1.浏览器渲染

为了更好的理解 React Fiber, 我们先简单了解下渲染器进程的内部工作原理。

参考资料:

1. 从内部了解现代浏览器(3)^[1]

2. 渲染树构建、布局及绘制^[2]

1.1 渲染帧

帧 (frame): 动画过程中，每一幅静止的画面叫做帧。

帧率 (frame per second): 即每秒钟播放的静止画面的数量。

帧时长 (frame running time): 每一幅静止的画面的停留时间。

丢帧 (dropped frame): 当某一帧时长高于平均帧时长。

• 一般来说浏览器刷新率在60Hz, 渲染一帧时长必须控制在16.67ms (1s / 60 = 16.67ms)。

• 如果渲染超过该时间, 对用户视觉上来说，会出现卡顿现象，即丢帧 (dropped frame)。

1.2 帧生命周期

图: 简单描述帧生命周期

简单描述一帧的生命周期:1. 一帧开始。2. 主线程:- Event Handlers: UI交互输入的事件回调, 例如input、click、wheel等。- RAF: 执行requestAnimationFrame回调。- DOM Tree: 解析HTML, 构建DOM Tree, 当JS对DOM有变更会重新触发该流程。- CSS Tree: 构建CSS Tree。至此构建出Render Tree。- Layout: 所有元素的position、size信息。- Paint: 像素填充, 例如颜色、文字、边框等可视部分。- Composite: 绘制的指令信息传到合成线程中。- RequestIdleCallback: 如果此时一帧还有空余时间, 则执行该回调。3. 合成线程:- Raster: 合成线程将信息分块, 并把每块发送给光栅线程, 光栅线程创建位图, 并通知GPU进程刷新这一帧。4. 一帧结束。

1.3 丢帧实验

怎么就丢帧了呢?

对于流畅的动画，如果一帧处理时间超过16ms，就能感到页面的卡顿了。

Demo: https://linjiayu6.github.io/FE-RequestIdleCallback-demo/

Github: RequestIdleCallback 实验^[3]

当用户点击任一按键 A，B，C，因为主线程执行Event Handlers任务，动画因为浏览器不能及时处理下一帧，导致动画出现卡顿的现象。

// 处理同步任务，并占用主线程const bindClick = id => element(id).addEventListener('click', Work.onSyncUnit)// 绑定click事件bindClick('btnA')bindClick('btnB')bindClick('btnC')var Work = {// 有1万个任务unit: 10000,// 处理每个任务onOneUnit: function () {  for (var i = 0; i <= 500000; i++) {} },// 同步处理: 一次处理完所有任务onSyncUnit: function () {let _u = 0while (_u < Work.unit) {Work.onOneUnit()_u ++}}}

1.4 解决丢帧

上述，我们发现 JS运算是占用渲染的时间的。

在连续动画中，要做高耗时的操作，如何保证帧平稳呢？

解决丢帧思考如下:

1. 一帧空闲时处理, 利用 RequestIdleCallback^[4] 处理任务。

window.requestIdleCallback()方法将在浏览器的空闲时段内调用的函数排队。这使开发者能够在主事件循环上执行后台和低优先级工作，而不会影响延迟关键事件，如动画和输入响应。函数一般会按先进先调用的顺序执行，然而，如果回调函数指定了执行超时时间timeout，则有可能为了在超时前执行函数而打乱执行顺序。

1. 对高耗时的任务，进行分步骤处理。

1. Web worker 貌似也可以解决上述问题，这里不做扩展。

2. ...

这里我们利用 RequestIdleCallback^[5] 做个实验咩。

Demo: https://linjiayu6.github.io/FE-RequestIdleCallback-demo/

Github: RequestIdleCallback 实验

const bindClick = id => element(id).addEventListener('click', Work.onAsyncUnit)// 绑定click事件bindClick('btnA')bindClick('btnB')bindClick('btnC')var Work = {// 有1万个任务unit: 10000,// 处理每个任务onOneUnit: function () {  for (var i = 0; i <= 500000; i++) {} },// 异步处理onAsyncUnit: function () {// 空闲时间 1msconst FREE_TIME = 1let _u = 0function cb(deadline) {// 当任务还没有被处理完 & 一帧还有的空闲时间 > 1mswhile (_u < Work.unit && deadline.timeRemaining() > FREE_TIME) {Work.onOneUnit()_u ++}// 任务干完, 执行回调if (_u >= Work.unit) {// 执行回调return}// 任务没完成, 继续等空闲执行window.requestIdleCallback(cb)}window.requestIdleCallback(cb)}}

requestIdleCallback 启发

将一个大任务分割成N个小任务，在每一帧有空余时间情况下，逐步去执行小任务。

2.React15 (-) 架构缺点

React: stack reconciler实现^[7]

React 算法之深度优先遍历^[8]

递归 Recursion: 利用 调用栈^[9]，实现自己调用自己的方法。

最常见的就是 Leetcode: 斐波拉契数列^[10] 、Leetcode: 70. 爬楼梯^[11]。

2.1 概述原因

该情况，类似我们上述# 1.3丢帧实验。

2.2 流程和代码解析

可能需要你有点 深度优先遍历、递归、回溯思想、???? 等数据结构的知识。

这里只做流程解析，代码也为阉割版，重点是理解思想哈。

某React节点如下:

  class A extends React.Component {...render() {return (<div id="app"><h1></h1><p><h2></h2></p><h3></h3></div>)}}

图 DFS + 递归遍历的路径

下面是 ReactFiberWorkLoop.old.js^[12] 阉割版代码，为了简要说明该流程。

// 工作循环同步处理function workLoopSync() {// 有任务while (workInProgress !== null) {performUnitOfWork(workInProgress);}}function performUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {// 对该节点 开始工作: return workInProgress.child; 返回的是该节点的孩子let next = beginWork(...);if (next === null) {// 对某Node 完成工作: 回溯向上, 向上找到某节点的兄弟 sibling 或 直到向上为root代表, 遍历结束。completeUnitOfWork(unitOfWork);} else {// 从ta 孩子入手, 继续向下工作workInProgress = next;}}/*** siblingFiber: 兄弟节点* returnFiber: 父亲节点*/function completeUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {let completedWork = unitOfWork;// 这里又是一个循环do {// 1. 判断任务是否完成, 完成就打个完成的标签, 没有完成就抛出异常// 2. 如果有兄弟节点, 那么接下来工作节点是该 xdif (completedWork.sibling !== null) {workInProgress = siblingFiber;return;}// 3. 否则, 返回父亲节点completedWork = completedWork.return;workInProgress = completedWork;} while (completedWork !== null);// 最后, 是root节点, 结束if (workInProgressRootExitStatus === RootIncomplete) {workInProgressRootExitStatus = RootCompleted;}}

3.上述总结

因果关系

基于这些原因，React不得不重构整个框架。

1. React (15ver-) 对创建和更新节点的处理，是通过 递归 ????。2. 递归 ， 在未完成对整个???? 的遍历前，是不会停止的。3. 该 任务 一直占用浏览器主线程，导致无 响应优先级更高 的任务。4. 故，浏览器渲染超过临界时间，从视觉上来看，卡死 ????。

主动思考

为了快速响应，防止丢帧，解决思路:1. 将 任务 分解成 N个小任务；2. If 一帧里没有 优先级更高的任务，则执行自己。else 有其他 优先级高的事务, 优先执行其他。If 等一帧有 空闲 再执行自己。else 下一帧。

我们再回头看下这个图，问题即转换如下:

如何将任务拆分？如何判断优先级？如何判断一帧空闲时，再执行？...

Fiber 架构

推荐 ???? https://github.com/7kms/react-illustration-series/tree/v17.0.1

推荐 ???? https://react.iamkasong.com/preparation/oldConstructure.html

下面，不会有大段大段代码，去讲具体的实现。

而是，以因果逻辑，带你去了解 why，how，when (为什么、怎么做、何时做)。

4.抽象问题

上面我们说到了什么任务、优先级等等，我们通过图的方式，抽象下问题。

描述:1. 任务A进入执行区域。2. 在执行任务A的过程中，更高优先级任务B，请求被执行。3. 但因为先来后到嘛，此时任务B因为无法被执行，而暂时被挂起，只能等待执行。4. 只有执行完任务A后，才会执行任务B。

上述流程可类比:  你在吃饭，突然你老板 给你打电话，你一定要坚持吃完饭，才接你老板的电话。

(脑补一下老板的表情????)

很明显，这样处理问题，效率奇低无比。

按照我们在前情总结部分的诉求，将上述图变成这样是不是更合理些。

描述:1. 任务A进入执行区域。2. 在执行任务A的过程中，更高优先级任务B，请求被执行。3. 考虑到任务B优先级更高，则将任务A没有执行完成的部分，Stash暂存。4. 任务B被执行。当任务B被执行完成后，去执行剩余没有完成的任务A。

上述流程可类比:  你在吃饭，突然你老板给你打电话，即使你没有吃完饭，也接起了你老板的电话，后继续吃饭。(脑补一下老板的表情????)

5.核心关注

5.1 并发、调度

Concurrency & Scheduler

Concurrency 并发:  有能力优先处理更高优事务，同时对正在执行的中途任务可暂存，待高优完成后，再去执行。

concurrency is the ability of different parts or units of a program^[13], algorithm^[14], or problem^[15] to be [executed](https://en.wikipedia.org/wiki/Execution_(computing "executed")) out-of-order or at the same time simultaneously partial order^[16], without affecting the final outcome.

https://en.wikipedia.org/wiki/Concurrency_(computer_science)

Scheduler 协调调度: 暂存未执行任务，等待时机成熟后，再去安排执行剩下未完成任务。

考虑 所有任务可以被并发执行，就需要有个协调任务的调度算法。

看到这里，不知道你有没有发现一个大bug。

肯定是Call Stack^[17]。

5.2 调用栈、虚拟调用栈帧

调用栈这里看起来就很不合理。

因为浏览器是利用调用栈来管理函数执行顺序的，秉承着先进后出原则，是如何做到某任务都入栈了，但是因为中途有其他事儿，就被中断。中断就不算了，还能中断后，接着后续再执行。

问题突然间就变成: pause a functioin call (暂停对一个函数的调用)。

巧了，像 generator 和 浏览器debugger 就可以做到中断函数调用。但考虑到可中断渲染，并可重回构造。React自行实现了一套体系叫做 React fiber 架构。

React Fiber 核心: 自行实现 虚拟栈帧。

That's the purpose of React Fiber. Fiber is reimplementation of the stack, specialized for React components. You can think of a single fiber as a virtual stack frame.

https://github.com/acdlite/react-fiber-architecture

看到这里，是不是觉得 React yyds。ps: 反正看不太懂的都是 yyds。

5.3 React 16 (+) 架构

6.数据结构

FiberNode.js^[18]

Fiber的数据结构有三层信息: 实例属性、构建属性、工作属性。

下面以该demo代码为例:

<div id="linjiayu">123</div><script type="text/babel">const App = () => {const [sum, onSetSum] = React.useState(0)return (<div id="app 1"><h1 id="2-1 h1">标题 h1</h1><ul id="2-2 ul"> <li id="3-1 li" onClick={() => onSetSum(d => d + 1)}>点击 h2</li><li id="3-2 li">{sum}</li></ul><h3 id="2-3 h3">标题 h3</h3></div>)}ReactDOM.render(<App />,document.getElementById('linjiayu'));</script>

6.1 实例属性

该Fiber的基本信息，例如组件类型等。

6.2 构建属性

构建属性 (return、child、sibling)，根据上面代码，我们构建一个Fiber树????。

构建流程

和 2.2 流程和代码解析 部分不同的是:

1. 分为同步或异步更新。

2. 且增加的异步更新 使用该字段 shouldYield 来判断是否需要中断。

// performSyncWorkOnRoot会调用该方法function workLoopSync() {while (workInProgress !== null) {performUnitOfWork(workInProgress);}}// performConcurrentWorkOnRoot会调用该方法function workLoopConcurrent() {while (workInProgress !== null && ! shouldYield ()) {performUnitOfWork(workInProgress);}}

在一个递归循环里，递: beginWork()^[19], 归 completeWork()^[20]

虚线: 表达构建关系，但未完成状态。

实线: 已构建关系，并已执行某个状态。

• 实线 child 和 sibling 已执行beginWork()

• 实线 return 已执行 completeUnitOfWork()

1. 创建fiberNode FiberRootNode 2. 创建fiberNode rootFiber (即示例中 <div id="linjiayu">)进入循环工作区域, workInProgress(工作指针指向 rootFiber)3. 创建fiberNode App beginWork() -> 只有一个子节点 -> workInProgress(工作指针指向App) 4. 创建fiberNode div beginWork() -> 有多个子节点 -> workInProgress(工作指针指向div)

5. 构建孩子们节点按照5.1 -> 5.2 -> 5.3 顺序将每个节点创建。

6. workInProgress (工作指针指向h1)beginWork() -> 没有子节点 -> completeUnitOfWork() -> 有兄弟节点，继续 ...

6.3 工作属性

1. 【数据】数据的变更会导致UI层的变更。

2. 【协调】为了减少对DOM的直接操作，通过Reconcile进行diff查找，并将需要变更节点，打上标签，变更路径保留在effectList里。

3. 【调度】待变更内容要有Scheduler优先级处理。

故，涉及到diff等查找操作，是需要有个高效手段来处理前后变化，即双缓存机制。

有关双缓存机制、数据更新、diff算法等，这里不做过多介绍。

7.Reconciler 和 Scheduler

上面，我们概述了fiberNode的数据结构，链表结构即可支持随时随时中断的诉求。

下面我们简述下架构中两个核心模块:

• Reconciler (协调): 负责找出变化的组件。

• Scheduler (调度): 负责找出高优任务。

7.1 Reconciler 运行流程浅析

1. 【输入】  当数据初始化或变化，最后会调用schedulerUpdateOnFiber该方法。

• 不需要调度，直接去构造fiber树。

• 需要调度，注册调度任务。

// scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime) 以下为阉割版代码// 同步if (lane === SyncLane) {if ( // Check if we're inside unbatchedUpdates (没有一次事件回调中触发多次更新)(executionContext & LegacyUnbatchedContext) !== NoContext && // Check if we're not already rendering (是否尚未渲染)(executionContext & (RenderContext | CommitContext)) === NoContext) {// 不调度, 直接去构造fiber树performSyncWorkOnRoot(root);}}// 否则，需要调度交给Scheduler后，再去构造fiber树ensureRootIsScheduled(root, eventTime);

1. 【注册任务】  ensureRootIsScheduled

两类任务:

• performSyncWorkOnRoot 同步构建tree。

• performConcurrentWorkOnRoot 异步构建tree。

scheduleSyncCallback 或 scheduleCallback: 将上述两类任务封装到了对应的任务队列中。

// ensureRootIsScheduledfunction ensureRootIsScheduled(root, currentTime) {// ....// 1. 优先级最高，立刻马上要同步执行if (newCallbackPriority === SyncLanePriority) {newCallbackNode = scheduleSyncCallback(performSyncWorkOnRoot.bind(null, root));// 2. 同步批量更新} else if (newCallbackPriority === SyncBatchedLanePriority) {newCallbackNode = scheduleCallback(ImmediatePriority$1, performSyncWorkOnRoot.bind(null, root));} else {// 3. 异步优先级登记var schedulerPriorityLevel = lanePriorityToSchedulerPriority(newCallbackPriority);newCallbackNode = scheduleCallback(schedulerPriorityLevel, performConcurrentWorkOnRoot.bind(null, root));}// ...// 更新rootFiber 任务root.callbackNode = newCallbackNode;}

同步任务会放到syncQueue 队列，会被立即被执行。

var _queue = syncQueue;// 执行所有同步任务runWithPriority(ImmediatePriority, () => {for (; i < queue.length; i++) {let callback = queue[i];do {callback = callback(isSync);} while (callback !== null);}});// 清空同步任务syncQueue = null;

异步处理会调用 scheduler方法 unstable_scheduleCallback，其实是requestIdleCallback替代品，该方法传入回调任务，和过期时间，来安排任务的执行。

function unstable_scheduleCallback(callback, deprecated_options) {}

1. 【执行任务回调】

下面 performSyncWorkOnRoot 和 performConcurrentWorkOnRoot 不同的是: 异步执行任务，可随时中断渲染 shouldYield()

同步执行构建树

function performSyncWorkOnRoot(root) {// 1. 构建树/*renderRootSync 会 调用该方法 workLoopSyncwhile (workInProgress !== null) {performUnitOfWork(workInProgress);}*/renderRootSync(root, lanes)// 2. 输出树 (可看下双缓存机制)finishedWork = root.current.alternate;}

异步执行构建树

function performConcurrentWorkOnRoot(root) {// 1. 构建树/*renderRootConcurrent 会 调用该方法 workLoopConcurrentwhile (workInProgress !== null &&  !shouldYield() ) {performUnitOfWork(workInProgress);}*/renderRootConcurrent(root, lanes);// 2. 输出树 (可看下双缓存机制)finishConcurrentRender(root, exitStatus, lanes);// 3. check 是否还有其他更新, 是否需要发起新调度ensureRootIsScheduled(root, now());if (root.callbackNode === originalCallbackNode) {// 当前执行的任务被中断，返回个新的，再次渲染。return performConcurrentWorkOnRoot.bind(null, root);}return null;}

1. 【输出】

将变更内容，输出至界面。详细看 commitRoot方法的实现。这里不做扩展。

1. 小总结

7.2 Scheduler 运行流程浅析

workloop.js^[21]

上面我们说到了同步和异步的任务，异步任务是可以中断且需要Scheduler配合处理。

注意只有异步任务即开启了并发模式，才会有时间分片。

workLoop是 实现时间切片 和 可中断渲染的核心。也是我们上面说到的虚拟栈帧的能力  。

以下为了说明，简化流程:

// 并发任务的入口function workLoopConcurrent() {// Perform work until Scheduler asks us to yield// 有任务 & 是否需要中断while (workInProgress !== null && !shouldYield() ) {performUnitOfWork(workInProgress);}}const scheduler = {// 任务放到队列里，等待空闲执行taskQueue: [{// 每个任务是个回调的概念, 且回调任务是可中断的callback: workLoopConcurrent}],// 判断: 是否需要中断, 将控制权交给主进程shouldYieldToHost () {// 没有剩余时间if (currentTime >= deadline) {// 但需要渲染 和 有更高优任务if (needsPaint || scheduling.isInputPending()) {return true; // 中断}// 是否超过 300msreturn currentTime >= maxYieldInterval;}// 还有剩余时间return false;},// 执行入口可见workLoop () {// 当前第一个任务currentTask = taskQueue[0];// 每次 currentTask 退出 就是一个时间切切片while(currentTask !== null) {// 任务没有过期, 但一帧已经无可用时间 或 需要被中断, 则让出主线程// 每一次执行均进行超时检测，做到让出主线程。if (currentTask.expirationTime > currentTime&& (!hasTimeRemaining || shouldYieldToHost())) {break}// 执行任务const callback = currentTask.callback;const continuationCallback = callback(didUserCallbackTimeout);// 如果该任务后, 还有连续回调if (typeof continuationCallback === 'function') {// 则保留当前currentTask.callback = continuationCallback;} else  {// 将currentTask移除该队列pop(taskQueue);}// 更新currentTaskcurrentTask = peek(taskQueue);}},}

简而言之:

1. 有个任务队列 queue，该队列存放可中断的任务。

2. workLoop对队列里取第一个任务currentTask，进入循环开始执行。

• 如果任务执行完后，还有连续的回调，则 currentTask.callback = continuationCallback

• 否则移除已完成的任务

• 当该任务没有时间 或 需要中断 (渲染任务 或 其他高优任务插入等)，则让出主线程。

• 否则执行任务 currentTask.callback()

• 更新任务currentTask，继续循环走起。

这里还涉及更多细节，例如:

• requestAnimationFrame 计算一帧的空余时间；

• 使用new MessageChannel () 执行宏任务;

• 优先级;

• ...

这里不做详细说明。

8.小总结

• 我们想要实现并发诉求，就需要从底层重构，即FiberNode的实现。

• 调用栈call stack是无法做到并发 (异步可中断) 诉求，故React自行实现了一套虚拟栈帧。

• 虚拟栈帧 是要具备调度能力的，也就是如何在适当的时候去执行任务。

• scheduler 可做到异步可中断，并可自主分配优先级高低的任务。

(即任务 (状态: 运行/中断/继续) Lane运行策略)

(实际上，scheduler + Lane 调度策略远比该处理复杂的多????)

图: 前后对比 (个人理解, 错误请指正)

以上，同学们是不是对React Fiber架构有了初步的理解哦~

其他说明

双缓存机制

参考: 双缓存Fiber树^[22]

至多有两棵 Fiber Tree。

分别叫做current fiber tree 和 workInProgress fiber tree。

即在屏幕上已建立的fiber tree 和 因为数据变化重新在内存里创建的fiber tree。

他们之间是通过 alternate属性(指针) 建立连接。

简单的说:

1. 就是workInProgress fiber的创建 是否可复用 current fiber的节点。后续可再详看diff算法。

2. workInProgress fiber tree 将确定要变更节点，渲染到屏幕上。

3. workInProgress fiber tree 晋升为 current fiber tree。

参考资料

[1]

从内部了解现代浏览器(3): https://juejin.cn/post/6844903687383416840

[2]

渲染树构建、布局及绘制: https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/critical-rendering-path/render-tree-construction

[3]

RequestIdleCallback 实验: https://github.com/Linjiayu6/FE-RequestIdleCallback-demo

[4]

RequestIdleCallback: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Window/requestIdleCallback

[5]

RequestIdleCallback: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Window/requestIdleCallback

[6]

RequestIdleCallback 实验: https://github.com/Linjiayu6/FE-RequestIdleCallback-demo

[7]

React: stack reconciler实现: https://zh-hans.reactjs.org/docs/implementation-notes.html

[8]

React 算法之深度优先遍历: https://juejin.cn/post/6912280245055782920

[9]

调用栈: https://segmentfault.com/a/1190000010360316

[10]

Leetcode: 斐波拉契数列: https://leetcode-cn.com/problems/fei-bo-na-qi-shu-lie-lcof/

[11]

Leetcode: 70. 爬楼梯: https://leetcode-cn.com/problems/climbing-stairs/

[12]

ReactFiberWorkLoop.old.js: https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.1/packages/react-reconciler/src/ReactFiberWorkLoop.old.js#L1558

[13]

program: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_program

[14]

algorithm: https://en.wikipedia.org/wiki/Algorithm

[15]

problem: https://en.wikipedia.org/wiki/Problem_solving

[16]

partial order: https://en.wikipedia.org/wiki/Partial_Order

[17]

Call Stack: https://segmentfault.com/a/1190000021456103

[18]

FiberNode.js: https://github.com/facebook/react/blob/1fb18e22ae66fdb1dc127347e169e73948778e5a/packages/react-reconciler/src/ReactFiber.new.js#L117

[19]

beginWork(): https://github.com/facebook/react/blob/970fa122d8188bafa600e9b5214833487fbf1092/packages/react-reconciler/src/ReactFiberBeginWork.new.js#L3058

[20]

completeWork(): https://github.com/facebook/react/blob/970fa122d8188bafa600e9b5214833487fbf1092/packages/react-reconciler/src/ReactFiberCompleteWork.new.js#L652

[21]

workloop.js: https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.1/packages/scheduler/src/Scheduler.js#L164

[22]

双缓存Fiber树: https://react.iamkasong.com/process/doubleBuffer.html#update%E6%97%B6