《自己动手写 React》——【4】实现更新机制

[2xiao]

1. React 更新流程

React 中的更新流程大致可以分为以下几个阶段：

1. 触发更新（Update Trigger）： 更新可以由组件的状态变化、属性变化、父组件的重新渲染、用户事件等触发，如：

   • 创建 React 应用的根对象 ReactDOM.creatRoot().render()；
   • 类组件 this.setState()；
   • 函数组件 useState useEffect；

2. 调度阶段（Schedule Phase）： 调度器根据更新任务的优先级，将更新任务添加到相应的更新队列中，这个阶段决定了何时以及以何种优先级执行更新任务。

3. 协调阶段（Reconciliation Phase）： 也叫 Render 阶段， Reconciler 负责构建 Fiber 树，处理新旧虚拟 DOM 树之间的差异，生成更新计划，确定需要进行的操作。

4. 提交阶段（Commit Phase）： 提交阶段将更新同步到实际的 DOM 中，React 执行 DOM 操作，例如创建、更新或删除 DOM 元素，反映组件树的最新状态。

2. 实现 UpdateQueue

为了实现上述更新流程，首先需要定义两个数据结构：Update 和 UpdateQueue，它们一起组成了 React 中管理组件状态更新的机制。

Update（更新）

• Update 表示对组件状态的一次更新操作。
• 当组件状态发生变化时（例如由 setState 触发），React 会创建一个 Update 对象，其中包含了新的状态或者状态的更新部分。
• Update 对象描述了如何修改组件的状态，如添加新的状态、更新现有的状态、删除状态等，以及与此更新相关的一些元数据，如优先级等。
• Update 对象记录了组件状态的变化，但实际的状态更新并不会立即执行，而是会被添加到更新队列中等待处理。

UpdateQueue（更新队列）

• UpdateQueue 是一个队列数据结构，用于存储组件的更新操作。
• 当组件的状态发生变化时，会生成一个新的 Update 对象，并将其添加到组件的 UpdateQueue 中。
• UpdateQueue 管理着组件的状态更新顺序，确保更新操作能够按照正确的顺序和优先级被应用到组件上。
• 更新队列通常是以链表的形式实现的，每个 Update 对象都链接到下一个更新对象，形成一个更新链表。在 React 的更新过程中，会遍历更新队列，并根据其中的更新操作来更新组件的状态以及更新 DOM。

在 packages/react-reconciler/src/ 目录下新建 updateQueue.ts 文件：

// packages/react-reconciler/src/updateQueue.ts
import { Action } from 'shared/ReactTypes';
import { Update } from './fiberFlags';

// 定义 Update 数据结构
export interface Update<State> {
	action: Action<State>;
}

// 定义 UpdateQueue 数据结构
export interface UpdateQueue<State> {
	shared: {
		pending: Update<State> | null;
	};
}

// 创建 Update 实例的方法
export const createUpdate = <State>(action: Action<State>): Update<State> => {
	return {
		action
	};
};

// 创建 UpdateQueue 实例的方法
export const createUpdateQueue = <State>(): UpdateQueue<State> => {
	return {
		shared: {
			pending: null
		}
	};
};

// 将 Update 添加到 UpdateQueue 中的方法
export const enqueueUpdate = <State>(
	updateQueue: UpdateQueue<State>,
	update: Update<State>
) => {
	updateQueue.shared.pending = update;
};

// 从 UpdateQueue 中消费 Update 的方法
export const processUpdateQueue = <State>(
	baseState: State,
	pendingUpdate: Update<State> | null
): { memoizedState: State } => {
	const result: ReturnType<typeof processUpdateQueue<State>> = {
		memoizedState: baseState
	};
	if (pendingUpdate !== null) {
		const action = pendingUpdate.action;
		if (action instanceof Function) {
			// 若 action 是回调函数：(baseState = 1, update = (i) => 5i)) => memoizedState = 5
			result.memoizedState = action(baseState);
		} else {
			// 若 action 是状态值：(baseState = 1, update = 2) => memoizedState = 2
			result.memoizedState = action;
		}
	}
	return result;
};

// packages/shared/ReactTypes.ts
// ...

// 定义 Action type
export type Action<State> = State | ((prevState: State) => State);

3. 实现触发更新

上面我们提到，更新 React 应用可以由多种触发方式引发，包括组件的状态变化、属性变化、父组件的重新渲染以及用户事件等。

先来处理创建 React 应用的根对象这种情况，也就是 ReactDOM.createRoot(rootElement).render(<App/>) 这条语句：

• ReactDOM.createRoot() 函数生成一个新的 Root 对象，它在源码中是 FiberRootNode 类型，充当了 React 应用的根节点。
• rootElement 则是要渲染到的 DOM 节点，它在源码中是 hostRootFiber 类型，作为 React 应用的根 DOM 节点。
• render() 方法将组件 <App/> 渲染到根节点上。在这个过程中，React 会创建一个代表 <App/> 组件的 FiberNode，并将其添加到 Root 对象的 Fiber 树上。

根据上图，我们先来实现 FiberRootNode 类型：

// packages/react-reconciler/src/fiber.ts
export class FiberRootNode {
	container: Container;
	current: FiberNode;
	finishedWork: FiberNode | null;
	constructor(container: Container, hostRootFiber: FiberNode) {
		this.container = container;
		this.current = hostRootFiber;
		// 将根节点的 stateNode 属性指向 FiberRootNode，用于表示整个 React 应用的根节点
		hostRootFiber.stateNode = this;
		// 指向更新完成之后的 hostRootFiber
		this.finishedWork = null;
	}
}

接着我们来实现 ReactDOM.createRoot().render() 过程中调用的 API:

• createContainer 函数: 用于创建一个新的容器（container），该容器包含了 React 应用的根节点以及与之相关的一些配置信息。createContainer 函数会创建一个新的 Root 对象，该对象用于管理整个 React 应用的状态和更新。

• updateContainer 函数: 用于更新已经存在的容器中的内容。在内部，updateContainer 函数会调用 scheduleUpdateOnFiber 等方法，通过 Fiber 架构中的协调更新过程，将新的 React 元素（element）渲染到容器中，并更新整个应用的状态。

新建文件 fiberReconciler.ts，里面有 createContainer 和 updateContainer 两个函数，在 workLoop.ts 文件中实现 scheduleUpdateOnFiber函数：

// packages/react-reconciler/src/fiberReconciler.ts
import { Container } from 'hostConfig';
import { FiberNode, FiberRootNode } from './fiber';
import { HostRoot } from './workTags';
import {
	UpdateQueue,
	createUpdate,
	createUpdateQueue,
	enqueueUpdate
} from './updateQueue';
import { ReactElementType } from 'shared/ReactTypes';
import { scheduleUpdateOnFiber } from './workLoop';

export function createContainer(container: Container) {
	const hostRootFiber = new FiberNode(HostRoot, {}, null);
	const root = new FiberRootNode(container, hostRootFiber);
	hostRootFiber.updateQueue = createUpdateQueue();
	return root;
}

export function updateContainer(
	element: ReactElementType | null,
	root: FiberRootNode
) {
	const hostRootFiber = root.current;
	const update = createUpdate<ReactElementType | null>(element);
	enqueueUpdate(
		hostRootFiber.updateQueue as UpdateQueue<ReactElementType | null>,
		update
	);
	scheduleUpdateOnFiber(hostRootFiber);
	return element;
}

// packages/react-reconciler/src/workLoop.ts
// ...

// 调度功能
export function scheduleUpdateOnFiber(fiber: FiberNode) {
	const root = markUpdateFromFiberToRoot(fiber);
	renderRoot(root);
}

// 从触发更新的节点向上遍历到 FiberRootNode
function markUpdateFromFiberToRoot(fiber: FiberNode) {
	let node = fiber;
	while (node.return !== null) {
		node = node.return;
	}
	if (node.tag == HostRoot) {
		return node.stateNode;
	}
	return null;
}

另外，在上一节中，我们在实现 prepareFreshStack 函数时，直接将 root 作为参数赋值给了 workInProgress，但现在我们知道了，root 其实是 FiberRootNode 类型的，不能直接赋值给 FiberNode 类型的 workInProgress，所以需要写一个 createWorkInProgress 函数处理一下：

// packages/react-reconciler/src/workLoop.ts
function renderRoot(root: FiberRootNode) {
	prepareFreshStack(root);
	do {
		try {
			workLoop();
			break;
		} catch (e) {
			console.warn('workLoop发生错误：', e);
			workInProgress = null;
		}
	} while (true);
}

// 初始化 workInProgress 变量
function prepareFreshStack(root: FiberRootNode) {
	workInProgress = createWorkInProgress(root.current, {});
}

// ...

// packages/react-reconciler/src/fiber.ts
// ...

// 根据 FiberRootNode.current 创建 workInProgress
export const createWorkInProgress = (
	current: FiberNode,
	pendingProps: Props
): FiberNode => {
	let workInProgress = current.alternate;
	if (workInProgress == null) {
		// 首屏渲染时（mount）
		workInProgress = new FiberNode(current.tag, pendingProps, current.key);
		workInProgress.stateNode = current.stateNode;

		// 双缓冲机制
		workInProgress.alternate = current;
		current.alternate = workInProgress;
	} else {
		// 非首屏渲染时（update）
		workInProgress.pendingProps = pendingProps;
		// 将 effect 链表重置为空，以便在更新过程中记录新的副作用
		workInProgress.flags = NoFlags;
		workInProgress.subtreeFlags = NoFlags;
	}
	// 复制当前节点的大部分属性
	workInProgress.type = current.type;
	workInProgress.updateQueue = current.updateQueue;
	workInProgress.child = current.child;
	workInProgress.memoizedProps = current.memoizedProps;
	workInProgress.memoizedState = current.memoizedState;

	return workInProgress;
};

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至此，我们已经实现了 React 应用在首次渲染或后续更新时的大致更新流程，一起来回顾一下：

• 首先，我们通过 createContainer 函数创建了 React 应用的根节点 FiberRootNode，并将其与 DOM 节点（hostFiberRoot）连接起来；

• 然后，通过 updateContainer 函数创建了一个更新（update），并将其加入到更新队列（updateQueue）中，启动了首屏渲染或后续更新的机制；

• 接着会调用 scheduleUpdateOnFiber 函数开始调度更新，从触发更新的节点开始向上遍历，直到达到根节点 FiberRootNode；

• 接着会调用 renderRoot 函数，初始化 workInProgress 变量，生成与 hostRootFiber 对应的 workInProgress hostRootFiber；

• 接着就开始 Reconciler 的更新流程，即 workLoop 函数，对 Fiber 树进行深度优先遍历（DFS）；

• 在向下遍历阶段会调用 beginWork 方法，在向上返回阶段会调用 completeWork 方法，这两个方法负责 Fiber 节点的创建、更新和处理，具体实现会在下一节会讲到。

相关代码可在 git tag v1.4 查看，地址：https://github.com/2xiao/my-react/tree/v1.4