前端小卒

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Fiber 树结构与遍历机制 ​

在 React 的世界里，我们习惯于通过编写声明式的组件来描述 UI。但你是否曾好奇，当我们调用 setState 时，React 内部究竟发生了什么，才让界面如此流畅、高效地更新？答案就隐藏在它的核心协调引擎——Fiber 架构中。而 Fiber 架构的基石，便是我们今天要探讨的 Fiber 树。

想象一下，Fiber 树是 React 的一张详细“施工蓝图”。它不仅描述了组件的层级关系，更重要的是，它将庞大的更新任务拆解成一个个微小的“工作单元”，使得 React 能够以一种可中断、可恢复的方式进行渲染，从而从容应对复杂的应用场景，保证用户界面的响应性。让我们从这张蓝图的基础结构开始，一步步揭开 Fiber 的神秘面纱。

Fiber 树的指针结构 ​

Fiber 节点之间通过以下三个关键指针形成树结构，这使得 React 可以高效地遍历和处理组件：

  • child: 从父节点指向其第一个子节点。React 通过这个指针开始处理子组件。
  • sibling: 从一个子节点指向其下一个兄弟节点。这允许 React 处理同一父级下的所有子节点，形成一个单向链表。
  • return: 从子节点指回其父节点。当一个节点及其所有子孙节点都处理完毕后，React 通过 return 指针返回到父节点继续处理兄弟节点或完成父节点的工作。

举个例子:

javascript
function App() {  
  return (  
    <div>  
      <Header />  
      <main>  
        <Content />  
        <Sidebar />  
      </main>  
    </div>  
  );  
}

React 会将上述 JSX 结构转化为如下的 Fiber 树（简化表示）：

javascript
App (FunctionComponent)  
├── child → div (HostComponent)  
│   ├── child → Header (FunctionComponent)  
│   │   └── sibling → main (HostComponent)  
│   │       ├── child → Content (FunctionComponent)  
│   │       │   └── sibling → Sidebar (FunctionComponent)  
│   │       └── return → div  
│   └── return → App

我们可以用 Mermaid 流程图更清晰地表示这种关系：

这种 child -> sibling -> return 的指针结构，赋予了 React 在没有传统递归调用栈的情况下，也能高效地进行深度优先遍历（DFS）整个 Fiber 树的能力。这不仅是执行协调（Reconciliation）和提交（Commit）阶段工作的基础，更是实现渲染过程可中断和恢复的关键所在。在接下来的部分，我们将看到 React 如何利用这套指针系统，在构建和遍历树的过程中施展魔法。

Fiber 树的构建与遍历 ​

Fiber 树的构建和遍历是协调阶段的核心。React 采用深度优先遍历（DFS）的方式来处理 Fiber 树，这个过程分为两个主要阶段：

  • Render Phase (渲染阶段 / 协调阶段)： 从根 Fiber 节点开始，自上而下地遍历 Work-in-Progress Fiber Tree。在这个阶段，React 会执行组件的 render 方法（或函数组件的函数体），计算新的 props 和 state，并根据 Diff 算法生成新的子 Fiber 节点。同时，也会在这个阶段标记副作用（flags）。这个阶段是可中断的。

    • beginWork： 在“向下”遍历时，对每个 Fiber 节点执行“工作”（begin work）。这包括根据组件类型（函数组件、类组件、原生 DOM 元素等）执行相应的逻辑，如调用组件的 render 方法，比较 props 和 state，并创建或更新子 Fiber 节点。如果子节点有变化，beginWork 会返回第一个子 Fiber 节点，继续向下遍历；如果没有子节点或子节点已处理完毕，则返回 null。
    • completeWork： 在“向上”回溯时，对每个 Fiber 节点执行“完成工作”（complete work）。这包括收集子节点的副作用，将它们合并到父节点的 subtreeFlags 中，并创建或更新与 Fiber 节点对应的真实 DOM 节点（对于 HostComponent）。

  • Commit Phase (提交阶段)： 当 Render Phase 完成并生成了带有副作用标记的 Work-in-Progress Fiber Tree 后，React 会进入 Commit Phase。这个阶段是同步的，不可中断。在这个阶段，React 会遍历 Work-in-Progress Fiber Tree 中所有带有副作用标记的 Fiber 节点，并将其副作用（如 DOM 的插入、更新、删除）应用到真实的 DOM 上，从而更新 UI。

通过这种深度优先遍历和双阶段提交的机制，Fiber 架构实现了高效且可控的 UI 更新。Render 阶段的“计算”与 Commit 阶段的“执行”分离，使得复杂的更新任务可以在不阻塞主线程的情况下分片完成。

然而，如果每次更新都在唯一的一棵树上进行，那么中断和恢复就无从谈起，因为中断可能导致 UI 显示出不完整的中间状态。为了解决这个问题，React 引入了一个更为精妙的设计——双缓冲 Fiber 树。

双缓冲 Fiber 树？ ​

React 在内存中同时维护两棵 Fiber 树：

  1. current 树 (当前树): 这棵树代表了当前已经渲染到屏幕上的 UI 状态。它是用户正在看到的界面的内部表示。这棵树上的 Fiber 节点是不可变的（或者说，在一次更新周期中不直接修改）。

  2. workInProgress 树 (工作中的树): 这棵树是 React 在后台构建或更新的树。当有新的更新（比如 setState、父组件重新渲染等）发生时，React 会基于 current 树来创建或克隆一个 workInProgress 树。所有的计算、diffing（比较差异）、以及副作用的标记都在这棵树上进行。

每个 Fiber 节点都有一个 alternate 属性。这个属性非常关键，它将 current 树中的 Fiber 节点和 workInProgress 树中对应的 Fiber 节点连接起来。也就是说，current.alternate 指向 workInProgress 树中的对应节点，而 workInProgress.alternate 指向 current 树中的对应节点。

双缓冲 Fiber 树是做什么使用的？ ​

双缓冲机制主要用于以下目的：

  1. 原子性更新与一致性: React 可以在 workInProgress 树上完成所有的计算和准备工作，而不会影响当前屏幕上显示的 UI。只有当 workInProgress 树完全构建好，并且所有必要的 DOM 操作都准备就绪后，React 才会一次性地将 workInProgress 树切换为 current 树，并执行 DOM 更新。这确保了用户不会看到渲染不完整的中间状态，提供了更流畅和一致的用户体验。

  2. 可中断与恢复渲染: 由于所有的工作都在 workInProgress 树上进行，如果渲染过程中有更高优先级的任务（如用户输入事件）到来，React 可以暂停 workInProgress 树的构建，去处理高优先级任务，然后再回来从之前中断的地方继续构建 workInProgress 树。current 树在此期间保持不变，用户界面不会卡顿。

  3. 错误处理与回退: 如果在构建 workInProgress 树的过程中发生错误（例如，某个组件的 render 方法抛出异常），React 可以选择丢弃整个 workInProgress 树，而 current 树（即用户看到的界面）不受影响。这为实现更健壮的错误边界（Error Boundaries）提供了基础。

  4. 状态复用与优化: 在创建 workInProgress 树时，如果某个 Fiber 节点及其子树没有发生变化，React 可以直接复用 current 树中对应的 Fiber 节点（通过 alternate 指针），避免了不必要的重新创建和计算，从而提高性能。

在哪个阶段生成？ ​

  • current 树: 在应用首次挂载（mount）完成，并将初始 UI 渲染到屏幕后形成。之后，每当一次更新成功提交（commit）后，workInProgress 树就会变成新的 current 树。
  • workInProgress 树: 在 Render 阶段 (Reconciliation Phase) 开始时生成。当 React 接收到更新请求（例如 setState 调用或父组件重新渲染）时，它会从 current 树的根节点开始，逐个创建或克隆 Fiber 节点来构建 workInProgress 树。这个构建过程就是我们之前讨论的 beginWork 和 completeWork 循环。

在哪个阶段进行切换? ​

双缓冲 Fiber 树的切换发生在 Commit 阶段的末尾。

更具体地说，是在 Commit 阶段所有 DOM 操作（增删改）、useLayoutEffect 的同步执行、以及其他一些同步副作用（比如 ref 的处理）都完成之后。

整个流程可以概括为：

  1. Render 阶段 (Reconciliation Phase):

    • React 在内存中构建 workInProgress 树。
    • 这个过程是可中断的。
    • 此阶段不执行任何 DOM 操作，只进行计算和标记副作用 (flags)。

  2. Commit 阶段: 一旦 workInProgress 树构建完成，React 进入 Commit 阶段。这个阶段是同步的，不可中断的。

    • Before Mutation 阶段: 主要执行 getSnapshotBeforeUpdate 生命周期方法。
    • Mutation 阶段: React 遍历 workInProgress 树，根据 Fiber 节点上的 flags 执行实际的 DOM 增、删、改操作。
    • Layout 阶段:
      • 切换 Fiber 树: 在所有 DOM 修改完成后，workInProgress 树正式成为 current 树。这是通过更新 FiberRootNode 上的 current 指针来实现的，使其指向刚刚完成工作的 workInProgress 树的根节点。
      • 然后，React 会同步调用所有 useLayoutEffect 的回调函数以及类组件的 componentDidMount 和 componentDidUpdate 生命周期方法。

所以，关键的切换动作——即 workInProgress 树取代旧的 current 树，成为新的 current 树——发生在 Commit 阶段内部，具体是在 DOM 变更之后、Layout effects 执行之前（或者说作为 Layout effects 执行的一部分）。

这个切换点确保了：

  • DOM 更新是原子性的：所有更改一次性应用。
  • useLayoutEffect 可以在 DOM 更新后立即同步读取和操作 DOM，而不会观察到不一致的状态。

有什么优点？ ​

  1. 提升用户体验:
    • 避免了 UI 渲染的中间状态，界面更新更平滑。
    • 通过可中断渲染，使得应用在高负载下也能保持对用户输入的响应，减少卡顿感。
  2. 提高渲染性能:
    • 通过复用未改变的 Fiber 节点，减少了不必要的工作量。
    • 允许 React 将渲染工作分片执行，避免长时间阻塞主线程。
  3. 增强应用稳定性:
    • 错误处理机制使得单个组件的错误不容易导致整个应用崩溃。
  4. 实现高级特性:
    • 是 React 并发模式 (Concurrent Mode) 和 Suspense 等高级特性的基石。

实际的例子 ​

假设我们有一个简单的计数器应用：

jsx
function Counter() {
  const [count, setCount] = useState(0);

  return (
    <div>
      <p>Count: {count}</p>
      <button onClick={() => setCount(count + 1)}>Increment</button>
    </div>
  );
}

初始渲染 (Mount):

  1. Render 阶段: React 开始构建第一个 workInProgress 树。
    • 创建一个 HostRoot Fiber (应用根节点)。
    • HostRoot 的 child 是 Counter 组件的 Fiber。
    • Counter Fiber 的 child 是 div HostComponent Fiber。
    • div Fiber 有两个 child：p HostComponent Fiber 和 button HostComponent Fiber。
    • p Fiber 的 child 是一个 HostText Fiber，内容是 "Count: 0"。
    • 这个过程中，每个 Fiber 节点的 alternate 都是 null，因为还没有 current 树。
  2. Commit 阶段: workInProgress 树构建完成。
    • React 执行 DOM 操作，将 <div>, <p>, <button> 等实际渲染到页面上。
    • workInProgress 树切换成为 current 树。现在，current 树代表了屏幕上 Count: 0 的状态。每个 Fiber 节点的 alternate 仍然指向之前的 workInProgress 节点（虽然现在它已经是 current 了，但这个连接关系在下一次更新时会用到）。更准确地说，fiberRootNode.current 指针会指向这棵树的根。

点击 "Increment" 按钮 (Update):

  1. setCount(1) 被调用，触发更新。
  2. Render 阶段: React 开始新一轮的协调。
    • React 会基于当前的 current 树（显示 Count: 0）来构建一个新的 workInProgress 树。
    • 它会从根节点开始，尝试复用 current 树中的 Fiber 节点来创建 workInProgress 树的节点。每个新创建或克隆的 workInProgress Fiber 节点的 alternate 会指向 current 树中对应的旧 Fiber 节点。
    • 当处理到 Counter 组件时，React 发现它的 state 从 0 变成了 1。
    • Counter 组件重新执行，返回新的 JSX。
    • React diff p 标签的内容，发现文本从 "Count: 0" 变成了 "Count: 1"。它会为这个 HostText Fiber 标记一个 Update 的 flag。
    • 其他未改变的 Fiber 节点（如 div, button）会被克隆，但可能不会有 flags（除非它们的 props 或 context 改变）。
  3. Commit 阶段: 新的 workInProgress 树（代表 Count: 1 的状态）构建完成。
    • React 遍历 workInProgress 树，查找带有 flags 的节点。
    • 它找到 HostText Fiber 带有 Update flag，于是更新 DOM 中对应文本节点的内容为 "Count: 1"。
    • 更新完成后，这个新的 workInProgress 树切换成为新的 current 树。
    • fiberRootNode.current 指针更新，指向这棵新的树。

在这个过程中，如果 Counter 组件的渲染非常复杂，耗时较长，并且在渲染过程中用户又快速点击了按钮或者进行了其他操作，React 可以暂停 workInProgress 树的构建，响应用户操作，然后再回来继续。而用户看到的始终是 current 树所代表的稳定 UI（在上面的例子中，可能是 Count: 0 或者更新完成后的 Count: 1，但不会是渲染到一半的奇怪状态）。

更多案例：Fiber 在复杂场景下的威力 ​

案例一：列表渲染与 key 的魔力 ​

key 是 React 中一个至关重要的概念，它的作用在 Fiber 架构下体现得淋漓尽致。假设我们有一个动态列表：

jsx
function UserList({ users }) {
  return (
    <ul>
      {users.map(user => (
        <li key={user.id}>{user.name}</li>
      ))}
    </ul>
  );
}

当 users 列表发生变化时，比如从 [{id: 1, name: 'A'}, {id: 2, name: 'B'}] 变为 [{id: 2, name: 'B'}, {id: 1, name: 'A'}, {id: 3, name: 'C'}]：

  1. Render 阶段：React 在构建 workInProgress 树时，会逐一对比新旧 <li> 元素。
    • 带 key 的情况：React 通过 key 快速识别出 id=1 和 id=2 的 <li> 只是顺序变了，而 id=3 的是新增的。它会复用旧的 Fiber 节点（key="1" 和 key="2"），仅为它们标记上 Placement 的副作用（表示需要移动 DOM 位置），并为 key="3" 的新 <li> 创建一个新的 Fiber 节点，也标记为 Placement（表示需要插入新 DOM）。
    • 不带 key 的情况：React 只能按索引进行比较。它会认为第一个 <li> 的内容从 'A' 变成了 'B'（Update），第二个 <li> 的内容从 'B' 变成了 'A'（Update），并新增了第三个 <li>（Placement）。这会导致不必要的 DOM 更新，而非更高效的 DOM 移动。

这个例子清晰地展示了 key 如何帮助 Fiber diff 算法做出最经济的决策，从而最小化 Commit 阶段的 DOM 操作。

案例二：条件渲染与子树的挂载/卸载 ​

考虑一个常见的权限控制场景：

jsx
function Dashboard({ isLoggedIn }) {
  return (
    <div>
      <h1>Welcome</h1>
      {isLoggedIn && <UserProfile />}
      <Footer />
    </div>
  );
}

当 isLoggedIn 状态从 false 变为 true 时：

  1. Render 阶段：

    • React 在 diff div 的子节点时，发现之前 UserProfile 的位置是 null，而现在有了一个 <UserProfile /> 组件。
    • React 会为 <UserProfile /> 及其所有子组件创建一整套新的 Fiber 节点，形成一个新的子树。
    • 这个新子树的根节点（UserProfile Fiber）会被标记上 Placement 的副作用。

  2. Commit 阶段：

    • React 遍历到 UserProfile Fiber，看到 Placement 标记，就会将 UserProfile 渲染出的真实 DOM 节点插入到 div 中。
    • 同时，会触发 UserProfile 组件及其子组件的 componentDidMount 生命周期或 useEffect 的挂载回调。

反之，当 isLoggedIn 从 true 变为 false，React 会为 UserProfile Fiber 标记 Deletion 副作用，在 Commit 阶段移除对应的 DOM，并执行 componentWillUnmount 或 useEffect 的清理函数。

通过这些案例，我们可以看到 Fiber 树不仅仅是一个静态的结构，更是一个动态的、承载着完整更新逻辑的生命体。它精确地记录了每一次状态变更所需要执行的操作，为 React 高效、可靠的渲染奠定了坚实的基础。

总结：Fiber 不仅仅是性能优化 ​

至此，我们已经探索了 Fiber 树的指针结构、构建遍历过程，以及其核心机制——双缓冲技术。我们看到，Fiber 架构远不止是一项单纯的性能优化，它更是一次对 React 核心协调算法的重构。

通过将渲染任务单元化、引入可中断的 Render 阶段和原子性的 Commit 阶段，React 获得了前所未有的灵活性和控制力。这不仅解决了早期版本中因递归调用栈过深而导致的渲染卡顿问题，更为 React 的未来发展铺平了道路。

双缓冲机制是这一切得以实现的关键，它确保了用户界面的稳定性和一致性，即使在复杂的并发更新中也不会出现撕裂或不完整的状态。而我们所熟知的 key、条件渲染等特性，在 Fiber 的视角下，其内部工作原理也变得更加清晰和深刻。

可以说，理解了 Fiber 树，就等于拿到了解读现代 React 工作原理的钥匙。它是 React 并发模式（Concurrent Mode）、Suspense、Hooks 等一系列高级特性的基石，也是 React 团队能够持续创新、不断提升用户体验的底气所在。希望通过本文的解析，能帮助你更深入地理解这个驱动着 React 应用高效运转的强大引擎。

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