React 源码深度解读（十）：Diff 算法详解

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一、前言

React 是一个十分庞大的库，由于要同时考虑 ReactDom 和 ReactNative ，还有服务器渲染等，导致其代码抽象化程度很高，嵌套层级非常深。阅读 React 源码是一个非常艰辛的过程，在学习过程中给我帮助最大的就是这个系列文章。作者对代码的调用关系梳理得非常清楚，而且还有配图帮助理解，非常值得一读。站在巨人的肩膀之上，我尝试再加入自己的理解，希望对有志于学习 React 源码的读者带来一点启发。

二、Diff 策略

React 在比较新旧 2 棵虚拟 DOM 树的时候，会同时考虑两点：

尽量少的创建 / 删除节点，多使用移动节点的方式
比较次数要尽量少，算法要足够的快

如果只考虑第一点，算法的时间复杂度要达到 O(n3) 的级别。也就是说对于一个有 1000 个节点的树，要进行 10 亿次的比较，这对于前端应用来说是完全不可接受的。因此，React 选用了启发式的算法，将时间复杂度控制在 O(n) 的级别。这个算法基于以下 2 个假设：

如果 2 个节点的类型不一样，以这 2 个节点为根结点的树会完全不同
对于多次 render 中结构保持不变的节点，开发者会用一个 key 属性标识出来，以便重用

另外，React 只会对同一层的节点作比较，不会跨层级比较，如图所示：

Diff 使用的是深度优先算法，当遇到下图这样的情况：

最高效的算法应该是直接将 A 子树移动到 D 节点，但这样就涉及到跨层级比较，时间复杂度会陡然上升。React 的做法比较简单，它会先删除整个 A 子树，然后再重新创建一遍。结合到实际的使用场景，改变一个组件的从属关系的情况也是很少的。

同样道理，当 D 节点改为 G 节点时，整棵 D 子树也会被删掉，E、F 节点会重新创建。

对于列表的 Diff，节点的 key 有助于节点的重用：

如上图所示，当没有 key 的时候，如果中间插入一个新节点，Diff 过程中从第三个节点开始的节点都是删除旧节点，创建新节点。当有 key 的时候，除了第三个节点是新创建外，第四和第五个节点都是通过移动实现的。

三、无 Key Diff

在了解了总体的 Diff 策略后，我们来近距离的审视源码。先更新示例代码，注意 li 元素没有使用 key ：

class App extends Component {
  constructor(props) {
    super(props);
    this.state = {
      data : ['one', 'two'],
    };

    this.timer = setInterval(
      () => this.tick(),
      5000
    );
  }

  tick() {
    this.setState({
      data: ['new', 'one', 'two'],
    });
  }

  render() {
    return (
      <ul>
      {
        this.state.data.map(function(val, i) {
          return <li>{ val }</li>;
        })
      }
      </ul>
    );
  }
}

export default App;

元素变化如下图所示，5 秒后会新增一个 new 元素。

我们跳过前面的逻辑，直接来看 Diff 的代码

_updateRenderedComponent: function (transaction, context) {
    var prevComponentInstance = this._renderedComponent;
    // 之前的 Virtual DOM
    var prevRenderedElement = prevComponentInstance._currentElement;
    // 最新的 Virtual DOM
    var nextRenderedElement = this._renderValidatedComponent();

    var debugID = 0;
    if (__DEV__) {
        debugID = this._debugID;
    }

    if (shouldUpdateReactComponent(prevRenderedElement,
            nextRenderedElement)) {
        ReactReconciler.receiveComponent(
            prevComponentInstance,
            nextRenderedElement,
            transaction,
            this._processChildContext(context)
        );
    } else {
        ...
    }
},

// shouldUpdateReactComponent.js
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;
    if (prevType === 'string' || prevType === 'number') {
        return (nextType === 'string' || nextType === 'number');
    } else {
        return (
            nextType === 'object' &&
            prevElement.type === nextElement.type &&
            prevElement.key === nextElement.key
        );
    }
}

_updateRenderedComponent方法位于 ReactCompositeComponent 内。它先获取新、旧 2 个 Virtual DOM，然后通过shouldUpdateReactComponent判断节点类型是否相同。在我们的例子里，跟节点都是 ul 元素，因此跳过中间的层级后，会走到 ReactDOMComponent 的 updateComponent 方法。他会更新属性和子元素，更新属性部分上一篇文章已经讲清楚了，下面看看更新子元素部分。最终会调用 ReactMultiChild 的 _updateChildren ：

_updateChildren: function (nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
    ...
    
    var nextChildren = this._reconcilerUpdateChildren(
                prevChildren,
                nextNestedChildrenElements,
                mountImages,
                removedNodes,
                transaction,
                context
            );
            
    ...
    
    for (name in nextChildren) {
        if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
            continue;
        }
        var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var nextChild = nextChildren[name];
        if (prevChild === nextChild) {
            updates = enqueue(
                updates,
                this.moveChild(prevChild, lastPlacedNode,
                    nextIndex, lastIndex)
            );
            lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                lastIndex);
            prevChild._mountIndex = nextIndex;
        } else {
            if (prevChild) {
                // Update `lastIndex` before `_mountIndex` gets unset by unmounting.
                lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                    lastIndex);
                // The `removedNodes` loop below will actually remove the child.
            }
            // The child must be instantiated before it's mounted.
            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) {
        if (removedNodes.hasOwnProperty(name)) {
            updates = enqueue(
                updates,
                this._unmountChild(prevChildren[name],
                    removedNodes[name])
            );
        }
    }
    if (updates) {
        processQueue(this, updates);
    }
    this._renderedChildren = nextChildren;
},

_reconcilerUpdateChildren: function (
    prevChildren,
    nextNestedChildrenElements,
    mountImages,
    removedNodes,
    transaction,
    context
) {
    var nextChildren;
    var selfDebugID = 0;
    
    nextChildren = flattenChildren(nextNestedChildrenElements,
        selfDebugID);
        
    ReactChildReconciler.updateChildren(
        prevChildren,
        nextChildren,
        mountImages,
        removedNodes,
        transaction,
        this,
        this._hostContainerInfo,
        context,
        selfDebugID
    );
    return nextChildren;
},

在开始 Diff li 元素之前，它会先调用_reconcilerUpdateChildren去更新 li 元素的子元素，也就是文本。在函数中调用了flattenChildren方法，将数组转换成对象：

function flattenSingleChildIntoContext(
    traverseContext: mixed,
    child: ReactElement < any > ,
    name: string,
    selfDebugID ? : number,
): void {
    // We found a component instance.
    if (traverseContext && typeof traverseContext === 'object') {
        const result = traverseContext;
        const keyUnique = (result[name] === undefined);
        
        if (keyUnique && child != null) {
            result[name] = child;
        }
    }
}

function flattenChildren(
    children: ReactElement < any > ,
    selfDebugID ? : number,
): ? {
    [name: string]: ReactElement < any >
} {
    if (children == null) {
        return children;
    }
    var result = {};

    traverseAllChildren(children, flattenSingleChildIntoContext, result);   
    
    return result;
}

// traverseAllChildren.js
function traverseAllChildren(children, callback, traverseContext) {
    if (children == null) {
        return 0;
    }

    return traverseAllChildrenImpl(children, '', callback, traverseContext);
}

function traverseAllChildrenImpl(
    children,
    nameSoFar,
    callback,
    traverseContext
) {
    var type = typeof children;

    if (type === 'undefined' || type === 'boolean') {
        // All of the above are perceived as null.
        children = null;
    }

    if (children === null ||
        type === 'string' ||
        type === 'number' ||
        // The following is inlined from ReactElement. This means we can optimize
        // some checks. React Fiber also inlines this logic for similar purposes.
        (type === 'object' && children.$$typeof === REACT_ELEMENT_TYPE)) {
        callback(
            traverseContext,
            children,
            // If it's the only child, treat the name as if it was wrapped in an array
            // so that it's consistent if the number of children grows.
            nameSoFar === '' ? SEPARATOR + getComponentKey(children, 0) :
            nameSoFar
        );
        return 1;
    }

    var child;
    var nextName;
    var subtreeCount = 0; // Count of children found in the current subtree.
    var nextNamePrefix = nameSoFar === '' ? SEPARATOR : nameSoFar +
        SUBSEPARATOR;

    if (Array.isArray(children)) {
        for (var i = 0; i < children.length; i++) {
            child = children[i];
            nextName = nextNamePrefix + getComponentKey(child, i);
            subtreeCount += traverseAllChildrenImpl(
                child,
                nextName,
                callback,
                traverseContext
            );
        }
    }
    
    ...

    return subtreeCount;
}

function getComponentKey(component, index) {
    // Do some typechecking here since we call this blindly. We want to ensure
    // that we don't block potential future ES APIs.
    if (component && typeof component === 'object' && component.key != null) {
        // Explicit key
        return KeyEscapeUtils.escape(component.key);
    }
    // Implicit key determined by the index in the set
    return index.toString(36);
}

flattenSingleChildIntoContext作为flattenChildren的回调函数，会作用在每一个数组元素上，构造一个对象（result）。对象的 key 是通过getComponentKey这个方法生成的，可以看到如果没有定义 key 属性，则默认会用数组的 index 作为 key 。最终构造出来的对象是这个样子的：

然后就会调用ReactChildReconciler.updateChildren方法，去更新 li 的文本和创建新的 li 元素。

updateChildren: function (
    prevChildren,
    nextChildren,
    mountImages,
    removedNodes,
    transaction,
    hostParent,
    hostContainerInfo,
    context,
    selfDebugID // 0 in production and for roots
) {
    if (!nextChildren && !prevChildren) {
        return;
    }
    var name;
    var prevChild;
    for (name in nextChildren) {
        if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
            continue;
        }
        prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var prevElement = prevChild && prevChild._currentElement;
        var nextElement = nextChildren[name];
        
        if (prevChild != null &&
            shouldUpdateReactComponent(prevElement, nextElement)) {
            ReactReconciler.receiveComponent(
                prevChild, nextElement, transaction, context
            );
            nextChildren[name] = prevChild;
        } else {
            if (prevChild) {
                removedNodes[name] = ReactReconciler.getHostNode(
                    prevChild);
                ReactReconciler.unmountComponent(prevChild, false);
            }
            // The child must be instantiated before it's mounted.
            var nextChildInstance = instantiateReactComponent(
                nextElement, true);
            nextChildren[name] = nextChildInstance;
            // Creating mount image now ensures refs are resolved in right order
            // (see https://github.com/facebook/react/pull/7101 for explanation).
            var nextChildMountImage = ReactReconciler.mountComponent(
                nextChildInstance,
                transaction,
                hostParent,
                hostContainerInfo,
                context,
                selfDebugID
            );
            mountImages.push(nextChildMountImage);
        }
    }
    // Unmount children that are no longer present.
    for (name in prevChildren) {
        if (prevChildren.hasOwnProperty(name) &&
            !(nextChildren && nextChildren.hasOwnProperty(name))) {
            prevChild = prevChildren[name];
            removedNodes[name] = ReactReconciler.getHostNode(
                prevChild);
            ReactReconciler.unmountComponent(prevChild, false);
        }
    }
},

在更新 li 前，会根据 key 去取上一次 render 对应的元素prevChild = prevChildren && prevChildren[name]。以第 0 个元素为例，prevElement 为 ReactElement[3]（ key 为‘.0’），而 nextElement 为 ReactElement[2]，因此会调用ReactReconciler.receiveComponent来更新文本元素，过程与上一篇文章一样。

当遍历到最后一个 li ，由于没有 prevChild，会创建一个新的实例。

再回到 ReactMultiChild 的 _updateChildren 方法，这时nextChildren已经创建好，开始遍历：

_updateChildren: function (nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
    ...
    
    var nextChildren = this._reconcilerUpdateChildren(
                prevChildren,
                nextNestedChildrenElements,
                mountImages,
                removedNodes,
                transaction,
                context
            );
            
    ...
    
    for (name in nextChildren) {
        if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
            continue;
        }
        var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var nextChild = nextChildren[name];
        if (prevChild === nextChild) {    ------------------------------------ 1）
            updates = enqueue(
                updates,
                this.moveChild(prevChild, lastPlacedNode,
                    nextIndex, lastIndex)
            );
            lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                lastIndex);
            prevChild._mountIndex = nextIndex;
        } else {                          ------------------------------------ 2）
            if (prevChild) {
                // Update `lastIndex` before `_mountIndex` gets unset by unmounting.
                lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                    lastIndex);
                // The `removedNodes` loop below will actually remove the child.
            }
            // The child must be instantiated before it's mounted.
            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) {
        if (removedNodes.hasOwnProperty(name)) {
            updates = enqueue(
                updates,
                this._unmountChild(prevChildren[name],
                    removedNodes[name])
            );
        }
    }
    if (updates) {
        processQueue(this, updates);
    }
    this._renderedChildren = nextChildren;
},

前面 2 个 li 元素会走到分支 1），第三个元素会到分支 2）,创建新的 li 元素，过程与上一篇的类似。

四、有 Key Diff

例子改一下，加入 key：

class App extends Component {
    constructor(props) {
        super(props);
        this.state = {
            data: ['one', 'two']
        };

        this.timer = setTimeout(() => this.tick(), 5000);
    }

    tick() {
        this.setState({
            data: ['new', 'one', 'two']
        });
    }

    render() {
        return (
            <ul>
                {
                    this.state.data.map(function (val, i) {
                         return <li key={val}>{ val }</li>;
                    })
                }
            </ul>
        );
    }
}

流程与无 key 类似，不再赘述。flattenChildren后的对象是这个样子的：

由于使用了 key ，ReactChildReconciler.updateChildren不再需要更新 text 了，只需要创建一个新的实例。

然后到 ReactMultiChild 的 _updateChildren ：

_updateChildren: function (nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
    ...
    
    for (name in nextChildren) {
        if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
            continue;
        }
        var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var nextChild = nextChildren[name];
        if (prevChild === nextChild) {    ------------------------------------ 1）
            updates = enqueue(
                updates,
                this.moveChild(prevChild, lastPlacedNode,
                    nextIndex, lastIndex)
            );
            lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                lastIndex);
            prevChild._mountIndex = nextIndex;
        } else {                          ------------------------------------ 2）
            if (prevChild) {
                // Update `lastIndex` before `_mountIndex` gets unset by unmounting.
                lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex,
                    lastIndex);
                // The `removedNodes` loop below will actually remove the child.
            }
            // The child must be instantiated before it's mounted.
            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) {
        if (removedNodes.hasOwnProperty(name)) {
            updates = enqueue(
                updates,
                this._unmountChild(prevChildren[name],
                    removedNodes[name])
            );
        }
    }
    if (updates) {
        processQueue(this, updates);
    }
    this._renderedChildren = nextChildren;
},

匹配第一个元素的时候，会到分支 2），后面 2 个元素都是走分支 1）。

有 key 跟没 key 相比，减少了 2 次文本元素的更新，提高了效率。

五、深挖 Key Diff

再来考虑更复杂的情况：

假设要做上图的变化，再来分析下源码：

_updateChildren: function (nextNestedChildrenElements, transaction, context) {
    ...
    
    var nextIndex = 0;
    var lastIndex = 0;
    var nextMountIndex = 0;
    var lastPlacedNode = null;
            
    for (name in nextChildren) {
        if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) {
            continue;
        }
        var prevChild = prevChildren && prevChildren[name];
        var nextChild = nextChildren[name];
        if (prevChild === nextChild) {    ------------------------------------ 1）
            updates = enqueue(
                updates,
                this.moveChild(prevChild, lastPlacedNode, nextIndex, lastIndex)
            );
            lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
            prevChild._mountIndex = nextIndex;
        } else {                          ------------------------------------ 2）
            if (prevChild) {
                // Update `lastIndex` before `_mountIndex` gets unset by unmounting.
                lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
                // The `removedNodes` loop below will actually remove the child.
            }
            // The child must be instantiated before it's mounted.
            updates = enqueue(
                updates,
                this._mountChildAtIndex(
                    nextChild,
                    mountImages[nextMountIndex],
                    lastPlacedNode,
                    nextIndex,
                    transaction,
                    context
                )
            );
            nextMountIndex++;
        }
        nextIndex++;
        lastPlacedNode = ReactReconciler.getHostNode(nextChild);
    }
    ...
},

moveChild: function (child, afterNode, toIndex, lastIndex) {
    // If the index of `child` is less than `lastIndex`, then it needs to
    // be moved. Otherwise, we do not need to move it because a child will be
    // inserted or moved before `child`.
    if (child._mountIndex < lastIndex) {
        return makeMove(child, afterNode, toIndex);
    }
},

这里要先搞清楚 3 个 index：

nextIndex：遍历 nextChildren 时候的 index，每遍历一个元素加 1
lastIndex：上一次从 prevChildren 中取出来元素时，这个元素在 prevChildren 中的 index
_mountIndex：元素在数组中的位置

下面我们来走一遍流程：

nextChildren 的第一个元素是 B ，在 prevChildren 中的位置是 1（_mountIndex），nextIndex 和 lastIndex 都是 0。节点移动的前提是_mountIndex < lastIndex，因此 B 不需要移动。lastIndex 更新为 _mountIndex 和 lastIndex 中较大的：1 。nextIndex 自增：1；
nextChildren 的第二个元素是 A ，在 prevChildren 中的位置是 0（_mountIndex），nextIndex 和 lastIndex 都是 1。这时_mountIndex < lastIndex，因此将 A 移动到 lastPlacedNode (B)的后面。lastIndex 更新为 _mountIndex 和 lastIndex 中较大的：1 。nextIndex 自增：2；
nextChildren 的第三个元素是 D ，中 prevChildren 中的位置是 3（_mountIndex），nextIndex 是 2 ，lastIndex 是 1。这时不满足_mountIndex < lastIndex，因此 D 不需要移动。lastIndex 更新为 _mountIndex 和 lastIndex 中较大的：3 。nextIndex 自增：3；
nextChildren 的第四个元素是 C ，中 prevChildren 中的位置是 2（_mountIndex），nextIndex 是 3 ，lastIndex 是 3。这时_mountIndex < lastIndex，因此将 C 移动到 lastPlacedNode (D)的后面。循环结束。

观察整个过程，移动的原则是将原来的元素往右边移，通过 lastIndex 来控制。在 lastIndex 左边的，就往 lastIndex 的右边移动；在 lastIndex 左边的，不需要动。

六、总结

本文详细讲解了 Diff 过程中 key 的作用以及复用节点的移动原则，并结合源码做了深入的讨论。到此为止，整个 React 源码解读系列先告一段落了，后会有期。

React 源码深度解读（十）：Diff 算法详解

一、前言

二、Diff 策略

三、无 Key Diff

四、有 Key Diff

五、深挖 Key Diff

六、总结

Dickens

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