Generator

Fiber Reconciler从理念到源码的详细介绍见这里

协程架构使更新可以在需要的时机被中断,这样浏览器就有时间完成样式布局样式绘制,减少卡顿(掉帧)的出现。

当浏览器进入下一次事件循环协程架构可以恢复中断或者抛弃之前的更新,重新开始新的更新流程。

启发式更新算法就是控制协程架构工作方式的算法。

React16的启发式更新算法

启发式更新算法启发式指什么呢?

启发式指不通过显式的指派,而是通过优先级调度更新。

其中优先级来源于人机交互的研究成果

比如:

人机交互的研究成果表明:

  • 当用户在输入框输入内容时,希望输入的内容能实时响应在输入框

  • 当异步请求数据后,即使等待一会儿再显示内容,用户也是可以接受的

基于此,在React16

输入框输入内容触发的`更新`优先级 > 请求数据返回后触发`更新`优先级
复制代码

算法实现

React16、17中,在组件内执行this.setState后会在该组件对应的fiber节点内产生一种链表数据结构update

其中,update.expirationTimes为类似时间戳的字段,表示优先级

expirationTimes从字面意义理解为过期时间

该值离当前时间越接近,该update 优先级越高。

update.expirationTimes超过当前时间,则代表该update过期,优先级变为最高(即同步)。

一棵fiber树的多个fiber节点可能存在多个update

每次Fiber Reconciler调度更新时,会在所有fiber节点的所有update.expirationTimes中选择一个expirationTimes(一般选择最大的),作为本次更新优先级

并从根fiber节点开始向下构建新的fiber树

构建过程中如果某个fiber节点包含update,且

update.expirationTimes >= expirationTimes
复制代码

则该update对应的state变化会体现在本次更新中。

可以理解为:每次更新,都会选定一个优先级(expirationTimes),最终页面会渲染为该优先级对应update的快照。

举个例子,我们有如图所示fiber树,当前还没有更新产生,所以没有构建中fiber树

当在C创建一个低优先级update,调度更新,本次更新选择的优先级为低优先级

开始构建新的fiber树(图右侧)。

此时,我们在D创建一个高优先级update

这会中断进行中的低优先级更新,重新开始以高优先级生成一棵fiber树

由于之前的更新被中断,还没有任何渲染操作,此时视图中(左图)还没有任何变化。

本次更新选定的优先级为高优先级Cupdate(低优先级)会被跳过。

更新完成后新的fiber树会被渲染到视图中。

由于C被跳过,所以不会在视图(左图)中体现。

接下来我们在E触发一次高优先级update

C虽然包含低优先级update,但随着时间的推移,他的expirationTimes已经过期,变为高优先级

所以本次更新会有C E两个fiber节点产生变化。

最终完成更新后,视图如下:

关于更新优先级的详细解释参考这里

算法缺陷

如果只考虑中断/继续这样的CPU操作,以expirationTimes大小作为衡量优先级依据的模型可以很好工作。

但是expirationTimes模型不能满足IO操作(Suspense)。

在该模型下,高优先级IO任务(Suspense)会中断低优先级CPU任务

还记得么,每次更新,都是以某一优先级作为整棵树的优先级更新标准,而不仅仅是某一组件,即使更新的源头(update)确实是某个组件产生的。

expirationTimes模型只能区分是否>=expirationTimes这种情况。

为了拓展Concurrent Mode能力边界,需要一种更细粒度的启发式优先级更新算法

React17启发式更新算法

最理想的模型是:可以指定任意几个优先级更新会以这些优先级对应update生成页面快照。

但是现有架构下,该方案实现上有瓶颈。

妥协之下,React17的解决方案是:指定一个连续的优先级区间,每次更新都会以区间内包含的优先级生成对应页面快照。

这种优先级区间模型被称为lanes(车道模型)。

具体做法是:使用一个31位的二进制代表31种可能性。

  • 其中每个bit被称为一个lane(车道),代表优先级

  • 某几个lane组成的二进制数被称为一个lanes,代表一批优先级

可以从源码中看到,从蓝线一路划下去,每个bit都对应一个lanelanes

update产生,会根据React16同样的启发式方式,获得如下优先级的一种:

export const SyncLanePriority: LanePriority = 17;
export const SyncBatchedLanePriority: LanePriority = 16;
export const InputDiscreteLanePriority: LanePriority = 14;
export const InputContinuousLanePriority: LanePriority = 12;
export const DefaultLanePriority: LanePriority = 10;
export const TransitionShortLanePriority: LanePriority = 8;
export const TransitionLongLanePriority: LanePriority = 6;
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其中值越高,优先级越大。

比如:

  • 点击事件回调中触发this.setState产生的update会获得InputDiscreteLanePriority

  • 同步的update会获得SyncLanePriority

接下来,update会以priority为线索寻找没被占用的lane

如果当前fiber树已经存在更新更新lanes包含了该lane,则update需要寻找其他lane

比如,InputDiscreteLanePriority对应的lanesInputDiscreteLanes

// 第4、5位为1
const InputDiscreteLanes: Lanes = 0b0000000000000000000000000011000;
复制代码

lanes包含第4、5位2个bit位

如果其中

// 第五位为1
0b0000000000000000000000000010000
复制代码

第五位的lane已经被占用,则该update可以尝试占有后一个,即

// 第四位为1
0b0000000000000000000000000001000
复制代码

如果InputDiscreteLanes的两个lane都被占用,则该update的优先级会下降到InputContinuousLanePriority并继续寻找空余的lane

这个过程就像:购物中心每一层(不同优先级)都有一个露天停车场(lanes),停车场有多个车位(lane)。

我们先开车到顶楼找车位(lane),如果没有车位就下一楼继续找。

直到找到空余车位。

由于lanes可以包含多个lane,可以很方便的区分IO操作(Suspense)与CPU操作

当构建fiber树进入构建Suspense子树时,会将Suspenselane插入本次更新选定的lanes中。

当构建离开Suspense子树时,会将Suspense lane从本次更新lanes中移除。

总结

React16expirationTimes模型只能区分是否>=expirationTimes决定节点是否更新。

React17lanes模型可以选定一个更新区间,并且动态的向区间中增减优先级,可以处理更细粒度的更新。

最后,推荐一波开源React源码书 —— React技术揭秘