React Fiber：深入解析与工作原理

React Fiber 是 React 16 引入的全新协调引擎（Reconciliation Engine），是对 React 核心算法的一次彻底重写。它的主要目标是提高 React 在处理大型复杂应用时的性能和响应能力，特别是在动画、布局和手势等方面的表现。为了理解 Fiber，我们首先需要回顾一下 React 在 Fiber 之前的协调机制，以及它所面临的挑战。

1. React Fiber 之前的协调机制：Stack Reconciler

在 React 16 之前，React 使用的是基于栈的协调器（Stack Reconciler）。它的工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. 触发更新： 当组件的状态（state）或属性（props）发生变化时，或者调用了 setState 方法，React 会将该组件标记为需要更新。
2. 构建虚拟 DOM 树： React 会递归地遍历整个组件树，调用每个组件的 render 方法，构建出一棵新的虚拟 DOM 树（Virtual DOM Tree）。虚拟 DOM 是真实 DOM 的轻量级 JavaScript 对象表示。
3. Diff 算法： React 会比较新旧两棵虚拟 DOM 树，找出它们之间的差异（diff）。这个过程称为协调（Reconciliation）。React 使用了一种高效的 diff 算法，尽量减少需要更新的 DOM 节点数量。
4. 更新真实 DOM： React 根据 diff 的结果，批量地更新真实 DOM，只对需要改变的部分进行操作。

这个过程是同步的、递归的。一旦协调过程开始，就无法中断，直到整个组件树遍历完成。这意味着，如果组件树非常庞大，或者 render 方法非常耗时，JavaScript 主线程就会被长时间阻塞，导致页面卡顿、动画掉帧、无法响应用户输入等问题。尤其是在处理复杂的动画、布局或大数据量的列表时，这种阻塞会变得非常明显。

Stack Reconciler 的局限性：

• 同步阻塞： 整个协调过程是同步进行的，无法中断，容易造成主线程阻塞。
• 优先级问题： 所有更新的优先级都是相同的，无法区分高优先级任务（如用户输入、动画）和低优先级任务（如后台数据加载）。
• 递归限制： 依赖于 JavaScript 引擎的调用栈，如果组件树过深，可能会导致栈溢出。

2. React Fiber 的核心概念

为了解决 Stack Reconciler 的问题，React 团队引入了 Fiber 架构。Fiber 的核心思想是将协调过程分解为一系列小的、可中断的任务单元，并赋予它们不同的优先级。这使得 React 能够更精细地控制渲染过程，提高应用的响应性和流畅度。

2.1 Fiber 节点

Fiber 架构中的核心数据结构是 Fiber 节点。每个 React 元素（JSX 表达式）都对应一个 Fiber 节点。Fiber 节点可以看作是虚拟 DOM 节点的增强版，它包含了更多用于协调和调度的信息。

一个 Fiber 节点的主要属性包括：

• type：元素的类型（如 'div'、'span'、组件函数或类）。
• key：用于帮助 React 识别列表中的元素是否发生了移动、添加或删除。
• props：元素的属性。
• stateNode：对真实 DOM 节点或组件实例的引用。
• child：指向第一个子 Fiber 节点。
• sibling：指向下一个兄弟 Fiber 节点。
• return：指向父 Fiber 节点。
• alternate：指向当前 Fiber 节点在上次更新时的对应节点（用于构建双缓冲树）。
• effectTag：标记需要进行的 DOM 操作（如插入、更新、删除）。
• firstEffect、lastEffect、nextEffect：用于构建 effect 列表，记录需要执行的副作用。
• expirationTime：表示任务的过期时间，用于实现任务优先级和调度。
• pendingProps:将要更新的props
• memoizedProps: 上一次渲染使用的props
• memoizedState: 上一次渲染使用的state

Fiber 节点通过 child、sibling 和 return 指针形成一个单向链表树结构，这个结构被称为 Fiber 树。Fiber 树的遍历方式是深度优先的。

2.2 双缓冲（Double Buffering）

React Fiber 使用了双缓冲技术来优化渲染过程。它维护了两棵 Fiber 树：

• 当前树（Current Tree）： 表示当前屏幕上显示的 UI 对应的 Fiber 树。
• 工作进行树（Work-in-Progress Tree）： 表示正在后台构建的 Fiber 树，用于下一次更新。

当 React 需要更新 UI 时，它会在 Work-in-Progress 树上进行所有的计算和修改。一旦 Work-in-Progress 树构建完成，React 会将它直接切换为 Current 树，然后一次性地更新真实 DOM。这个切换过程非常快，因为它只是改变了指针的指向。

双缓冲技术的好处：

• 减少 DOM 操作： 只有在 Work-in-Progress 树完全构建完成后，才会一次性地更新真实 DOM，避免了频繁的 DOM 操作。
• 隐藏中间状态： 用户不会看到渲染的中间过程，只会看到最终的结果，保证了 UI 的一致性。
• 支持异步渲染： Work-in-Progress 树的构建过程可以被打断和恢复，为异步渲染提供了基础。

2.3 任务分解与优先级

Fiber 将协调过程分解为一系列小的任务单元，每个 Fiber 节点就是一个任务单元。每个任务单元的执行时间很短，通常在几毫秒以内。React 可以根据任务的优先级来决定执行顺序。

React 定义了以下几种优先级：

• Immediate：立即执行，同步更新。
• UserBlocking：用户交互相关的更新，需要尽快响应。
• Normal：普通更新。
• Low：低优先级更新，可以延迟执行。
• Idle：空闲时执行，优先级最低。

React 会根据更新的来源（如用户输入、setState、ReactDOM.render）来赋予不同的优先级。高优先级的任务会打断低优先级的任务，优先执行。

2.4 时间切片（Time Slicing）

时间切片是 Fiber 实现异步渲染的关键技术。React 会将每个任务单元的执行时间限制在一个很短的时间片内（例如 5 毫秒）。如果在一个时间片内任务没有完成，React 会将控制权交还给浏览器，让浏览器有机会处理其他任务（如用户输入、动画、页面布局）。然后，React 会在下一个时间片内继续执行未完成的任务。

时间切片的好处：

• 防止主线程阻塞： 通过将任务分解为小的时间片，React 可以避免长时间占用主线程，保证了应用的响应性。
• 提高用户体验： 用户可以更快地看到 UI 的变化，即使在复杂的渲染过程中也能保持流畅的交互。

3. React Fiber 的工作流程

React Fiber 的工作流程可以分为两个主要阶段：

1. Render 阶段（协调阶段）：

   • 构建 Work-in-Progress 树。
   • 执行 diff 算法，找出需要更新的 Fiber 节点。
   • 标记需要执行的副作用（effect）。
   • 这个阶段可以被打断和恢复。
   • 构建 effectList.

2. Commit 阶段：

   • 将 Work-in-Progress 树切换为 Current 树。
   • 根据 effect 列表，一次性地更新真实 DOM。
   • 执行生命周期方法（如 componentDidMount、componentDidUpdate）。
   • 这个阶段是同步的，不可中断。

3.1 Render 阶段

Render 阶段的主要任务是构建 Work-in-Progress 树，并找出需要更新的 Fiber 节点。这个阶段可以被打断和恢复，是 Fiber 实现异步渲染的关键。

Render 阶段的核心函数是 workLoop。workLoop 会循环遍历 Fiber 树，执行以下操作：

1. beginWork：

   • 处理当前 Fiber 节点。
   • 调用组件的 render 方法，生成新的子元素。
   • 根据新旧子元素，创建或更新子 Fiber 节点。
   • 标记需要执行的副作用（effect）。

2. completeWork：

   • 如果当前 Fiber 节点有对应的 DOM 节点，创建或更新 DOM 节点。
   • 将子 Fiber 节点的 effect 列表合并到当前 Fiber 节点的 effect 列表中。

workLoop 会以深度优先的方式遍历 Fiber 树。对于每个 Fiber 节点，它会先执行 beginWork，然后递归地处理子节点。当所有子节点处理完成后，它会执行 completeWork。

在 workLoop 的循环过程中，React 会检查当前时间片是否还有剩余时间。如果时间片用尽，React 会暂停 workLoop，将控制权交还给浏览器。当浏览器有空闲时间时，React 会恢复 workLoop，从上次暂停的位置继续执行。

3.2 Commit 阶段

Commit 阶段的主要任务是将 Work-in-Progress 树切换为 Current 树，并一次性地更新真实 DOM。这个阶段是同步的，不可中断，以保证 UI 的一致性。

Commit 阶段的核心函数是 commitRoot。commitRoot 会执行以下操作：

1. commitBeforeMutationEffects：

   • 执行 DOM 操作之前的生命周期方法（如 getSnapshotBeforeUpdate）。

2. commitMutationEffects：

   • 根据 effect 列表，执行 DOM 操作（插入、更新、删除）。

3. commitLayoutEffects：

   • 执行 DOM 操作之后的生命周期方法（如 componentDidMount、componentDidUpdate）。
   • 将 Work-in-Progress 树切换为 Current 树。

Commit 阶段会按照 effect 列表的顺序执行副作用。effect 列表是一个单向链表，它记录了需要执行的 DOM 操作和生命周期方法。

4. Effect List

Effect 列表是 Fiber 架构中用于记录副作用的重要数据结构。它是一个单向链表，每个 Fiber 节点都有一个 firstEffect 指针指向它的第一个 effect，一个 lastEffect 指针指向它的最后一个 effect，一个 nextEffect 指针指向下一个 effect。

Effect 列表的构建过程是在 Render 阶段的 completeWork 函数中完成的。当一个 Fiber 节点完成工作后，它会将子节点的 effect 列表合并到自己的 effect 列表中。

Effect 列表中的每个 effect 都包含以下信息：

• tag：标记 effect 的类型（如插入、更新、删除、调用生命周期方法）。
• target：需要操作的 DOM 节点或组件实例。
• callback：需要执行的回调函数（如生命周期方法）。

Commit 阶段会按照 effect 列表的顺序执行副作用。这保证了 DOM 操作和生命周期方法的执行顺序是正确的。

5. 总结与展望

React Fiber 是 React 核心算法的一次重大升级，它通过引入 Fiber 节点、双缓冲、任务分解、时间切片和优先级等概念，实现了异步渲染和更精细的渲染控制。这使得 React 能够更好地处理大型复杂应用，提高应用的性能和响应能力。

Fiber 的引入也为 React 的未来发展奠定了基础。例如，React Concurrent Mode（并发模式）就是基于 Fiber 架构实现的。Concurrent Mode 允许 React 在多个任务之间并发地执行，进一步提高了应用的响应性和流畅度。

React Fiber 的设计思想和实现方式对前端框架的发展产生了深远的影响。许多其他的框架也开始借鉴 Fiber 的思想，来实现类似的异步渲染和优先级调度机制。

总的来说，React Fiber 是一项复杂而精妙的技术，它代表了 React 团队对性能和用户体验的极致追求。理解 Fiber 的工作原理，不仅可以帮助我们更好地使用 React，也可以让我们更深入地了解现代前端框架的设计思想和发展趋势。