React 16任务调度优势及原理解析

小结：
1）
浏览器的帧，什么是帧，浏览器通过一定频率的刷新页面，让页面得以变化。帧就是一次的页面刷新。对于chrome来说每秒60次的刷新频率使得帧的执行时间大约为16.6ms,那么这16.6ms都做了哪些事情。
2）
React15对于大量的DOM节点的更新，会出现卡顿，主要的原因是因为15采用的函数递归调用的方法实现的节点的更新。当Diff的计算时间超过帧渲染时间（60Hz的屏幕刷新率，对应的时间大约是16.6ms）就会感知到卡顿。

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React 16任务调度优势及原理解析

原创 李博文@贝壳找房 贝壳产品技术 2021-12-23 20:46

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2017年4月19日，在F8大会上，开源了React Fiber。React Fiber的出现让我们的react的页面变得更加流畅丝滑 ，尤其是对于react 任务调度来说，引入时间分片策略，将任务采用时间分片调度方式，进而实现更流畅的体验。本文通过对比react15与react16，帮助读者更好的理解React 16基于时间分片的任务调度方式，对于提升用户体验来说其显著优势在哪里，以及该方式是怎么实现的。

我以一段代码片段开始谈起(目前工作中使用的是react16)。下面是一个react的代码片段，再简单不过的用法：

babel编译器会将JSX的代码转换成React.createElement函数调用（注意在新的React 17里不在转换成该函数调用）。我们截取render里面的JSX结构，通过babel转化成了如下代码：

以上函数调用，react会生成一个FiberTree。

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Fiber Tree 的生成

首先生成Fiber树，需要一个一个Fiber节点串联形成，那么Fiber节点是怎么连接而成的？下面我们介绍下Fiber的数据结构，Fiber的数据结构是个链表的结构：

链表的数据结构可以串联起来形成树的结构，树结构可以通过数据结构的算法进行遍历（React 采用的是DFS算法进行遍历），进而我们很容易到达FiberTree的任何节点，对节点的增删改的操作也变得易于操作，它的空间复杂度平均为O(logN)。

下面就是一个Fiber Tree的样子：

02

react15 VS react16 性能对比

以上我们对Fiber Tree 有了一个大体的印象，然后谈下为什么React要提出Fiber Tree这个概念？首先我们要对比下React15，看看React15现实应用中的情况。React15核心就是生成了VDom,reconciler是实现VDom的主要方法。React15对于大量的DOM节点的更新，会出现卡顿，主要的原因是因为15采用的函数递归调用的方法实现的节点的更新。当Diff的计算时间超过帧渲染时间（60Hz的屏幕刷新率，对应的时间大约是16.6ms）就会感知到卡顿。下面的地址可以帮助大家看下React15 与 React16 对于大量dom的对比效果。

对比效果展示：React15实现大量dom的更新 && React16实现大量dom的更新。

基于功能实践，对比二者性能指标如下：

1. React15采用stack的方式，有些情况出现卡帧现象，主要是因为task 耗时太多，300ms远远超出浏览器的刷新时间，导致渲染时间延后，出现人眼可感知的卡帧现象。

    2. React16采用基于时间分片的Fiber方式 ,任务保证在16.7ms 内完成，与帧频同步，所以没有出现卡帧现象。因此fiber 的性能对于交互友好，出色于stack 方式。

下面基于目前的实现的现状背景，我们来探讨关于react 时间分片调度的优势。

react15采用函数调用方式实现DOM更新，如下图所示，调用栈越深，调用花费的时间越长，且中途无法中断。一旦时间超出一帧的时间，这样就会出现掉帧问题。

而React16则采用Fiber的实现方式，所谓Fiber的实现方式实际上是通过时间分片来完成一个个Fiber任务。一个个Fiber任务的有序调度执行的过程，最终会完成一次节点的更新。时间被分成一个个片段，任务在时间分片中执行，时间分片中的任务可以被中断，一旦中断就会释放执行权，进而执行高优任务。例如我们React在更新节点时，用户触发了一个点击的交互，为了响应该交互（优先级较高），react需要中断，去执行高优的任务。如果采用函数调用栈的方式，那么我们很难中断后，再回来继续执行任务。因此Fiber这种时间分片，以及链表的数据结构可以胜任这项工作。

下图是react16采用时间分片的方式执行任务：

那么问题来了，时间分片是什么？

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时间分片

首先我们需要了解浏览器的帧，什么是帧，浏览器通过一定频率的刷新页面，让页面得以变化。帧就是一次的页面刷新。对于chrome来说每秒60次的刷新频率使得帧的执行时间大约为16.6ms,那么这16.6ms都做了哪些事情。下图大体可以了解到一帧都做了哪些事情。

1.注意被标记的绿色部分，requestAnimationFrame函数，执行的位置在渲染之前，任务在该位置执行，避免了重构重绘，其次它的执行频次是跟系统同步的，它能保证回调函数在屏幕每一次的刷新间隔中都被执行，因此不会导致丢帧的问题。那么它属于理想模型范畴，但是他的执行时机会根据系统频率变动，假设页面重新渲染前有8ms 的空闲，那么这个时间会被浪费掉。所以这个API不是最优解。

2.注意被标记成蓝色的部分，他就是React用到的时间分片。它其实是帧剩余时间。他的位置十分特殊，他位于渲染之后，下一帧到来之前。因此我们在这里做的事情不会影响当前帧的渲染，对于高优任务我们也能在下一帧到来之前做好处理的准备。因此这个时间片段需要注意理解他跟渲染的关系，以及与下一帧的关系。那么JS又是通过谁来触发该时机执行任务呢，原生的requestIdleCallback函数就支持在该时间片段执行任务，是不是有点兴奋，大招直接用？可是浏览器有些不兼容。requestIdleCallback兼容性请看下图：

考虑到以上兼容性问题，React自己实现了requestIdleCallback。那么怎么实现？我们可以根据一段React源码。截取一段关键代码如下图，发现react用到了一个MessageChannel API。接下来我们会思考他是做啥的，他的执行时机是怎样的。这又会涉及事件循环，接下来我们来简单说下事件循环 -- Event loop。

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Event Loop

在JS事件循环中,每进行一次循环操作的关键步骤如下：

1. 执行一个宏任务

2. 执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中

3. 宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有微任务（依次执行）

4. 当前微任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染

5. 渲染完毕后，JS线程继续接管，开始下一个宏任务（从事件队列中获取）

上面说到的MessageChannel 就会触发一个宏任务。因此MessageChannel作为一个宏任务他与requestIdleCallback具有相同特点 -- 时机可控，宏任务会在渲染之前执行，因此不会造成频繁多次重渲染，其次他会让出主线程，在下一次宏任务到来恢复，其次就是有节奏的触发宏任务，进而形成上面时间分片图里面的波形图。

这里插播一个思考，说到宏任务我们常用到setTimeout(fn,0) 去触发，但是为何没有采用这个API呢，答案是在你因为连续递归调用setTimeout 时，你会发现setTimeout 与下一个setTimeout 之间有4ms 的间隔，这样会出现4ms 的浪费。所以没有作为最优解。下面我们回到正题说下react的任务是怎么调度执行的？

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React 中任务的调度

状态更新由用户交互产生，用户心里对交互执行顺序有个预期。React根据人机交互研究的结果中用户对交互的预期顺序，进而为交互产生的状态更新赋予不同优先级。因此React 将优先级进行级别划定，从上到下优先级依次降低，分为如下级别：

1. Immediate 立即执行优先级，需要同步执行的任务。

   (例如：load、error、loadStart、abort、animationEnd 事件)

2. UserBlocking 用户阻塞型优先级

   (例如：touchMove、mouseMove、scroll、drag、dragOver 事件)。

3. Normal 普通优先级（基于当前时间片来说还有5 s 该任务过期）。

4. Low 低优先级（基于当前时间片来说还有10s 该任务过期）。

5. Idle 空闲优先级（永不过期）。

上面是对优先级定义的标准，而react 对于任务优先级会用一个变量进行衡量 ，它叫做ExpirationTime。ExpirationTime = MaxTime(31位的最大整数) —（currentTime+delayTimeByTaskPriority）。数值越大优先级越高，例如currentTime相同情况下，delayTimeByTaskPriority 则是衡量优先级的大小的因素，越高优先级，它的值越小。

react根据优先级（ExpirationTime大小）去调度任务的执行，对于调度器（Scheduler）来说，它管理了两个队列，taskQueue与timerQueue，timerQueue存放没有过期的任务，直到过期时间到来时，通过advanceTimers函数找到将要过期的任务，将其放到taskQueue的队列里，一旦时间到来且主线程空闲，我们就会去执行taskQueue队列的任务。执行该任务就会用到上面说到的MessageChannel去实现一个宏任务，执行该回调任务。

我们最后以一个示例讲述任务调度的过程：

上面的页面有个列表，点击乘2按钮，列表数字进行乘2操作，点击加粗按钮，列表数字加粗。以上是页面的具体功能。基于以上代码，生成相关Fiber 树如下:

当点击X2按钮，生成JSX，其次 React 会开始深度遍历整个当前的Fiber树（current Fiber Tree），与此同时将JSX与current Fiber Tree 进行对比，生成workInProgress树（react更新会生成一个个Fiber节点的拷贝，经过对比计算生成了一棵树，这就叫workInProgress Tree）。在diff对比过程中点击字体加粗按钮，该点击交互的任务进入任务队列，由于该优先级高于当前Fiber任务的优先级，所以React 将取出该字体加粗的高优先级任务，执行整个页面字体加粗的任务，中断了当前diff 过程。

当加粗的任务完成后，我们又回到react刚才被中断的任务，继续diff，当遍历到更新的叶子节点时发现该节点值改变，我们将它打上一个红色的TAG,将该节点放入到EffectList中。继续遍历剩余的节点，直到回溯到根节点为止，结束所有的遍历。结束完所有遍历之后，我们将EffectList中的所有节点进行遍历，进入commit阶段，基于EffectList，执行完成commit 阶段的相关节点的更新，删除，增加。

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总结

最后我们将本文的要点做一个总结：react16 将任务细化为Fiber节点，就好比单核操作系统实现任务并行，采取的时间分片策略一样。react16通过链表的形式将该Fiber串联成Fiber Tree ， 然后对任务定义优先级，利用调度器去执行Fiber任务，对于高优先级的用户交互，调度器会将react的任务暂停，迅速让出主线程的占用，通过触发一个JS的宏任务的处理高优先级的任务，一旦处理完，调度器会回到刚才的终止状态，继续执行Fiber 任务。对于时间分片的时间小于任务时间的情况，也会导致任务的中断，因此在workInProgress指针中会记录当前中断的位置，当下个时间分片到来时，我们会基于该指针恢复任务的执行，以上就是React16 的任务调度。

参考：

• Scheduling-in-React:

  https://philippspiess.com/scheduling-in-react/

• [1]   React源码:

  https://github.com/facebook/react/blob/1fb18e22ae66fdb1dc127347e169e73948778e5a/packages/scheduler/src/forks/SchedulerHostConfig.default.js#L224-L226

• [2]  React15实现大量dom的更新:

  https://claudiopro.github.io/react-fiber-vs-stack-demo/stack.html

• [3]  React16实现大量dom的更新:

  https://claudiopro.github.io/react-fiber-vs-stack-demo/fiber.html