React 整体感知

Stella981
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当我们由浅入深地认知一样新事物的时候，往往需要遵循 Why > What > How 这样一个认知过程。它们是相辅相成、缺一不可的。而了解了具体的 What 和 How 之后，往往能够更加具象地回答理论层面的 Why，因此，在进入 Why 的探索之前，我们先整体感知一下 What 和 How 两个过程。

What

打开 React 官网，第一眼便能看到官方给出的回答。

React 是用于构建用户界面的 JavaScript 库。

不知道你有没有想过，构建用户界面的方式有千百种，为什么 React 会突出？同样，我们可以从 React 哲学里得到回应。

我们认为， React 是用 JavaScript 构建快速响应的大型 Web 应用程序的首选方式。它在 Facebook 和 Instagram 上表现优秀。

可见，关键是实现了 快速响应 ，那么制约 快速响应 的因素有哪些呢？React 是如何解决的呢？

How

让我们带着上面的两个问题，在遵循真实的React代码架构的前提下，实现一个包含时间切片、fiber、Hooks的简易 React，并舍弃部分优化代码和非必要的功能，将其命名为 HuaMu。

注意：为了和源码有点区分，函数名首字母大写，源码是小写。

CreateElement 函数

在开始之前，我们先简单的了解一下JSX，如果你感兴趣，可以关注下一篇《JSX背后的故事》。

JSX会被工具链Babel编译为React.createElement(),接着React.createElement()返回一个叫作React.Element的JS对象。

这么说有些抽象，通过下面demo看下转换前后的代码：

// JSX 转换前
const el = <h1 title="el_title">HuaMu<h1>;

// 转换后的 JS 对象
const el = {
  type:"h1",
  props:{
    title:"el_title",
    children:"HuaMu",
  }
}

可见，元素是具有 type 和 props 属性的对象，而 CreateElement 函数的主要任务就是创建该对象。

/**
 * @param {string} type    HTML标签类型
 * @param {object} props   具有JSX属性中的所有键和值
 * @param {string | array} children 元素树
 */
function CreateElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props:{
      ...props,
      children,
    }
  }
}

说明：我们将剩余参数赋予children，扩展运算符用于构造字面量对象props，对象表达式将按照 key-value 的方式展开，从而保证 props.children 始终是一个数组。接下来，我们一起看下 demo：

CreateElement("h1", {title:"el_title"}, 'hello', 'HuaMu')

// 返回的 JS 对象
{
  "type": "h1",
  "props": { 
    "title": "el_title"            // key-value
    "children": ["hello", "HuaMu"] // 数组类型
  }
}

注意：当 ...children 为空或为原始值时，React 不会创建 props.children，但为了简化代码，暂不考虑性能，我们为原始值创建特殊的类型TEXT_EL。

function CreateElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props:{
      ...props,
      children: children.map(child => typeof child === "object" ? child : CreateTextElement(child))
    }
  }
}

function CreateTextElement(text) {
  return {
    type: "TEXT_EL",
    props: {
      nodeValue: text,
      children: []
    }
  }
}

Render 函数

CreateElement 函数将标签转化为对象输出，接着 React 进行一系列处理，Render 函数将处理好的节点根据标记进行添加、更新或删除内容，最后附加到容器中。下面简单的实现 Render 函数是如何实现添加内容的：

  • 首先创建对应的DOM节点，然后将新节点附加到容器中，并递归每个孩子节点做同样的操作。

  • 将元素的 props 属性分配给节点。

        function Render(el,container) {
    // 创建节点
    const dom = el.type === 'TEXT_EL'? document.createTextNode("") : document.createElement(el.type);
    el.props.children.forEach(child => Render(child, dom))
    // 为节点分配 props 属性
    const isProperty = key => key !== 'children';
    const setProperty = name => dom[name] = el.props[name];
    Object.keys(el.props).filter(isProperty).forEach(setProperty)
    container.appendChild(dom);
    }

    注意：文本节点使用textNode而不是innerText，是为了保证以相同的方式对待所有的元素 。

到目前为止，我们已经实现了一个简易的用于构建用户界面的 JavaScript 库。现在，让 Babel 使用自定义的 HuaMu 代替 React，将 /** @jsx HuaMu.CreateElement */ 添加到代码中，打开 codesandbox看看效果吧。

并发模式

在继续向下探索之前，我们先思考一下上面的代码中，有哪些代码制约 快速响应 了呢？

是的，在Render函数中递归每个孩子节点，即这句代码el.props.children.forEach(child => Render(child, dom))存在问题。一旦开始渲染，便不会停止，直到渲染了整棵元素树，我们知道，GUI渲染线程与JS线程是互斥的，JS脚本执行和浏览器布局、绘制不能同时执行。如果元素树很大，JS脚本执行时间过长，可能会阻塞主线程，导致页面掉帧，造成卡顿，且妨碍浏览器执行高优作业。

那如何解决呢？

通过时间切片的方式，即将任务分解为多个工作单元，每完成一个工作单元，判断是否有高优作业，若有，则让浏览器中断渲染。下面通过requestIdleCallback模拟实现：

简单说明一下：

  • window.requestIdleCallback(cb[, options]) ：浏览器将在主线程空闲时运行回调。函数会接收到一个IdleDeadline的参数，这个参数可以获取当前空闲时间（timeRemaining）以及回调是否在超时前已经执行的状态（didTimeout）。

  • React 已不再使用requestIdleCallback，目前使用 scheduler package。但在概念上是相同的。

依据上面的分析，代码结构如下：

// 当浏览器准备就绪时，它将调用 WorkLoop
requestIdleCallback(WorkLoop)

let nextUnitOfWork = null;

function PerformUnitOfWork(nextUnitOfWork) {
  // TODO
}

function WorkLoop(deadline) {
  // 当前线程的闲置时间是否可以在结束前执行更多的任务
  let shouldYield = false;
  while(nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    nextUnitOfWork = PerformUnitOfWork(nextUnitOfWork) // 赋值下一个工作单元 
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1;  // 如果 idle period 已经结束，则它的值是 0
  }
  requestIdleCallback(WorkLoop)
}

我们在 PerformUnitOfWork 函数里实现当前工作的执行并返回下一个执行的工作单元，可下一个工作单元如何快速查找呢？让我们初步了解 Fibers 吧。

Fibers

为了组织工作单元，即方便查找下一个工作单元，需引入fiber tree的数据结构。即每个元素都有一个fiber，链接到其第一个子节点，下一个兄弟姐妹节点和父节点，且每个fiber都将成为一个工作单元。

// 假设我们要渲染的元素树如下
const el = (
  <div>
    <h1>
      <p />
      <a />
    </h1>
    <h2 />
  </div>
)

其对应的 fiber tree 如下：

React 整体感知

若将上图转化到我们的代码里，我们第一件事得找到root fiber，即在Render中，设置nextUnitOfWork初始值为root fiber，并将创建节点部分独立出来。

function Render(el,container) {
  // 设置 nextUnitOfWork 初始值为 root fiber
  nextUnitOfWork = {
    dom: container,
    props:{
      children:[el],
    }
  }
}

// 将创建节点部分独立出来
function CreateDom(fiber) {
  const dom = fiber.type === 'TEXT_EL'? document.createTextNode("") : document.createElement(fiber.type);
  // 为节点分配props属性
  const isProperty = key => key !== 'children';
  const setProperty = name => dom[name] = fiber.props[name];
  Object.keys(fiber.props).filter(isProperty).forEach(setProperty)
  return dom
}

剩余的 fiber 将在 performUnitOfWork 函数上执行以下三件事：

  • 为元素创建节点并添加到 dom

  • 为元素的子代创建 fiber

  • 选择下一个执行工作单元

        function PerformUnitOfWork(fiber) {
    // 为元素创建节点并添加到 dom
    if(!fiber.dom) {
        fiber.dom = CreateDom(fiber)
    }
    // 若元素存在父节点，则挂载
    if(fiber.parent) { 
        fiber.parent.dom.appendChild(fiber.dom)
    }

    // 为元素的子代创建 fiber
    const els = fiber.props.children;
    let index = 0;
    // 作为一个容器，存储兄弟节点
    let prevSibling = null;
    while(index < els.length) {
        const el = els[index];
        const newFiber = {
        type: el.type,
        props: el.props,
        parent: fiber,
        dom: null
        }

        // 子代在fiber树中的位置是child还是sibling，取决于它是否第一个
        if(index === 0){
        fiber.child = newFiber;
        } else {
        prevSibling.sibling = newFiber;
        }
        prevSibling = newFiber;
        index++;
    } 

    // 选择下一个执行工作单元，优先级是 child -> sibling -> parent
    if(fiber.child){
        return fiber.child;
    }
    let nextFiber = fiber;
    while(nextFiber) {
        if(nextFiber.sibling) {
        return nextFiber.sibling;
        }
        nextFiber = nextFiber.parent;
    }
    }

Render 和 Commit 阶段

在上面的代码中，我们加入了时间切片，但它还存在一些问题，下面我们来看看：

  • 在performUnitOfWork函数里，每次为元素创建节点之后，都向dom添加一个新节点，即

    if(fiber.parent) { 
  fiber.parent.dom.appendChild(fiber.dom)
}

  • 我们都知道，主流浏览器刷新频率为60Hz，即每（1000ms / 60Hz）16.6ms浏览器刷新一次。当JS执行时间过长，超出了16.6ms，这次刷新就没有时间执行样式布局和样式绘制了。也就是在渲染完整棵树之前，浏览器可能会中断，导致用户看不到完整的UI。

那该如何解决呢？

  • 首先将创建一个节点就向dom进行添加处理的方式更改为跟踪 fiber root，也被称为progress root 或者 wipRoot

  • 一旦完成所有的工作，即没有下一个工作单元时，才将fiber提交给dom

        // 跟踪根节点
    let wipRoot = null;
    function Render(el,container) {
    wipRoot = {
        dom: container,
        props:{
        children:[el],
        }
    }
    nextUnitOfWork = wipRoot;
    }

    // 一旦完成所有的工作，将整个fiber提交给dom
    function WorkLoop(deadline) {
    ...
    if(!nextUnitOfWork && wipRoot) {
        CommitRoot()
    }
    requestIdleCallback(WorkLoop)
    }

    // 将完整的fiber提交给dom
    function CommitRoot() {
    CommitWork(wipRoot.child)
    wipRoot = null
    }

    // 递归将每个节点添加进去
    function CommitWork(fiber) {
    if(!fiber) return;
    const parentDom = fiber.parent.dom;
    parentDom.appendChild(fiber.dom);
    CommitWork(fiber.child);
    CommitWork(fiber.sibling);
    }

Reconciliation

到目前为止，我们优化了上面自定义的HuaMu库，但上面只实现了添加内容，现在，我们把更新和删除内容也加上。而要实现更新、删除功能，需要将render函数中收到的元素与提交给dom的最后的fiber tree进行比较。因此，需要保存最后一次提交给fiber tree 的引用currentRoot。同时，为每个fiber添加alternate属性，记录上一阶段提交的old fiber

let currentRoot = null;
function Render(el,container) {
  wipRoot = {
    ...
    alternate: currentRoot
  }
  ...
}

function CommitRoot() {
  ...
  currentRoot = wipRoot;
  wipRoot = null
}

  • 为元素的子代创建fiber的同时，将old fiber与new fiber进行reconcile

  • 通过以下三个维度进行比较

    1. 如果old fiber与new fiber具有相同的type，保留dom节点并更新其props，并设置标签effectTag为UPDATE

    2. type不同，且为new fiber，意味着要创建新的dom节点，设置标签effectTag为PLACEMENT；若为old fiber，则需要删除节点，设置标签effectTag为DELETION

      注意：为了更好的Reconciliation，React 还使用了key，比如更快速的检测到子元素何时更改了在元素数组中的位置，这里为了简洁，暂不考虑。

      let deletions = null;
function PerformUnitOfWork(fiber) {
...
const els = fiber.props.children;
// 提取 为元素的子代创建fiber 的代码
ReconcileChildren(fiber, els);
}

function ReconcileChildren(wipFiber, els) {
let index = 0;
let oldFiber = wipFiber.alternate && wipFiber.alternate.child;
let prevSibling = null;
// 为元素的子代创建fiber 的同时 遍历旧的fiber的子级
// undefined != null; // false
// undefined !== null; // true
while(index < els.length || oldFiber != null) {
    const el = els[index];
    const sameType = oldFiber && el && el.type === oldFiber.type;
    let newFiber = null;

    // 更新节点
    if(sameType) {
    newFiber = {
        type: el.type,
        props: el.props,
        parent: wipFiber,
        dom: oldFiber.dom, // 使用 oldFiber
        alternate: oldFiber,
        effectTag: "UPDATE",
    }
    } 

    // 新增节点
    if(!sameType && el){
    newFiber = {
        type: el.type,
        props: el.props,
        parent: wipFiber,
        dom: null,        // dom 设置为null
        alternate: null,
        effectTag: "PLACEMENT",
    }
    }
    // 删除节点
    if(!sameType && oldFiber) {
    // 删除节点没有新的fiber，因此将标签设置在旧的fiber上，并加入删除队列 [commit阶段提交时，执行deletions队列，render阶段执行完清空deletions队列]
    oldFiber.effectTag = "DELETION";
    deletions.push(oldFiber)
    }

    if(oldFiber) {
    oldFiber = oldFiber.sibling;
    }

    if(index === 0) {
    wipFiber.child = newFiber;
    } else if(el) {
    prevSibling.sibling = newFiber;
    }
    prevSibling = newFiber;
    index++;
}
}

  • 在CommitWork函数里，根据effectTags进行节点处理

    1. PLACEMENT - 跟之前一样，将dom节点添加进父节点

    2. DELETION - 删除节点

    3. UPDATE - 更新dom节点的props

      function CommitWork(fiber) {
if (!fiber) return;
const parentDom = fiber.parent.dom;
if (fiber.effectTags === 'PLACEMENT' && fiber.dom !== null){
    parentDom.appendChild(fiber.dom);
} else if (fiber.effectTags === 'DELETION') {
    parentDom.removeChild(fiber.dom)
} else if(fiber.effectTags === 'UPDATE' && fiber.dom !== null) {
    UpdateDom(
    fiber.dom,
    fiber.alternate.props,
    fiber.props
    )
}

CommitWork(fiber.child);
CommitWork(fiber.sibling);
}

重点分析一下UpdateDom函数：

  • 普通属性

    1. 删除旧的属性
    2. 设置新的或更改的属性

  • 特殊处理以 on为前缀的事件属性

    1. 删除旧的或更改的事件属性

    2. 添加新的事件属性

      const isEvent = key => key.startsWith("on");
const isProperty = key => key !== 'children' && !isEvent(key);
const isNew = (prev, next) => key => prev[key] !== next[key];
const isGone = (prev, next) => key => !(key in next);

/**
* 更新dom节点的props
* @param {object} dom    
* @param {object} prevProps   之前的属性
* @param {object} nextProps   当前的属性
*/ 
function UpdateDom(dom, prevProps, nextProps) {
// 删除旧的属性
Object.keys(prevProps)
    .filter(isProperty)
    .filter(isGone(prevProps, nextProps))
    .forEach(name => {
    dom[name] = ""
    })

// 设置新的或更改的属性
Object.keys(nextProps)
    .filter(isProperty)
    .filter(isNew(prevProps, nextProps))
    .forEach(name => {
    dom[name] = nextProps[name]
    })

// 删除旧的或更改的事件属性
Object.keys(prevProps)
    .filter(isEvent)
    .filter(key => (!(key in nextProps) || isNew(prevProps, nextProps)(key)))
    .forEach(name => {
    const eventType = name.toLowerCase().substring(2)
    dom.removeEventListener(
        eventType,
        prevProps[name]
    )
    })

// 添加新的事件属性
Object.keys(nextProps)
    .filter(isEvent)
    .filter(isNew(prevProps, nextProps))
    .forEach(name => {
    const eventType = name.toLowerCase().substring(2)
    dom.addEventListener(
        eventType,
        nextProps[name]
    )
    })
}

现在，我们已经实现了一个包含时间切片、fiber的简易 React。打开 codesandbox看看效果吧。

Function Components

组件化对于前端的同学应该不陌生，而实现组件化的基础就是函数组件，相对与上面的标签类型，函数组件有哪些不一样呢？让我们来啾啾

function App(props) {
  return <h1>Hi {props.name}</h1>
}
const element = <App name="foo" />

若由上面实现的Huamu库进行转换，应该等价于：

function App(props) {
  return Huamu.CreateElement("h1",null,"Hi ",props.name)
}
const element = Huamu.CreateElement(App, {name:"foo"})

由此，可见Function Components的fiber是没有dom节点的，而且其children是来自于函数的运行而不是props。基于这两个不同点，我们将其划分为UpdateFunctionComponent 和 UpdateHostComponent 进行处理

function PerformUnitOfWork(fiber) {
  const isFunctionComponent = fiber.type instanceof Function;
  if(isFunctionComponent) {
    UpdateFunctionComponent(fiber)
  } else {
    UpdateHostComponent(fiber)
  }
  // 选择下一个执行工作单元，优先级是 child -> sibling -> parent
  ...
}

function UpdateFunctionComponent(fiber) {
  // TODO
}

function UpdateHostComponent(fiber) {
  if (!fiber.dom) = fiber.dom = CreateDom(fiber);
  const els = fiber.props.children;
  ReconcileChildren(fiber, els);
}

  • children来自于函数的运行而不是props，即运行函数获取children

        function UpdateFunctionComponent(fiber) {
    const children = [fiber.type(fiber.props)];
    ReconcileChildren(fiber,children);
    }

  • 没有dom节点的fiber

    1. 在添加节点时，得沿着fiber树向上移动，直到找到带有dom节点的父级fiber

    2. 在删除节点时，得继续向下移动，直到找到带有dom节点的子级fiber

      function CommitWork(fiber) {
if (!fiber) return;
// 优化：const domParent = fiber.parent.dom;
let domParentFiber = fiber.parent;
while(!domParentFiber.dom) {
    domParentFiber = domParentFiber.parent;
}
const domParent = domParentFiber.dom;
if (fiber.effectTags === 'PLACEMENT' && fiber.dom!=null){
    domParent.appendChild(fiber.dom);
} else if (fiber.effectTags === 'DELETION') {
    // 优化： domParent.removeChild(fiber.dom)
    CommitDeletion(fiber, domParent)
} else if(fiber.effectTags === 'UPDATE' && fiber.dom!=null) {
    UpdateDom(
    fiber.dom,
    fiber.alternate.props,
    fiber.props
    )
}

CommitWork(fiber.child);
CommitWork(fiber.sibling);
}

function CommitDeletion(fiber,domParent){
if(fiber.dom){
    domParent.removeChild(fiber.dom)
} else {
    CommitDeletion(fiber.child, domParent)
}
}

最后，我们为Function Components添加状态。

Hooks

向fiber添加一个hooks数组，以支持useState在同一组件中多次调用，且跟踪当前的hooks索引。

let wipFiber = null
let hookIndex = null

function UpdateFunctionComponent(fiber) {
  wipFiber = fiber;
  hookIndex = 0
  wipFiber.hooks = []
  const children = [fiber.type(fiber.props)]
  ReconcileChildren(fiber, children)
}

  • 当Function Components组件调用UseState时，通过alternate属性检测fiber是否有old hook。

  • 若有old hook，将状态从old hook复制到new hook，否则，初始化状态。

  • 将new hook添加fiber，hook index递增，返回状态。

        function UseState(initial) {
    const oldHook =
        wipFiber.alternate &&
        wipFiber.alternate.hooks &&
        wipFiber.alternate.hooks[hookIndex]
    const hook = {
        state: oldHook ? oldHook.state : initial,
    }

    wipFiber.hooks.push(hook)
    hookIndex++
    return [hook.state]
    }

  • UseState还需返回一个可更新状态的函数，因此，需要定义一个接收action的setState函数。

  • 将action添加到队列中，再将队列添加到fiber。

  • 在下一次渲染时，获取old hook的action队列，并代入new state逐一执行，以保证返回的状态是已更新的。

  • 在setState函数中，执行跟Render函数类似的操作，将currentRoot设置为下一个工作单元，以便开始新的渲染。

        function UseState(initial) {
    ...
    const hook = {
        state: oldHook ? oldHook.state : initial,
        queue: [],
    }
    const actions = oldHook ? oldHook.queue : []
    actions.forEach(action => {
        hook.state = action(hook.state)
    })
    const setState = action => {
        hook.queue.push(action)
        wipRoot = {
        dom: currentRoot.dom,
        props: currentRoot.props,
        alternate: currentRoot,
        }
        nextUnitOfWork = wipRoot
        deletions = []
    }

    wipFiber.hooks.push(hook)
    hookIndex++
    return [hook.state, setState]
    }

现在，我们已经实现一个包含时间切片、fiber、Hooks 的简易 React。打开codesandbox看看效果吧。

结语

到目前为止，我们从 What > How 梳理了大概的 React 知识链路，后面的章节我们对文中所提及的知识点进行 Why 的探索，相信会反哺到 What 的理解和 How 的实践。

本文原创发布于涂鸦智能技术博客

https://tech.tuya.com/react-zheng-ti-gan-zhi/

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大家好，我是皮皮。一、前言前几天在Python白银交流群【上海新年人】问了一个Pandas数据筛选的问题。问题如下：这日期老是出来00：00：00，怎么把这个去除。二、实现过程后来【论草莓如何成为冻干莓】给了一个思路和代码如下：pd.toexcel之前把这
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Stella981
Stella981
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接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红。
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