从源码全面剖析 React 组件更新机制

React 把组件看作状态机(有限状态机), 使用state来控制本地状态, 使用props来传递状态. 前面我们探讨了 React 如何映射状态到 UI 上(初始渲染), 那么接下来我们谈谈 React 时如何同步状态到 UI 上的, 也就是:

React 是如何更新组件的?

React 是如何对比出页面变化最小的部分?

这篇文章会为你解答这些问题.

在这之前

你已经了解了React (15-stable版本)内部的一些基本概念, 包括不同类型的组件实例、mount过程、事务、批量更新的大致过程(还没有? 不用担心, 为你准备好了从源码看组件初始渲染、接着从源码看组件初始渲染);

准备一个demo, 调试源码, 以便更好理解;

Keep calm and make a big deal !

React 是如何更新组件的?

TL;DR

依靠事务进行批量更新;
一次batch(批量)的生命周期就是从ReactDefaultBatchingStrategy事务perform之前(调用ReactUpdates.batchUpdates)到这个事务的最后一个close方法调用后结束;
事务启动后, 遇到 setState 则将 partial state 存到组件实例的_pendingStateQueue上, 然后将这个组件存到dirtyComponents 数组中, 等到 ReactDefaultBatchingStrategy事务结束时调用runBatchedUpdates批量更新所有组件;
组件的更新是递归的, 三种不同类型的组件都有自己的updateComponent方法来决定自己的组件如何更新, 其中 ReactDOMComponent 会采用diff算法对比子元素中最小的变化, 再批量处理.

这个更新过程像是一套流程, 无论你通过setState(或者replaceState)还是新的props去更新一个组件, 都会起作用.

那么具体是什么?

让我们从这套更新流程的开始部分讲起...

调用 setState 之前

首先, 开始一次batch的入口是在ReactDefaultBatchingStrategy里, 调用里面的batchedUpdates便可以开启一次batch:

// 批处理策略
var ReactDefaultBatchingStrategy = {
  isBatchingUpdates: false, 
  batchedUpdates: function(callback, a, b, c, d, e) {
    var alreadyBatchingUpdates = ReactDefaultBatchingStrategy.isBatchingUpdates;
    ReactDefaultBatchingStrategy.isBatchingUpdates = true; // 开启一次batch

    if (alreadyBatchingUpdates) {
      return callback(a, b, c, d, e);
    } else {
      // 启动事务, 将callback放进事务里执行
      return transaction.perform(callback, null, a, b, c, d, e);  
    }
  },
};

在 React 中, 调用batchedUpdates有很多地方, 与更新流程相关的如下

// ReactMount.js
ReactUpdates.batchedUpdates(
      batchedMountComponentIntoNode,  // 负责初始渲染
      componentInstance,
      container,
      shouldReuseMarkup,
      context,
);

// ReactEventListener.js
dispatchEvent: function(topLevelType, nativeEvent) {
    ...
    try {
      ReactUpdates.batchedUpdates(handleTopLevelImpl, bookKeeping);  // 处理事件
    } finally {
      TopLevelCallbackBookKeeping.release(bookKeeping);
    }
},

第一种情况, React 在首次渲染组件的时候会调用batchedUpdates, 然后开始渲染组件. 那么为什么要在这个时候启动一次batch呢? 不是因为要批量插入, 因为插入过程是递归的, 而是因为组件在渲染的过程中, 会依顺序调用各种生命周期函数, 开发者很可能在生命周期函数中(如componentWillMount或者componentDidMount)调用setState. 因此, 开启一次batch就是要存储更新(放入dirtyComponents), 然后在事务结束时批量更新. 这样以来, 在初始渲染流程中, 任何setState都会生效, 用户看到的始终是最新的状态.

第二种情况, 如果你在HTML元素上或者组件上绑定了事件, 那么你有可能在事件的监听函数中调用setState, 因此, 同样为了存储更新(放入dirtyComponents), 需要启动批量更新策略. 在回调函数被调用之前, React事件系统中的dispatchEvent函数负责事件的分发, 在dispatchEvent中启动了事务, 开启了一次batch, 随后调用了回调函数. 这样一来, 在事件的监听函数中调用的setState就会生效.

也就是说, 任何可能调用 setState 的地方, 在调用之前, React 都会启动批量更新策略以提前应对可能的setState

那么调用 batchedUpdates 后发生了什么?

React 调用batchedUpdates时会传进去一个函数, batchedUpdates会启动ReactDefaultBatchingStrategyTransaction事务, 这个函数就会被放在事务里执行:

// ReactDefaultBatchingStrategy.js
var transaction = new ReactDefaultBatchingStrategyTransaction(); // 实例化事务
var ReactDefaultBatchingStrategy = {
  ...
  batchedUpdates: function(callback, a, b, c, d, e) {
    ...
      return transaction.perform(callback, null, a, b, c, d, e);  // 将callback放进事务里执行
       ...
};

ReactDefaultBatchingStrategyTransaction这个事务控制了批量策略的生命周期:

// ReactDefaultBatchingStrategy.js
var FLUSH_BATCHED_UPDATES = {
  initialize: emptyFunction,
  close: ReactUpdates.flushBatchedUpdates.bind(ReactUpdates),  // 批量更新
};
var RESET_BATCHED_UPDATES = {
  initialize: emptyFunction,
  close: function() {
    ReactDefaultBatchingStrategy.isBatchingUpdates = false;  // 结束本次batch
  },
};
var TRANSACTION_WRAPPERS = [FLUSH_BATCHED_UPDATES, RESET_BATCHED_UPDATES];

无论你传进去的函数是什么, 无论这个函数后续会做什么, 都会在执行完后调用上面事务的close方法, 先调用flushBatchedUpdates批量更新, 再结束本次batch.

调用 setState 后发生了什么

// ReactBaseClasses.js :
ReactComponent.prototype.setState = function(partialState, callback) {
  this.updater.enqueueSetState(this, partialState);
  if (callback) {
    this.updater.enqueueCallback(this, callback, 'setState');
  }
};

// => ReactUpdateQueue.js:
enqueueSetState: function(publicInstance, partialState) {
    // 根据 this.setState 中的 this 拿到内部实例, 也就是组件实例
    var internalInstance = getInternalInstanceReadyForUpdate(publicInstance, 'setState');
    // 取得组件实例的_pendingStateQueue
    var queue =
      internalInstance._pendingStateQueue ||
      (internalInstance._pendingStateQueue = []);
    // 将partial state存到_pendingStateQueue
    queue.push(partialState);
    // 调用enqueueUpdate
    enqueueUpdate(internalInstance);
 }

// => ReactUpdate.js:
function enqueueUpdate(component) {
  ensureInjected(); // 注入默认策略
    
    // 如果没有开启batch(或当前batch已结束)就开启一次batch再执行, 这通常发生在异步回调中调用 setState      // 的情况
  if (!batchingStrategy.isBatchingUpdates) {
    batchingStrategy.batchedUpdates(enqueueUpdate, component);
    return;
  }
    // 如果batch已经开启就存储更新
  dirtyComponents.push(component);
  if (component._updateBatchNumber == null) {
    component._updateBatchNumber = updateBatchNumber + 1;
  }
}

也就是说, 调用 setState 会首先拿到内部组件实例, 然后把要更新的partial state存到其_pendingStateQueue中, 然后标记当前组件为dirtyComponent, 存到dirtyComponents数组中. 然后就接着继续做下面的事情了, 并没有立即更新, 这是因为接下来要执行的代码里有可能还会调用 setState, 因此只做存储处理.

什么时候批量更新?

首先, 一个事务在执行的时候(包括initialize、perform、close阶段), 任何一阶段都有可能调用一系列函数, 并且开启了另一些事务. 那么只有等后续开启的事务执行完, 之前开启的事务才继续执行. 下图是我们刚才所说的第一种情况, 在初始渲染组件期间 setState 后, React 启动的各种事务和执行的顺序:

从图中可以看到, 批量更新是在ReactDefaultBatchingStrategyTransaction事务的close阶段, 在flushBatchedUpdates函数中启动了ReactUpdatesFlushTransaction事务负责批量更新.

怎么批量更新的?

开启批量更新事务、批量处理callback

我们接着看flushBatchedUpdates函数, 在ReactUpdates.js中

var flushBatchedUpdates = function () {
  // 启动批量更新事务
  while (dirtyComponents.length || asapEnqueued) {
    if (dirtyComponents.length) {
      var transaction = ReactUpdatesFlushTransaction.getPooled();
      transaction.perform(runBatchedUpdates, null, transaction);
      ReactUpdatesFlushTransaction.release(transaction);
    }
// 批量处理callback
    if (asapEnqueued) {
      asapEnqueued = false;
      var queue = asapCallbackQueue;
      asapCallbackQueue = CallbackQueue.getPooled();
      queue.notifyAll();
      CallbackQueue.release(queue);
    }
  }
};

遍历dirtyComponents

flushBatchedUpdates启动了一个更新事务, 这个事务执行了runBatchedUpdates进行批量更新:

// ReactUpdates.js
function runBatchedUpdates(transaction) {
  var len = transaction.dirtyComponentsLength;
  // 排序保证父组件优先于子组件更新
  dirtyComponents.sort(mountOrderComparator);

  // 代表批量更新的次数, 保证每个组件只更新一次
  updateBatchNumber++;
  // 遍历 dirtyComponents
  for (var i = 0; i < len; i++) {
    var component = dirtyComponents[i];
      
    var callbacks = component._pendingCallbacks;
    component._pendingCallbacks = null;
    ...
    // 执行更新
    ReactReconciler.performUpdateIfNecessary(
      component,
      transaction.reconcileTransaction,
      updateBatchNumber,
    );
    ...
    // 存储 callback以便后续按顺序调用
    if (callbacks) {
      for (var j = 0; j < callbacks.length; j++) {
        transaction.callbackQueue.enqueue(
          callbacks[j],
          component.getPublicInstance(),
        );
      }
    }
  }
}

前面 setState 后将组件推入了dirtyComponents, 现在就是要遍历dirtyComponents数组进行更新了.

根据不同情况执行更新

ReactReconciler会调用组件实例的performUpdateIfNecessary. 如果接收了props, 就会调用此组件的receiveComponent, 再在里面调用updateComponent更新组件; 如果没有接受props, 但是有新的要更新的状态(_pendingStateQueue不为空)就会直接调用updateComponent来更新:

// ReactCompositeComponent.js
performUpdateIfNecessary: function (transaction) {
    if (this._pendingElement != null) {
        ReactReconciler.receiveComponent(this, this._pendingElement, transaction,                 this._context);
    } else if (this._pendingStateQueue !== null || this._pendingForceUpdate) {
        this.updateComponent(transaction, this._currentElement, this._currentElement,             this._context, this._context);
    } else {
        this._updateBatchNumber = null;
    }
}

调用组件实例的updateComponent

接下里就是重头戏updateComponent了, 它决定了组件如果更新自己和它的后代们. 需要特别注意的是, React 内部三种不同的组件类型, 每种组件都有自己的updateComponent, 有不同的行为.

对于 ReactCompositeComponent (矢量图):

updateComponent所做的事情 :

调用此层级组件的一系列生命周期函数, 并且在合适的时机更新props、state、context;
re-render, 与之前 render 的 element 比较, 如果两者key && element.type 相等, 则进入下一层进行更新; 如果不等, 直接移除重新mount

对于 ReactDOMComponent:

updateComponent所做的事情 :

更新这一层级DOM元素属性;
更新子元素, 调用 ReactMultiChild 的 updateChildren, 对比前后变化、标记变化类型、存到updates中(diff算法主要部分);
批量处理updates

对于 ReactDOMTextComponent :

上面只是每个组件自己更新的过程, 那么 React 是如何一次性更新所有组件的 ? 答案是递归.

递归调用组件的updateComponent

观察 ReactCompositeComponent 和 ReactDOMComponent 的更新流程, 我们发现 React 每次走到一个组件更新过程的最后部分, 都会有一个判断 : 如果 nextELement 和 prevElement key 和 type 相等, 就会调用receiveComponent. receiveComponent和updateComponent一样, 每种组件都有一个, 作用就相当于updateComponent 接受了新 props 的版本. 而这里调用的就是子元素的receiveComponent, 进而进行子元素的更新, 于是就形成了递归更新、递归diff. 因此, 整个流程就像这样(矢量图) :

这种更新完一级、diff完一级再进入下一级的过程保证 React 只遍历一次组件树就能完成更新, 但代价就是只要前后 render 出元素的 type 和 key 有一个不同就删除重造, 因此, React 建议页面要尽量保持稳定的结构.

React 是如何对比出页面变化最小的部分?

你可能会说 React 用 virtual DOM 表示了页面结构, 每次更新, React 都会re-render出新的 virtual DOM, 再通过 diff 算法对比出前后变化, 最后批量更新. 没错, 很好, 这就是大致过程, 但这里存在着一些隐藏的深层问题值得探讨 :

React 是如何用 virtual DOM 表示了页面结构, 从而使任何页面变化都能被 diff 出来?
React 是如何 diff 出页面变化最小的部分?

React 如何表示页面结构

class C extends React.Component {
    render () {
        return (
            <div className='container'>
                  "dscsdcsd"
                  <i onClick={(e) => console.log(e)}>{this.state.val}</i>
                  <Children val={this.state.val}/>
            </div>
        )
    }
}
// virtual DOM(React element)
{
  $$typeof: Symbol(react.element)
  key: null
  props: {  // props 代表元素上的所有属性, 有children属性, 描述子组件, 同样是元素
    children: [
      ""dscsdcsd"",
      {$$typeof: Symbol(react.element), type: "i", key: null, ref: null, props: {…}, …},
      {$$typeof: Symbol(react.element), type: class Children, props: {…}, …}
    ]
    className: 'container'
  }  
  ref: null
  type: "div"
  _owner: ReactCompositeComponentWrapper {...} // class C 实例化后的对象
  _store: {validated: false}
  _self: null
  _source: null
}

每个标签, 无论是DOM元素还是自定义组件, 都会有 key、type、props、ref 等属性.

key 代表元素唯一id值, 意味着只要id改变, 就算前后元素种类相同, 元素也肯定不一样了;
type 代表元素种类, 有 function(空的wrapper)、class(自定义类)、string(具体的DOM元素名称)类型, 与key一样, 只要改变, 元素肯定不一样;
props 是元素的属性, 任何写在标签上的属性(如className='container')都会被存在这里, 如果这个元素有子元素(包括文本内容), props就会有children属性, 存储子元素; children属性是递归插入、递归更新的依据;

也就是说, 如果元素唯一标识符或者类别或者属性有变化, 那么它们re-render后对应的 key、type 和props里面的属性也会改变, 前后一对比即可找出变化. 综上来看, React 这么表示页面结构确实能够反映前后所有变化.

那么 React 是如何 diff 的?

React diff 每次只对同一层级的节点进行比对 :

上图的数字表示遍历更新的次序.

从父节点开始, 每一层 diff 包括两个地方

element diff—— 前后 render 出来的 element 的对比, 这个对比是为了找出前后节点是不是同一节点, 会对比前后render出来的元素它们的 key 和 type. element diff 包括两个地方, 组件顶层DOM元素对比和子元素的对比:

组件顶层DOM元素对比 :

// ReactCompositeComponent.js/updateComponent => _updateRenderedComponent
_updateRenderedComponent: function(transaction, context) {
    // re-render 出element
    var nextRenderedElement = this._renderValidatedComponent();
    // 对比前后变化
    if (shouldUpdateReactComponent(prevRenderedElement, nextRenderedElement)) {
      // 如果 key && type 没变进行下一级更新
      ReactReconciler.receiveComponent(...);
    } else {
      // 如果变了移除重造
      ReactReconciler.unmountComponent(prevComponentInstance, false);
      ...
      var child = this._instantiateReactComponent(...);
  
      var nextMarkup = ReactReconciler.mountComponent(...);
      this._replaceNodeWithMarkup(...);
    }
}

子元素的对比:

// ReactChildReconciler.js
updateChildren: function(...) {
    ...
    for (name in nextChildren) {  // 遍历 re-render 出的elements
      ...
      if (
        prevChild != null &&
        shouldUpdateReactComponent(prevElement, nextElement)
      ) {
        // 如果key && type 没变进行下一级更新
        ReactReconciler.receiveComponent(...);  
        nextChildren[name] = prevChild;  // 更新完放入 nextChildren, 注意放入的是组件实例
      } else {
        // 如果变了则移除重建                               
        if (prevChild) {
          removedNodes[name] = ReactReconciler.getHostNode(prevChild);
          ReactReconciler.unmountComponent(prevChild, false);
        }
        var nextChildInstance = instantiateReactComponent(nextElement, true);
        nextChildren[name] = nextChildInstance;
          
        var nextChildMountImage = ReactReconciler.mountComponent(...);
        mountImages.push(nextChildMountImage);
      }
    }
    // 再除掉 prevChildren 里有, nextChildren 里没有的组件
    for (name in prevChildren) {
      if (
        prevChildren.hasOwnProperty(name) &&
        !(nextChildren && nextChildren.hasOwnProperty(name))
      ) {
        prevChild = prevChildren[name];
        removedNodes[name] = ReactReconciler.getHostNode(prevChild);
        ReactReconciler.unmountComponent(prevChild, false);
      }
    }
  },

shouldComponentUpdate 函数:

function shouldUpdateReactComponent(prevElement, nextElement) {
  
  var prevEmpty = prevElement === null || prevElement === false;
  var nextEmpty = nextElement === null || nextElement === false;
  if (prevEmpty || nextEmpty) {
    return prevEmpty === nextEmpty;
  }

  var prevType = typeof prevElement;
  var nextType = typeof nextElement;
  // 如果前后变化都是字符串、数字类型的则允许更新
  if (prevType === 'string' || prevType === 'number') {
    return nextType === 'string' || nextType === 'number';
  } else {
    // 否则检查 type && key
    return (
      nextType === 'object' &&
      prevElement.type === nextElement.type &&
      prevElement.key === nextElement.key
    );
  }
}

element diff 检测 type && key 都没变时会进入下一级更新, 如果变化则直接移除重造新元素, 然后遍历同级的下一个.

subtree diff ——组件顶层DOM元素包裹的所有子元素(也就是props.children里的元素)与之前版本的对比, 这个对比是为了找出同级所有子节点的变化, 包括移除、新建、同级范围的移动;

// ReactMultiChild.js
_updateChildren: function(...) {
      var prevChildren = this._renderedChildren;
      var removedNodes = {};
      var mountImages = [];
      // 拿到更新后子组件实例
      var nextChildren = this._reconcilerUpdateChildren();
      ...
      // 遍历子组件实例
      for (name in nextChildren) {
           ...
        var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var nextChild = nextChildren[name];
        // 因为子组件的更新是在原组件实例上更改的, 因此与之前的组件作引用比较即可判断
        if (prevChild === nextChild) {
            // 发生了移动
          updates = enqueue(
            updates,
            this.moveChild(prevChild, lastPlacedNode, nextIndex, lastIndex),
          );
          lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
          prevChild._mountIndex = nextIndex;
        } else {
          ...
          // 有新的组件
          updates = enqueue(
            updates,
            this._mountChildAtIndex(
              nextChild,
              mountImages[nextMountIndex],
              lastPlacedNode,
              nextIndex,
              transaction,
              context,
            ),
          );
          nextMountIndex++;
        }
        nextIndex++;
        lastPlacedNode = ReactReconciler.getHostNode(nextChild);
      }
      // Remove children that are no longer present.
      for (name in removedNodes) {
          // removedNodes 记录了所有的移除节点
        if (removedNodes.hasOwnProperty(name)) {
          updates = enqueue(
            updates,
            this._unmountChild(prevChildren[name], removedNodes[name]),
          );
        }
      }
      if (updates) {
        processQueue(this, updates); // 批量处理
      }
      this._renderedChildren = nextChildren;
    },

React 会将同一层级的变化标记, 如 MOVE_EXISTING、REMOVE_NODE、TEXT_CONTENT、INSERT_MARKUP 等, 统一放到 updates 数组中然后批量处理.

And that‘s it !

React 是一个激动人心的库, 它给我们带来了前所未有的开发体验, 但当我们沉浸在使用 React 快速实现需求的喜悦中时, 有必要去探究两个问题 : Why and How?

为什么 React 会如此流行, 原因是什么? 组件化、快速、足够简单、all in js、容易扩展、生态丰富、社区强大...

React 反映了哪些思想/理念/思路 ? 状态机、webComponents、virtual DOM、virtual stack、异步渲染、多端渲染、单向数据流、反应式更新、函数式编程...

React 这些理念/思路受什么启发 ? 怎么想到的 ? 又怎么实现的? ...

从源码全面剖析 React 组件更新机制

在这之前

React 是如何更新组件的?

TL;DR

那么具体是什么?

调用 setState 之前

那么调用 batchedUpdates 后发生了什么?

调用 setState 后发生了什么

什么时候批量更新?

怎么批量更新的?

开启批量更新事务、批量处理callback

遍历dirtyComponents

根据不同情况执行更新

调用组件实例的updateComponent

递归调用组件的updateComponent

React 是如何对比出页面变化最小的部分?

React 如何表示页面结构

那么 React 是如何 diff 的?

And that‘s it !

莫凡

引用和评论

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