React 是如何创建 vdom 和 fiber tree

前言

本篇文章作为react源码分析与优化写作计划的第一篇，分析了react是如何创建vdom和fiber tree的。本篇文章通过阅读react 16.8及以上版本源码以及参考大量分析文章写作而成，react框架本身算法以及架构层也是不断的在优化，所以源码中存在很多legacy的方法，不过这并不影响我们对于react设计思想的学习和理解。

阅读源码一定要带着目的性的去展开，这样就会减少过程中的枯燥感，而写作能够提炼和升华自己的学习和理解，这也是本篇以及后续文章的动力所在。如果写作的文章还能够帮助到其他开发者，那就更好了。

JSX

首先，来看一个简单的 React 组件。

import React from 'react';

export default function App() {
  return (
    <div className="App">
      <h1>Hello React</h1>
    </div>
  );
}

上面常用的语法称之为 JSX，是 React.createElement 方法的语法糖，使用 JSX 能够直观的展现 UI 及其交互，实现关注点分离。

每个 react 组件的顶部都要导入 React，因为 JSX 实际上依赖 Babel（@babel/preset-react）来对语法进行转换，最终生成React.createElemnt的嵌套语法。

下方能够直观的看到 JSX 转换后的渲染结果。

function App() {
  return React.createElement(
    'div',
    {
      className: 'App',
    },
    React.createElement('h1', null, 'Hello React')
  );
}

createElement

createElement()方法定义如下：

React.createElement(type, [props], [...children]);

createElement()接收三个参数，分别是元素类型、属性值以及子元素，它最终会生成 Virtual DOM。

我们将上面的<App />组件内容打印到控制台中。

可以看到 Virtual DOM 本质上是 JS 对象，将节点信息通过键值对的方式存储起来，同时使用嵌套来表示节点间的层级关系。使用 VDOM 能够避免频繁的进行 DOM 操作，同时也为后面的 React Diff 算法创造了条件。现在回到createElement()方法，来看一下它究竟是如何生产 VDOM 的。

createElement()方法精简版（v16.8）

createElement

首先，createElement()方法会先通过遍历config获取所有的参数，然后获取其子节点以及默认的props的值。然后将值传递给ReactElement()调用并返回 JS 对象。

ReactElement

值得注意的是，每个 react 组件都会使用$$typeof来标识，它的值使用了Symbol数据结构来确保唯一性。

ReactDOM.render

到目前为止，我们得到了 VDOM，react通过协调算法（reconciliation）去比较更新前后的VDOM，从而找到需要更新的最小操作，减少了浏览器多次操作DOM的成本。但是，由于使用递归的方式来遍历组件树，当组件树越来越大，递归遍历的成本就越高。这样，由于持续占用主线程，像布局、动画等任务无法立即得到处理，就会出现丢帧的现象。所以，为不同类型的任务赋予优先级，同时支持任务的暂停、中止与恢复，是非常有必要的。

为了解决上面存在的问题，React团队给出了React Fiber算法以及fiber tree数据结构（基于单链表的树结构），而ReactDOM.render方法就是实现React Fiber算法以及构建fiber tree的核心API。

render()方法定义如下：

ReactDOM.render(element, container[, callback])

这里重点从源码层面讲解下ReactDOM.render是如何构建fiber tree的。

ReactDOM.render实际调用了legacyRenderSubtreeIntoContainer方法，调用过程以及传参如下：

ReactDOM = {
  render(element, container, callback) {
    return legacyRenderSubtreeIntoContainer(
      null,
      element,
      container,
      false,
      callback
    );
  },
};

其中的element和container我们都很熟悉了，而callback是用来渲染完成后需要执行的回调函数。再来看看该方法的定义。

function legacyRenderSubtreeIntoContainer(
  parentComponent,
  children,
  container,
  forceHydrate,
  callback
) {
  let root = container._reactRootContainer;
  let fiberRoot;
  // 初次渲染
  if (!root) {
    // 初始化挂载，获得React根容器对象
    root = container._reactRootContainer = legacyCreateRootFromDOMContainer(
      container,
      forceHydrate
    );
    fiberRoot = root._internalRoot;

    // 初始化安装不需要批量更新，需要尽快完成
    unbatchedUpdates(() => {
      updateContainer(children, fiberRoot, parentComponent, callback);
    });
  } else {
    fiberRoot = root._internalRoot;

    updateContainer(children, fiberRoot, parentComponent, callback);
  }
  return getPublicRootInstance(fiberRoot);
}

上面是简化后的源码。先来看传参，因为是挂载root，所以parentComponent设置为null。另外一个参数forceHydrate代表是否是服务端渲染，因为调用的render()方法为客服端渲染，所以默认为false。另外callback使用少，所以关于它的处理过程就省略了。

因为是首次挂载，所以root从container._reactRootContainer获取不到值，就会创建FiberRoot对象。在FiberRoot对象创建过程中考虑到了服务端渲染的情况，并且函数之间相互调用非常多，所以这里直接展示其最终调用的核心方法。

// 创建fiberRoot和rootFiber并相互引用
function createFiberRoot(containerInfo, tag, hydrate, hydrationCallbacks) {
  const root = new FiberRootNode(containerInfo, tag, hydrate);
  if (enableSuspenseCallback) {
    root.hydrationCallbacks = hydrationCallbacks;
  }

  // 创建fiber tree的根节点，即rootFiber
  const uninitializedFiber = createHostRootFiber(tag);
  root.current = uninitializedFiber;
  uninitializedFiber.stateNode = root;

  initializeUpdateQueue(uninitializedFiber);

  return root;
}

在该方法中containerInfo就是root节点，而tag为FiberRoot节点的标记，这里为LegacyRoot。另外两个参数和服务端渲染有关。这里使用FiberRootNode方法创建了FiberRoot对象，并使用createHostRootFiber方法创建RootFiber对象，使FiberRoot中的current指向RootFiber，RootFiber的stateNode指向FiberRoot，形成相互引用。

下面的两个构造函数是展现出了fiberRoot以及rootFiber的部分重要的属性。

FiberRootNode部分属性:

function FiberRootNode(containerInfo, tag, hydrate) {
  // 用于标记fiberRoot的类型
  this.tag = tag;
  // 指向当前激活的与之对应的rootFiber节点
  this.current = null;
  // 和fiberRoot关联的DOM容器的相关信息
  this.containerInfo = containerInfo;
  // 当前的fiberRoot是否处于hydrate模式
  this.hydrate = hydrate;
  // 每个fiberRoot实例上都只会维护一个任务，该任务保存在callbackNode属性中
  this.callbackNode = null;
  // 当前任务的优先级
  this.callbackPriority = NoPriority;
}

Fiber Node构造函数的部分属性:

function FiberNode(tag, pendingProps, key, mode) {
  // rootFiber指向fiberRoot，child fiber指向对应的组件实例
  this.stateNode = null;
  // return属性始终指向父节点
  this.return = null;
  // child属性始终指向第一个子节点
  this.child = null;
  // sibling属性始终指向第一个兄弟节点
  this.sibling = null;
  // 表示更新队列，例如在常见的setState操作中，会将需要更新的数据存放到updateQueue队列中用于后续调度
  this.updateQueue = null;
  // 表示当前更新任务的过期时间，即在该时间之后更新任务将会被完成
  this.expirationTime = NoWork;
}

最终生成的fiber tree结构示意图如下：

fiber树结构示意图

React Diff 算法

react 并不会比原生操作 DOM 快，但是在大型应用中，往往不需要每次全部重新渲染，这时 react 通过 VDOM 以及 diff 算法能够只更新必要的 DOM。react 将 VDOM 与 diff 算法结合起来并对其进行优化，提供了高性能的 React Diff 算法，通过一系列的策略，将传统的 diff 算法复杂度 O(n^3)优化为 O(n)的复杂度，极大的提升了渲染性能。

这里不展开探究 React Diff 的具体实现原理，而先了解下它到底的基于什么策略来实现的。

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。

基于这三个策略，react 在 tree diff 和 component diff 中，两棵树只会对同层次的节点进行比较。如果同层级的树发生了更新，则会将该节点及其子节点同时进行更新，这样避免了递归遍历更加深入的节点的操作。在后面渲染性能优化部分，对于同一类型的组件如果能够准确的知道 VDOM 是否变化，使用shouldComponentUpdate来判断该组件是否需要 diff，能够节省大量的 diff 运算时间。

当 react 进行 element diff 操作中，在元素中添加唯一的key来进行区分，对其进行算法优化。所以像大数据量的列表之类的组件中最好添加key属性，能够带来一定的性能提升。

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