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React Time Slice(-) - requestIdleCallback polyfill

React 从 v16.0.0 开始,实现了异步渲染模式(Concurrency Mode),解决了之前 Stack Reconciler 采用同步更新的问题。异步渲染,实际上就是将一个大的渲染任务,分成很多个小的任务,每个任务执行完就交出主线程,使得其他线程可以处理其他事情(比如渲染,响应用户点击等)。最常见的实现方式就是使用setTimeout将这些小任务加到事件队列(event queue)里,利用浏览器的 event loop 来异步执行。本篇是 React Time Slice 系列中的第一篇,深入分析 React v16.0.0 是如何实现 requestIdleCallback polyfill。

为了尽可能地提高渲染性能,React 希望这些小的任务可以在浏览器空闲时间去执行。浏览器提供了requestIdleCallback来保证可以在空闲时间执行一些操作。但是它有兼容性问题,对于不支持 rIC 的浏览器,React 团队使用requestAnimationFramepostMessage来实现,并且是自动调节frame rate的。下面是它的实现逻辑,

首先定义特殊的 message 事件,并监听message事件,

// 定义message 事件名
var messageKey =
  "__reactIdleCallback$" +
  Math.random()
    .toString(36)
    .slice(2)

// 监听message
window.addEventListener("message", idleTick, false)
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对于 rIC 的实现,使用 rAF 来保证在下一帧触发

rIC = function(callback) {
  // 先是存储callback
  scheduledRICCallback = callback
  // 判断是否正在rAF调度
  if (!isAnimationFrameScheduled) {
    isAnimationFrameScheduled = true
    requestAnimationFrame(animationTick)
  }
  return 0
}
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先将需要执行的callback保存起来,接着触发 rAF。

var animationTick = function(rafTime) {
  isAnimationFrameScheduled = false
  if (!isIdleScheduled) {
    isIdleScheduled = true
    window.postMessage(messageKey, "*")
  }
}
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在 rAF 触发函数里,调用postMessage,触发 message 事件。

var idleTick = function(event) {
  // 检查是否内部触发的message,
  if (event.source !== window || event.data !== messageKey) {
    return
  }
  isIdleScheduled = false
  // 获取之前存的callback
  var callback = scheduledRICCallback
  scheduledRICCallback = null
  if (callback !== null) {
    // 真正执行callback
    callback(frameDeadlineObject)
  }
}
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在 message 事件里,才是真正执行callback。看完它的实现,有几个疑惑,

  1. 为什么不直接要用 rAF?
  2. 为什么不直接使用postMessage
  3. 为什么不使用setTimeout?

如果用 rAF 实现

我们知道 rIC 的触发时机是,如果在一帧里有剩余时间,则在当前帧的结尾处触发 rIC,或者是当前页面没有更新,是处于空闲的状态,也会触发 rIC。rAF 的触发时机是,在一帧的开头。

A typical frame

如果直接使用 rAF,Fiber tree 的更新操作会在 rAF 里执行,整体增加了当前帧完成所需的时间,会导致帧率下降。

如果用 postMessage 实现

postMessage的常用使用场景是,不同域的父子页面(使用 iframe)之间通信,至于具体使用方式,可以自己查看MDN 文档。但在这里,它的用途并不涉及跨域通信,仅仅是异步调用。如果只是使用postMessage,实现代码大致如下,

var scheduledRICCallback = null
var isIdleScheduled = false

window.addEventListener("message", idleTick, false)

var idleTick = event => {
  if (event.source !== window || event.data !== messageKey) {
    return
  }
  isIdleScheduled = false
  var callback = scheduledRICCallback
  scheduledRICCallback = null
  if (callback !== null) {
    var start = Date.now()
    callback({
      didTimeout: false,
      timeRemaining: function() {
        // Is there maximum value that timeRemaining() will return? Yes, it’s currently 50ms
        // see: https://developers.google.com/web/updates/2015/08/using-requestidlecallback#faq
        return Math.max(0, 50 - (Date.now() - start))
      },
    })
  }
}

var ric = callback => {
  scheduledRICCallback = callback
  if (!isIdleScheduled) {
    isIdleScheduled = true
    window.postMessage(messageKey, "*")
  }
}
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这样实现的主要问题是,对于当前帧剩余时间的计算是不准确的,它总是默认还有 50ms 的剩余时间,在帧率为 60fps 时,一帧的执行时间才大致 17ms 左右。所以 React 团队使用 rAF 来动态算出当前帧率,计算出当前帧执行截止时间。动态计算当前帧率逻辑大致如下,

  1. 初始以当前帧率为 30fps,则每一帧执行时间大约为 33ms
  2. 如果连续 2 帧的执行时间都小于当前帧率下的每帧执行时间,则表明当前帧率有待提高
// 帧截止时间
var frameDeadline = 0
// 初始当前帧率为30fps,则帧执行时间为33ms
// 上一帧执行时间
var previousFrameTime = 33
// 30fps下,每一帧执行时间
var activeFrameTime = 33

// 计算rIC参数,剩余时间
var frameDeadlineObject = {
  timeRemaining:
    typeof performance === "object" && typeof performance.now === "function"
      ? function() {
          return frameDeadline - performance.now()
        }
      : function() {
          return frameDeadline - Date.now()
        },
}

var animationTick = function(rafTime) {
  // 计算出下一帧执行时间,这里的frameDeadline为上一帧的截止时间
  var nextFrameTime = rafTime - frameDeadline + activeFrameTime
  // 如果连续2帧的执行时间都小于帧执行时间,则说明可以提高帧率
  if (nextFrameTime < activeFrameTime && previousFrameTime < activeFrameTime) {
    if (nextFrameTime < 8) {
      // 最高提高的120fps,
      nextFrameTime = 8
    }
    // 取连续2帧中执行时间较大的,防止执行超过帧截止时间
    activeFrameTime =
      nextFrameTime < previousFrameTime ? previousFrameTime : nextFrameTime
  } else {
    previousFrameTime = nextFrameTime
  }
  // 计算出帧截止时间
  frameDeadline = rafTime + activeFrameTime
}
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调整逻辑示意图如下,React 的实现中没有针对场景 1 做处理,即不会将帧率调整降低,

  1. 第一种场景,下一帧的开始时间大于上一帧的截止时间,说明估算的帧执行时间偏小,帧率可以调整降低
  2. 第二种场景,下一帧的开始时间等于上一帧的截止时间,说明估算的帧执行时间正确,帧率不需要调整
  3. 第三种场景,下一帧的开始时间小于上一帧的截止时间,说明估算的帧执行时间偏大,帧率可以调整增高

为什么不要用 setTimeout

既然postMessage的作用是异步调度,那么为什么不使用setTimeout呢,它同样是可以实现异步调度?

如果不使用 rIC,我们是无法真正准确的确定帧空闲时机的。上面使用postMessage实现异步调度,是为了交出 js 线程执行权,让渲染相关线程得到执行。上面结合使用 rAF 动态计算出当前帧率,得出帧截止时间,从而可以较准确的计算得到 rIC 中参数timeRemaining。需要注意的是,帧截止时间是在 rAF 中以当前帧开始时间为基准算的,就是说,我们默认callback在计算完成帧截止时间之后就开始执行的。但是如前面所说,我们不能直接在 rAF 里执行callback,而是使用异步调度。异步调度越早开始,那么timeRemaining得到值的误差就会越小。例如,帧开始时间是 10ms,以 10ms 为基准计算得到帧截止时间为 30ms,也就是说帧执行时间会总共有 20ms,如果异步调度是在 5ms 之后开真正执行callback,那么在callback中调用timeRemaining得到的时间只有30 - 5 = 25,比预期的少了 5ms。

为了减少误差,React 使用了postMessage,而不是setTimeout,因为postMessagesetTimeout要早得到执行。对于现代浏览器来说,使用setTimeout(callback,0),会存在 4ms 的执行间隔限制。

html.spec.whatwg.org/multipage/t…

  1. If timeout is less than 0, then set timeout to 0.
  2. If nesting level is greater than 5, and timeout is less than 4, then set timeout to 4.

考虑如下代码,在setTimeout里调用setTimeout,当cb执行 5 次之后,则后面cb必须至少间隔 4ms 执行。

Note: 4 ms is specified by the HTML5 spec and is consistent across browsers released in 2010 and onward. Prior to (Firefox 5.0 / Thunderbird 5.0 / SeaMonkey 2.2), the minimum timeout value for nested timeouts was 10 ms.

function cb() {
  setTimeout(cb, 0)
}
setTimeout(cb, 0)
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使用postMessage可以较早于setTimeout执行,下面是 MDN 上的描述

To implement a 0 ms timeout in a modern browser, you can use window.postMessage() as described here.

React 团队实现这个 polyfill 的作者也做了如下说明,

I originally used setTimeout(idle, 0) but since it adjusts to at least 4ms and sometimes more, you end up dropping a bit more than I'd like from the available frame time. However, in practice postMessage can be delayed up to 4ms anyway because of the internal browser scheduling around the frame.

我自己也亲自在 Chrome(84.0.4147.125)中做了测试如下,

小结

React v16.0.0 中实现 rIC 的核心思路就是,使用 rAF 动态计算帧率,使用postMessage实现异步调用。当然,它的实现中也有一些场景没有考虑,有一些不足之处,

  1. 浏览器会对 rAF 进行一些优化,有些情况不会触发 rAF,例如切换到后台时;如果 rAF 得不到执行,那么 callback 就不会按照期望得到触发。
  2. 它仅仅只支持单个 callback 执行,如果多次执行rIC(callback),也只会有最后一个 callback 被执行,并不是真正符合 rIC 规范。在 v16.4.0 中支持了多个 callback
  3. 当前实现并未支持timeout参数,在 v16.2.0 中就实现了
  4. 当前并未支持cancelIdleCallback,在 v16.4.0 中实现了

资料

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这里是我的秘密基地 :)