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大家好,我卡颂。

React内部最难理解的地方就是调度算法,不仅抽象、复杂,还重构了一次。

可以说,只有React团队自己才能完全理解这套算法。

既然这样,那本文尝试从React团队成员的视角出发,来聊聊调度算法

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什么是调度算法

React在v16之前面对的主要性能问题是:当组件树很庞大时,更新状态可能造成页面卡顿,根本原因在于:更新流程是同步、不可中断的

为了解决这个问题,React提出Fiber架构,意在将更新流程变为异步、可中断的

最终实现的交互流程如下:

  1. 不同交互产生不同优先级的更新(比如onClick回调中的更新优先级最高,useEffect回调中触发的更新优先级一般)
  2. 调度算法从众多更新中选出一个优先级作为本次render的优先级
  3. 以步骤2选择的优先级对组件树进行render

render过程中,如果又触发交互流程,步骤2又选出一个更高优先级,则之前的render中断,以新的优先级重新开始render

本文要聊的就是步骤2中的调度算法

expirationTime调度算法

调度算法需要解决的最基本的问题是:如何从众多更新中选择其中一个更新的优先级作为本次render的优先级?

最早的算法叫做expirationTime算法

具体来说,更新的优先级与触发交互的当前时间优先级对应的延迟时间相关:

// MAX_SIGNED_31_BIT_INT为最大31 bit Interger
update.expirationTime = MAX_SIGNED_31_BIT_INT - (currentTime + updatePriority);

例如,高优先级更新u1、低优先级更新u2的updatePriority分别为0、200,则

MAX_SIGNED_31_BIT_INT - (currentTime + 0) > MAX_SIGNED_31_BIT_INT - (currentTime + 200)

// 即
u1.expirationTime > u2.expirationTime;

代表u1优先级更高。

expirationTime算法的原理简单易懂:每次都选出所有更新中优先级最高的

如何表示“批次”

除此之外,还有个问题需要解决:如何表示批次

批次是什么?考虑如下例子:

// 定义状态num
const [num, updateNum] = useState(0);

// ...某些修改num的地方
// 修改的方式1
updateNum(3);
// 修改的方式2
updateNum(num => num + 1);

两种修改状态的方式都会创建更新,区别在于:

  • 第一种方式,不需考虑更新前的状态,直接将状态num修改为3
  • 第二种方式,需要基于更新前的状态计算新状态

由于第二种方式的存在,更新之间可能有连续性。

所以调度算法计算出一个优先级后,组件render时实际参与计算当前状态的值的是:

计算出的优先级对应更新 + 与该优先级相关的其他优先级对应更新

这些相互关联,有连续性的更新被称为一个批次batch)。

expirationTime算法计算批次的方式也简单粗暴:优先级大于某个值(priorityOfBatch)的更新都会划为同一批次。

const isUpdateIncludedInBatch = priorityOfUpdate >= priorityOfBatch;

expirationTime算法保证了render异步可中断、且永远是最高优先级的更新先被处理。

这一时期该特性被称为Async Mode

IO密集型场景

Async Mode可以解决以下问题:

  1. 组件树逻辑复杂导致更新时卡顿(因为组件render变为可中断
  2. 重要的交互更快响应(因为不同交互产生更新优先级不同)

这些问题统称为CPU密集型问题

在前端,还有一类问题也会影响体验,那就是请求数据造成的等待。这类问题被称为IO密集型问题

为了解决IO密集型问题的,React提出了Suspense。考虑如下代码:

const App = () => {
  const [count, setCount] = useState(0);
  
  useEffect(() => {
    const t = setInterval(() => {
      setCount(count => count + 1);
    }, 1000);
    return () => clearInterval(t);
  }, []);
  
  return (
    <>
      <Suspense fallback={<div>loading...</div>}>
        <Sub count={count} />
      </Suspense>
      <div>count is {count}</div>
    </>
  );
};

其中:

  • 每过一秒会触发一次更新,将状态count更新为count => count + 1
  • Sub中会发起异步请求,请求返回前,包裹SubSuspense会渲染fallback

假设请求三秒后返回,理想情况下,请求发起前后UI会依次显示为:

// Sub内请求发起前
<div class=“sub”>I am sub, count is 0</div>
<div>count is 0</div>

// Sub内请求发起第1秒
<div>loading...</div>
<div>count is 1</div>

// Sub内请求发起第2秒
<div>loading...</div>
<div>count is 2</div>

// Sub内请求发起第3秒
<div>loading...</div>
<div>count is 3</div>

// Sub内请求成功后
<div class=“sub”>I am sub, request success, count is 4</div>
<div>count is 4</div>

从用户的视角观察,有两个任务在并发执行:

  1. 请求Sub的任务(观察第一个div的变化)
  2. 改变count的任务(观察第二个div的变化)

Suspense带来了多任务并发执行的直观感受。

因此,Async Mode(异步模式)也更名为Concurrent Mode(并发模式)。

一个无法解决的bug

那么Suspense对应更新的优先级是高还是低呢?

当请求成功后,合理的逻辑应该是尽快展示成功后的UI。所以Suspense对应更新应该是高优先级更新。那么,在示例中共有两类更新:

  1. Suspense对应的高优IO更新,简称u0
  2. 每秒产生的低优CPU更新,简称u1u2u3

expirationTime算法下:

// u0优先级远大于u1、u2、u3...
u0.expirationTime >> u1.expirationTime > u2.expirationTime > …

u0优先级最高,则u1及之后的更新都需要等待u0执行完毕后再进行。

u0需要等待请求完毕才能执行。所以,请求发起前后UI会依次显示为:

// Sub内请求发起前
<div class=“sub”>I am sub, count is 0</div>
<div>count is 0</div>

// Sub内请求发起第1秒
<div>loading...</div>
<div>count is 0</div>

// Sub内请求发起第2秒
<div>loading...</div>
<div>count is 0</div>

// Sub内请求发起第3秒
<div>loading...</div>
<div>count is 0</div>

// Sub内请求成功后
<div class=“sub”>I am sub, request success, count is 4</div>
<div>count is 4</div>

从用户的视角观察,第二个div被卡住了3秒后突然变为4。

所以,只考虑CPU密集型场景的情况下,高优更新先执行的算法并无问题。

但考虑IO密集型场景的情况下,高优IO更新会阻塞低优CPU更新,这显然是不对的。

所以expirationTime算法并不能很好支持并发更新。

expirationTime算法在线Demo

出现bug的原因

expirationTime算法最大的问题在于:expirationTime字段耦合了优先级批次这两个概念,限制了模型的表达能力。

这导致高优IO更新不会与低优CPU更新划为同一批次。那么低优CPU更新就必须等待高优IO更新处理完后再处理。

如果不同更新能根据实际情况灵活划分批次,就不会产生这个bug

重构迫在眉睫,并且重构的目标很明确:将优先级批次拆分到两个字段中。

Lane调度算法

新的调度算法被称为Lane,他是如何定义优先级批次呢?

对于优先级,一个lane就是一个32bit Interger,最高位为符号位,所以最多可以有31个位参与运算。

不同优先级对应不同lane,越低的位代表越高的优先级,比如:

// 对应SyncLane,为最高优先级
0b0000000000000000000000000000001
// 对应InputContinuousLane
0b0000000000000000000000000000100
// 对应DefaultLane
0b0000000000000000000000000010000
// 对应IdleLane
0b0100000000000000000000000000000
// 对应OffscreenLane,为最低优先级
0b1000000000000000000000000000000

批次则由lanes定义,一个lanes同样也是一个32bit Interger,代表一到多个lane的集合

可以用位运算很轻松的将多个lane划入同一个批次

// 要使用的批次
let lanesForBatch = 0;

const laneA = 0b0000000000000000000000001000000;
const laneB = 0b0000000000000000000000000000001;

// 将laneA纳入批次中
lanesForBatch |= laneA;
// 将laneB纳入批次中
lanesForBatch |= laneB;

上文提到的Suspensebug是由于expirationTime算法不能灵活划定批次导致的。

lanes就完全没有这种顾虑,任何想划定为同一批次优先级(lane)都能用位运算轻松搞定。

Lane算法在线Demo

总结

调度算法要解决两个问题:

  1. 选取优先级
  2. 选取批次

expirationTime算法中使用的expirationTime字段耦合了这两个概念,导致不够灵活。

Lane算法的出现解决了以上问题。


卡颂
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