【React源码 - Diff算法】

介绍

在React学习中，Diff算法(协调算法)，想必我们并不陌生，简单来说就是一个对比新老节点寻找差异，然后找出最小的一个变化集，最后对这个最小变化集进行最小的DOM操作，本文将从源码来分析在React(17.0.2)中是如何来通过这个算法来进行对比并让Renderer知道如果操作DOM的。

在reconcileChildFibers中，主要是通过newChild的类型以及type来判断执行那个函数来更新fiber，其中主要类型分为非空对象、字符串/数字、数组、可迭代类型。

其中我们主要对非空对象的React Element(reconcileSingleElement函数)以及数组(reconcileChildrenArray函数，可迭代reconcileChildrenIterator和该函数核心逻辑大致一样)的处理来分析DIff算法：

if (isObject) {
      switch (newChild.$$typeof) {
        case REACT_ELEMENT_TYPE:
          return placeSingleChild(
            reconcileSingleElement(
              returnFiber,
              currentFirstChild,
              newChild,
              lanes,
            ),
          );
        case REACT_PORTAL_TYPE:
          return placeSingleChild(
            reconcileSinglePortal(
              returnFiber,
              currentFirstChild,
              newChild,
              lanes,
            ),
          );
        case REACT_LAZY_TYPE:
          if (enableLazyElements) {
            const payload = newChild._payload;
            const init = newChild._init;
            // TODO: This function is supposed to be non-recursive.
            return reconcileChildFibers(
              returnFiber,
              currentFirstChild,
              init(payload),
              lanes,
            );
          }
      }
    }

if (isArray(newChild)) {
	 return reconcileChildrenArray(
      returnFiber,
      currentFirstChild,
      newChild,
      lanes,
    );
  }

DIff算法可以分为两种：

• 单节点对比(reconcileSingleElement)
• 多节点对比(reconcileChildrenArray)

单节点对比

我们从reconcileSingleElement函数来分析，当虚拟DOM为一个非空对象时，React是如何进行单节点对比的：

function reconcileSingleElement(
  returnFiber: Fiber,
  currentFirstChild: Fiber | null,
  element: ReactElement
): Fiber {
  const key = element.key;
  let child = currentFirstChild;
  
  // 首先判断是否存在对应DOM节点
  while (child !== null) {
    // 上一次更新存在DOM节点，接下来判断是否可复用

    // 首先比较key是否相同
    if (child.key === key) {

      // key相同，接下来比较type是否相同

      switch (child.tag) {
        // ...省略case
        
        default: {
          if (child.elementType === element.type) {
          	// 将该fiber及其兄弟fiber标记为删除
             deleteRemainingChildren(returnFiber, child.sibling);
             // type相同则表示可以复用
             const existing = useFiber(child, element.props);
             // 更新复用节点的ref
             existing.ref = coerceRef(returnFiber, child, element);
             existing.return = returnFiber;
            // 返回复用的fiber
            return existing;
          }
          
          // type不同则跳出switch
          break;
        }
      }
      // 代码执行到这里代表：key相同但是type不同
      // 将该fiber及其兄弟fiber标记为删除
      deleteRemainingChildren(returnFiber, child);
      break;
    } else {
      // key不同，将该fiber标记为删除
      deleteChild(returnFiber, child);
    }
    child = child.sibling;
  }

  // 创建新Fiber，并返回 ...省略
}

从代码中能看出，先判断当前fiber是否有对应的dom节点，如果是新增节点（child === null）, 直接新建 fiber, 没有多余的逻辑。如果是对比更新，如果key不一样则给当前fiber打上delete的标记，继续遍历兄弟节点，key一样type不一样则给当前fiber和其兄弟节点都打上delete标记，key和type都相同(即: ReactElement.key === Fiber.key 且 Fiber.elementType === ReactElement.type), 则复用useFiber，并更新ref，否则新建。

注意: 复用过程是调用useFiber(child, element.props)创建新的fiber对象, 这个新fiber对象.stateNode = currentFirstChild.stateNode, 即stateNode属性得到了复用, 故 DOM 节点得到了复用.因为stateNode保存的就是DOM节点信息.所以常说的复用节点可以简单粗暴的理解为复用stateNode属性

当key相同且type不同时，代表我们已经根据key找到本次更新组件，但是组件发生了更新，不能复用。既key的唯一可能性已经不能复用，则剩下的fiber都没有继续查找的必要，所以都需要标记删除。
当key不同时只代表遍历到的该fiber不能被复用，后面还有兄弟fiber还没有遍历到。所以仅仅标记该fiber删除。

代码流程可以简述为：

多节点对比

这里我们通过reconcileChildrenArray来分析React中对于多节点是如何进行对比复用的。

// reconcileChildFibers函数中
if (isArray(newChild)) {
      return reconcileChildrenArray(
        returnFiber,
        currentFirstChild,
        newChild,
        lanes,
      );
    }

通过isArray判断是否是数组，如果是则进行多节点Diff对比，会进行两次遍历，

function reconcileChildrenArray(
  returnFiber: Fiber,
  currentFirstChild: Fiber | null,
  newChildren: Array<*>,
  lanes: Lanes,
): Fiber | null {
  let resultingFirstChild: Fiber | null = null;
  let previousNewFiber: Fiber | null = null;

  let oldFiber = currentFirstChild;
  let lastPlacedIndex = 0;
  let newIdx = 0;
  let nextOldFiber = null;
  // 1. 第一次循环: 遍历最长公共序列(key相同), 公共序列的节点都视为可复用
  for (; oldFiber !== null && newIdx < newChildren.length; newIdx++) {
    // 后文分析
  }

  if (newIdx === newChildren.length) {
    // 如果newChildren序列被遍历完, 那么oldFiber序列中剩余节点都视为删除(打上Deletion标记)
    deleteRemainingChildren(returnFiber, oldFiber);
    return resultingFirstChild;
  }

  if (oldFiber === null) {
    // 如果oldFiber序列被遍历完, 那么newChildren序列中剩余节点都视为新增(打上Placement标记)
    for (; newIdx < newChildren.length; newIdx++) {
      // 后文分析
    }
    return resultingFirstChild;
  }

  // ==================分割线==================
  const existingChildren = mapRemainingChildren(returnFiber, oldFiber);

  // 2. 第二次循环: 遍历剩余非公共序列, 优先复用oldFiber序列中的节点
  for (; newIdx < newChildren.length; newIdx++) {}

  if (shouldTrackSideEffects) {
    // newChildren已经遍历完, 那么oldFiber序列中剩余节点都视为删除(打上Deletion标记)
    existingChildren.forEach((child) => deleteChild(returnFiber, child));
  }

  return resultingFirstChild;
}

所谓的新老节点对比，在这里就是currentFirstChild和newChildren两个序列的对比：

• currentFirstChild: 是一个fiber节点, 通过fiber.sibling可以将兄弟节点全部遍历出来. 所以可以将currentFirstChild理解为链表头部, 它代表一个序列, 源码中被记为oldFiber.
• newChildren: 是一个数组, 其中包含了若干个ReactElement对象. 所以newChildren也代表一个序列.

所以reconcileChildrenArray实际就是 2 个序列之间的比较(链表oldFiber和数组newChildren), 最后返回合理的fiber序列.
上述代码中, 以注释分割线为界限, 整个核心逻辑分为 2 步骤:

• 第一次循环: 遍历最长公共序列(key 相同), 公共序列的节点都视为可复用
  如果newChildren序列被遍历完, 那么oldFiber序列中剩余节点都视为删除(打上Deletion标记)
  如果oldFiber序列被遍历完, 那么newChildren序列中剩余节点都视为新增(打上Placement标记)
• 第二次循环: 遍历剩余非公共序列, 优先复用 oldFiber 序列中的节点，以[key, oldFiber]的形式Map结构存储，方便快速查找复用节点
  在对比更新阶段(非初次创建fiber, 此时shouldTrackSideEffects被设置为 true). 第二次循环遍历完成之后, oldFiber序列中没有匹配上的节点都视为删除(打上Deletion标记)

假设有如下图所示 2 个初始化序列:

接下来第一次循环, 会遍历公共序列A,B, 生成的 fiber 节点fiber(A), fiber(B)可以复用.

最后第二次循环, 会遍历剩余序列E,C,X,Y:

• 生成的 fiber 节点fiber(E), fiber?可以复用. 其中fiber?节点发生了位移(打上Placement标记).
• fiber(X), fiber(Y)是新增(打上Placement标记).
• 同时oldFiber序列中的fiber(D)节点确定被删除(打上Deletion标记).
  
  整个主干逻辑就介绍完了, 接下来贴上完整源码

第一次循环：

// 1. 第一次循环: 遍历最长公共序列(key相同), 公共序列的节点都视为可复用
for (; oldFiber !== null && newIdx < newChildren.length; newIdx++) {
  if (oldFiber.index > newIdx) {
    nextOldFiber = oldFiber;
    oldFiber = null;
  } else {
    nextOldFiber = oldFiber.sibling;
  }
  // new槽位和old槽位进行比较, 如果key不同, 返回null
  // key相同, 比较type是否一致. type一致则执行useFiber(update逻辑), type不一致则运行createXXX(insert逻辑)
  const newFiber = updateSlot(
    returnFiber,
    oldFiber,
    newChildren[newIdx],
    lanes,
  );

  if (newFiber === null) {
    // 如果返回null, 表明key不同. 无法满足公共序列条件, 退出循环
    if (oldFiber === null) {
      oldFiber = nextOldFiber;
    }
    break;
  }
  if (shouldTrackSideEffects) {
    // 若是新增节点, 则给老节点打上Deletion标记
    if (oldFiber && newFiber.alternate === null) {
      deleteChild(returnFiber, oldFiber);
    }
  }

  // lastPlacedIndex 记录被移动的节点索引
  // 如果当前节点可复用, 则要判断位置是否移动.
  lastPlacedIndex = placeChild(newFiber, lastPlacedIndex, newIdx);

  // 更新resultingFirstChild结果序列
  if (previousNewFiber === null) {
    resultingFirstChild = newFiber;
  } else {
    previousNewFiber.sibling = newFiber;
  }
  previousNewFiber = newFiber;
  oldFiber = nextOldFiber;
}

第二次循环：

// 1. 将第一次循环后, oldFiber剩余序列加入到一个map中. 目的是为了第二次循环能顺利的找到可复用节点
const existingChildren = mapRemainingChildren(returnFiber, oldFiber);

// 2. 第二次循环: 遍历剩余非公共序列, 优先复用oldFiber序列中的节点
for (; newIdx < newChildren.length; newIdx++) {
  // [key, oldFiber]形式存储在Map结构中，方便快速查找
  const newFiber = updateFromMap(
    existingChildren,
    returnFiber,
    newIdx,
    newChildren[newIdx],
    lanes,
  );
  if (newFiber !== null) {
    if (shouldTrackSideEffects) {
      if (newFiber.alternate !== null) {
        // 如果newFiber是通过复用创建的, 则清理map中对应的老节点
        existingChildren.delete(newFiber.key === null ? newIdx : newFiber.key);
      }
    }
    lastPlacedIndex = placeChild(newFiber, lastPlacedIndex, newIdx);
    // 更新resultingFirstChild结果序列
    if (previousNewFiber === null) {
      resultingFirstChild = newFiber;
    } else {
      previousNewFiber.sibling = newFiber;
    }
    previousNewFiber = newFiber;
  }
}
// 3. 善后工作, 第二次循环完成之后, existingChildren中剩余的fiber节点就是将要被删除的节点, 打上Deletion标记
if (shouldTrackSideEffects) {
  existingChildren.forEach((child) => deleteChild(returnFiber, child));
}

所以无论是单节点还是多节点、可迭代节点的比较, 最终的目的都是生成下级子节点. 并在reconcileChildren过程中, 给一些有副作用的节点(新增, 删除, 移动位置等)打上副作用标记, 等待 commit 阶段(Renderer)的处理.

时间复杂度

Diff 算法并非 React 独创，React 只是在传统 Diff 算法做了优化，将 diff 算法的时间复杂度一下子从 传统递归O(n^3)降到 两次循环O(n)，其中n是树中元素数量。为了降低算法复杂度，React中对Diff算法做了以下优化：
1、同级对比
只对同级元素进行Diff。如果一个DOM节点在前后两次更新中跨越了层级，那么React不会尝试复用他，即对相同层级的 虚拟DOM 节点进行比较，同一个父节点下的所有子节点。当发现节点已经不存在时，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。

如果DOM节点前后更新跨越了层级，React则不会复用，直接新建节点并删除原来节点：

2、类型比较
当比较两个节点时，首先检查它们的类型。如果类型不同，React 会销毁旧节点，并建立新节点。这种类型检查适用于不同的HTML标签或不同的组件类型。

3、Key标识
在处理动态子元素列表时，React 使用 keys 来识别每个元素的唯一性。这有助于确定哪些元素在重新渲染时保持不变，哪些元素需要更改。合理使用 keys 可以极大地提高性能，尤其是在列表和动态内容中。

4、避免不必要的 DOM 操作
通过比较新旧虚拟DOM树，React 可以确定实际需要进行的最小 DOM 更新，从而避免不必要的操作。一个虚拟DOM的Key和Type一样就认为该节点可以复用。

5、批量更新与异步渲染
React 会将多个 setState/useState 调用合并成一个批量更新，以减少渲染次数。React 17 及以后版本中，引入了新的并发模式，允许更灵活的异步渲染。

优化策略

基于React对于传递Diff的优化总结，我们可以通过以下方式来进行优化，简化对比：

• Keys：在列表中使用唯一的key可以帮助React识别哪些元素改变了，哪些没有。这样React可以只重新渲染那些改变了的元素，而不是整个列表。
• 组件级别的比较：React在比较组件时，如果组件类型相同，则会比较其props和state；如果组件类型不同，则会销毁旧组件并创建新组件。
• 避免不必要的重新渲染：使用shouldComponentUpdate、React.memo或PureComponent来避免不必要的渲染。
• 虚拟DOM树的结构优化：合理的组织组件结构，避免过深的虚拟DOM树，可以减少diff算法需要比较的节点数，从而提高性能。
• 使用不可变数据：这可以帮助快速比较props和state的变化，因为不可变数据在发生变化时会产生一个新的对象。
• 懒加载组件：对于大型应用中的一些不常用组件，可以使用懒加载技术，只有当这些组件需要被展示时，才加载它们。