React 源码剖析系列 － 不可思议的 react diff

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

react

目前，前端领域中 React 势头正盛，使用者众多却少有能够深入剖析内部实现机制和原理。本系列文章希望通过剖析 React 源码，理解其内部的实现原理，知其然更要知其所以然。

React diff 作为 Virtual DOM 的加速器，其算法上的改进优化是 React 整个界面渲染的基础，以及性能提高的保障，同时也是 React 源码中最神秘、最不可思议的部分，本文从源码入手，深入剖析 React diff 的不可思议之处。

  • 阅读本文需要对 React 有一定的了解，如果你不知何为 React，请详读 React 官方文档。

  • 如果你对 React diff 存在些许疑惑，或者你对算法优化感兴趣，那么本文值得阅读和讨论。

前言

React 中最值得称道的部分莫过于 Virtual DOM 与 diff 的完美结合，特别是其高效的 diff 算法，让用户可以无需顾忌性能问题而”任性自由”的刷新页面，让开发者也可以无需关心 Virtual DOM 背后的运作原理，因为 React diff 会帮助我们计算出 Virtual DOM 中真正变化的部分，并只针对该部分进行实际 DOM 操作，而非重新渲染整个页面，从而保证了每次操作更新后页面的高效渲染，因此 Virtual DOM 与 diff 是保证 React 性能口碑的幕后推手。

行文至此，可能会有读者质疑：React 无非就是引入 diff 这一概念，且 diff 算法也并非其首创，何必吹嘘的如此天花乱坠呢？

其实，正是因为 diff 算法的普识度高，就更应该认可 React 针对 diff 算法优化所做的努力与贡献，更能体现 React 开发者们的魅力与智慧！

传统 diff 算法

计算一棵树形结构转换成另一棵树形结构的最少操作，是一个复杂且值得研究的问题。传统 diff 算法通过循环递归对节点进行依次对比，效率低下，算法复杂度达到 O(n^3)，其中 n 是树中节点的总数。O(n^3) 到底有多可怕，这意味着如果要展示1000个节点，就要依次执行上十亿次的比较。这种指数型的性能消耗对于前端渲染场景来说代价太高了！现今的 CPU 每秒钟能执行大约30亿条指令，即便是最高效的实现，也不可能在一秒内计算出差异情况。

如果 React 只是单纯的引入 diff 算法而没有任何的优化改进，那么其效率是远远无法满足前端渲染所要求的性能。

因此，想要将 diff 思想引入 Virtual DOM，就需要设计一种稳定高效的 diff 算法，而 React 做到了！

那么，React diff 到底是如何实现的呢？

详解 React diff

传统 diff 算法的复杂度为 O(n^3)，显然这是无法满足性能要求的。React 通过制定大胆的策略，将 O(n^3) 复杂度的问题转换成 O(n) 复杂度的问题。

diff 策略

  1. Web UI 中 DOM 节点跨层级的移动操作特别少，可以忽略不计。

  2. 拥有相同类的两个组件将会生成相似的树形结构，拥有不同类的两个组件将会生成不同的树形结构。

  3. 对于同一层级的一组子节点，它们可以通过唯一 id 进行区分。

基于以上三个前提策略，React 分别对 tree diff、component diff 以及 element diff 进行算法优化，事实也证明这三个前提策略是合理且准确的，它保证了整体界面构建的性能。

  • tree diff

  • component diff

  • element diff

本文中源码 ReactMultiChild.js

tree diff

基于策略一，React 对树的算法进行了简洁明了的优化，即对树进行分层比较，两棵树只会对同一层次的节点进行比较。

既然 DOM 节点跨层级的移动操作少到可以忽略不计，针对这一现象，React 通过 updateDepth 对 Virtual DOM 树进行层级控制，只会对相同颜色方框内的 DOM 节点进行比较，即同一个父节点下的所有子节点。当发现节点已经不存在，则该节点及其子节点会被完全删除掉，不会用于进一步的比较。这样只需要对树进行一次遍历，便能完成整个 DOM 树的比较。

updateChildren: function(nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
  updateDepth++;
  var errorThrown = true;
  try {
    this._updateChildren(nextNestedChildrenElements, transaction, context);
    errorThrown = false;
  } finally {
    updateDepth--;
    if (!updateDepth) {
      if (errorThrown) {
        clearQueue();
      } else {
        processQueue();
      }
    }
  }
}

分析至此，大部分人可能都存在这样的疑问：如果出现了 DOM 节点跨层级的移动操作，React diff 会有怎样的表现呢？是的，对此我也好奇不已，不如试验一番。

如下图，A 节点（包括其子节点）整个被移动到 D 节点下，由于 React 只会简单的考虑同层级节点的位置变换，而对于不同层级的节点，只有创建和删除操作。当根节点发现子节点中 A 消失了，就会直接销毁 A；当 D 发现多了一个子节点 A，则会创建新的 A（包括子节点）作为其子节点。此时，React diff 的执行情况：create A -> create B -> create C -> delete A。

由此可发现，当出现节点跨层级移动时，并不会出现想象中的移动操作，而是以 A 为根节点的树被整个重新创建，这是一种影响 React 性能的操作，因此 React 官方建议不要进行 DOM 节点跨层级的操作。

注意：在开发组件时，保持稳定的 DOM 结构会有助于性能的提升。例如，可以通过 CSS 隐藏或显示节点，而不是真的移除或添加 DOM 节点。

component diff

React 是基于组件构建应用的，对于组件间的比较所采取的策略也是简洁高效。

  • 如果是同一类型的组件，按照原策略继续比较 virtual DOM tree。

  • 如果不是，则将该组件判断为 dirty component，从而替换整个组件下的所有子节点。

  • 对于同一类型的组件，有可能其 Virtual DOM 没有任何变化，如果能够确切的知道这点那可以节省大量的 diff 运算时间，因此 React 允许用户通过 shouldComponentUpdate() 来判断该组件是否需要进行 diff。

如下图，当 component D 改变为 component G 时，即使这两个 component 结构相似，一旦 React 判断 D 和 G 是不同类型的组件，就不会比较二者的结构，而是直接删除 component D，重新创建 component G 以及其子节点。虽然当两个 component 是不同类型但结构相似时，React diff 会影响性能，但正如 React 官方博客所言：不同类型的 component 是很少存在相似 DOM tree 的机会，因此这种极端因素很难在实现开发过程中造成重大影响的。

element diff

当节点处于同一层级时，React diff 提供了三种节点操作，分别为：INSERT_MARKUP（插入）、MOVE_EXISTING（移动）和 REMOVE_NODE（删除）。

  • INSERT_MARKUP，新的 component 类型不在老集合里， 即是全新的节点，需要对新节点执行插入操作。

  • MOVE_EXISTING，在老集合有新 component 类型，且 element 是可更新的类型，generateComponentChildren 已调用 receiveComponent，这种情况下 prevChild=nextChild，就需要做移动操作，可以复用以前的 DOM 节点。

  • REMOVE_NODE，老 component 类型，在新集合里也有，但对应的 element 不同则不能直接复用和更新，需要执行删除操作，或者老 component 不在新集合里的，也需要执行删除操作。

function enqueueInsertMarkup(parentInst, markup, toIndex) {
  updateQueue.push({
    parentInst: parentInst,
    parentNode: null,
    type: ReactMultiChildUpdateTypes.INSERT_MARKUP,
    markupIndex: markupQueue.push(markup) - 1,
    content: null,
    fromIndex: null,
    toIndex: toIndex,
  });
}
function enqueueMove(parentInst, fromIndex, toIndex) {
  updateQueue.push({
    parentInst: parentInst,
    parentNode: null,
    type: ReactMultiChildUpdateTypes.MOVE_EXISTING,
    markupIndex: null,
    content: null,
    fromIndex: fromIndex,
    toIndex: toIndex,
  });
}
function enqueueRemove(parentInst, fromIndex) {
  updateQueue.push({
    parentInst: parentInst,
    parentNode: null,
    type: ReactMultiChildUpdateTypes.REMOVE_NODE,
    markupIndex: null,
    content: null,
    fromIndex: fromIndex,
    toIndex: null,
  });
}

如下图，老集合中包含节点：A、B、C、D，更新后的新集合中包含节点：B、A、D、C，此时新老集合进行 diff 差异化对比，发现 B != A，则创建并插入 B 至新集合，删除老集合 A；以此类推，创建并插入 A、D 和 C，删除 B、C 和 D。

React 发现这类操作繁琐冗余，因为这些都是相同的节点，但由于位置发生变化，导致需要进行繁杂低效的删除、创建操作，其实只要对这些节点进行位置移动即可。

针对这一现象，React 提出优化策略：允许开发者对同一层级的同组子节点，添加唯一 key 进行区分，虽然只是小小的改动，性能上却发生了翻天覆地的变化！

新老集合所包含的节点，如下图所示，新老集合进行 diff 差异化对比，通过 key 发现新老集合中的节点都是相同的节点，因此无需进行节点删除和创建，只需要将老集合中节点的位置进行移动，更新为新集合中节点的位置，此时 React 给出的 diff 结果为：B、D 不做任何操作，A、C 进行移动操作，即可。

那么，如此高效的 diff 到底是如何运作的呢？让我们通过源码进行详细分析。

首先对新集合的节点进行循环遍历，for (name in nextChildren)，通过唯一 key 可以判断新老集合中是否存在相同的节点，if (prevChild === nextChild)，如果存在相同节点，则进行移动操作，但在移动前需要将当前节点在老集合中的位置与 lastIndex 进行比较，if (child._mountIndex < lastIndex)，则进行节点移动操作，否则不执行该操作。这是一种顺序优化手段，lastIndex 一直在更新，表示访问过的节点在老集合中最右的位置（即最大的位置），如果新集合中当前访问的节点比 lastIndex 大，说明当前访问节点在老集合中就比上一个节点位置靠后，则该节点不会影响其他节点的位置，因此不用添加到差异队列中，即不执行移动操作，只有当访问的节点比 lastIndex 小时，才需要进行移动操作。

以上图为例，可以更为清晰直观的描述 diff 的差异对比过程：

  • 从新集合中取得 B，判断老集合中存在相同节点 B，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此时 lastIndex = 0，不满足 child._mountIndex < lastIndex 的条件，因此不对 B 进行移动操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，其中 prevChild._mountIndex 表示 B 在老集合中的位置，则 lastIndex ＝ 1，并将 B 的位置更新为新集合中的位置prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中 B._mountIndex = 0，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 A，判断老集合中存在相同节点 A，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，A 在老集合中的位置 A._mountIndex = 0，此时 lastIndex = 1，满足 child._mountIndex < lastIndex的条件，因此对 A 进行移动操作enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)，其中 toIndex 其实就是 nextIndex，表示 A 需要移动到的位置；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 1，并将 A 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中A._mountIndex = 1，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 D，判断老集合中存在相同节点 D，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，D 在老集合中的位置 D._mountIndex = 3，此时 lastIndex = 1，不满足 child._mountIndex < lastIndex的条件，因此不对 D 进行移动操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 3，并将 D 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中D._mountIndex = 2，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 C，判断老集合中存在相同节点 C，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，C 在老集合中的位置 C._mountIndex = 2，此时 lastIndex = 3，满足 child._mountIndex < lastIndex 的条件，因此对 C 进行移动操作 enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 3，并将 C 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中 C._mountIndex = 3，nextIndex++ 进入下一个节点的判断，由于 C 已经是最后一个节点，因此 diff 到此完成。

以上主要分析新老集合中存在相同节点但位置不同时，对节点进行位置移动的情况，如果新集合中有新加入的节点且老集合存在需要删除的节点，那么 React diff 又是如何对比运作的呢？

以下图为例：

  • 从新集合中取得 B，判断老集合中存在相同节点 B，由于 B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此时lastIndex = 0，因此不对 B 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 1，并将 B 的位置更新为新集合中的位置B._mountIndex = 0，nextIndex++进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 E，判断老集合中不存在相同节点 E，则创建新节点 E；更新 lastIndex ＝ 1，并将 E 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 C，判断老集合中存在相同节点 C，由于 C 在老集合中的位置C._mountIndex = 2，lastIndex = 1，此时 C._mountIndex > lastIndex，因此不对 C 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 2，并将 C 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 A，判断老集合中存在相同节点 A，由于 A 在老集合中的位置A._mountIndex = 0，lastIndex = 2，此时 A._mountIndex < lastIndex，因此对 A 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 2，并将 A 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 当完成新集合中所有节点 diff 时，最后还需要对老集合进行循环遍历，判断是否存在新集合中没有但老集合中仍存在的节点，发现存在这样的节点 D，因此删除节点 D，到此 diff 全部完成。

_updateChildren: function(nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
  var prevChildren = this._renderedChildren;
  var nextChildren = this._reconcilerUpdateChildren(
    prevChildren, nextNestedChildrenElements, transaction, context
  );
  if (!nextChildren && !prevChildren) {
    return;
  }
  var name;
  var lastIndex = 0;
  var nextIndex = 0;
  for (name in nextChildren) {
    if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
      continue;
    }
    var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
    var nextChild = nextChildren[name];
    if (prevChild === nextChild) {
      // 移动节点
      this.moveChild(prevChild, nextIndex, lastIndex);
      lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
      prevChild._mountIndex = nextIndex;
    } else {
      if (prevChild) {
        lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
        // 删除节点
        this._unmountChild(prevChild);
      }
      // 初始化并创建节点
      this._mountChildAtIndex(
        nextChild, nextIndex, transaction, context
      );
    }
    nextIndex++;
  }
  for (name in prevChildren) {
    if (prevChildren.hasOwnProperty(name) &&
        !(nextChildren && nextChildren.hasOwnProperty(name))) {
      this._unmountChild(prevChildren[name]);
    }
  }
  this._renderedChildren = nextChildren;
},
// 移动节点
moveChild: function(child, toIndex, lastIndex) {
  if (child._mountIndex < lastIndex) {
    this.prepareToManageChildren();
    enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex);
  }
},
// 创建节点
createChild: function(child, mountImage) {
  this.prepareToManageChildren();
  enqueueInsertMarkup(this, mountImage, child._mountIndex);
},
// 删除节点
removeChild: function(child) {
  this.prepareToManageChildren();
  enqueueRemove(this, child._mountIndex);
},
_unmountChild: function(child) {
  this.removeChild(child);
  child._mountIndex = null;
},
_mountChildAtIndex: function(
  child,
  index,
  transaction,
  context) {
  var mountImage = ReactReconciler.mountComponent(
    child,
    transaction,
    this,
    this._nativeContainerInfo,
    context
  );
  child._mountIndex = index;
  this.createChild(child, mountImage);
},

当然，React diff 还是存在些许不足与待优化的地方，如下图所示，若新集合的节点更新为：D、A、B、C，与老集合对比只有 D 节点移动，而 A、B、C 仍然保持原有的顺序，理论上 diff 应该只需对 D 执行移动操作，然而由于 D 在老集合的位置是最大的，导致其他节点的 _mountIndex < lastIndex，造成 D 没有执行移动操作，而是 A、B、C 全部移动到 D 节点后面的现象。

在此，读者们可以讨论思考：如何优化上述问题？

建议：在开发过程中，尽量减少类似将最后一个节点移动到列表首部的操作，当节点数量过大或更新操作过于频繁时，在一定程度上会影响 React 的渲染性能。

总结

  • React 通过制定大胆的 diff 策略，将 O(n3) 复杂度的问题转换成 O(n) 复杂度的问题；

  • React 通过分层求异的策略，对 tree diff 进行算法优化；

  • React 通过相同类生成相似树形结构，不同类生成不同树形结构的策略，对 component diff 进行算法优化；

  • React 通过设置唯一 key的策略，对 element diff 进行算法优化；

  • 建议，在开发组件时，保持稳定的 DOM 结构会有助于性能的提升；

  • 建议，在开发过程中，尽量减少类似将最后一个节点移动到列表首部的操作，当节点数量过大或更新操作过于频繁时，在一定程度上会影响 React 的渲染性能。

参考资料

  • A Survey on Tree Edit Distance and Related Problems

  • Reconciliation

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原文链接： https://zhuanlan.zhihu.com/p/20346379

以上是 React 源码剖析系列 － 不可思议的 react diff 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/381703.html

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