[译] React性能优化:Virtual Dom原理浅析

2018-05-19 阅读 1303 收藏 2 原链:zhuanlan.zhihu.com
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本文译自《Optimizing React: Virtual DOM explained》,作者是Alexey IvanovAndy Barnov,来自Evil Martians’ team团队。

Optimizing React: Virtual DOM explained — Martian Chronicles

译者:Yuying Wu,前端爱好者 & 鼓励师 / WHVer / 铲屎官 / 咖啡爱好者。目前就职于阿里1688前端小分队,欢迎找我内推。

译者说:通过一些实际场景和demo,给大家描述React的Virtual Dom Diff一些核心的原理和规则,以及基于这些我们可以做些什么提高应用的性能,很棒的文章。

本文首发于个人博客的同名文章


通过学习React的Virtual DOM的知识,去加速你们的应用吧。对框架内部实现的介绍,比较全面且适合初学者,我们会让JSX更加简单易懂,给你展示React是如何判断要不要重新render,解释如何找到应用的性能瓶颈,以及给大家一些小贴士,如何避免常见错误。

React在前端圈内保持领先的原因之一,因为它的学习曲线非常平易近人:把你的模板包在JSX,了解一下propsstate的概念之后,你就可以轻松写出React代码了。

如果你已经熟悉React的工作方式,可以直接跳至“优化我的代码”篇。

但要真正掌握React,你需要像React一样思考(think in React)。本文也会试图在这个方面帮助你。

下面看看我们其中一个项目中的React table:

<figcaption>eBay上的一个复杂的React表格(用于业务)</figcaption>

这个表里有数百个动态(表格内容变化)和可过滤的选项,理解这个框架更精细的点,对于保证顺畅的用户体验至关重要。


当事情出错时,你一定能感觉到。输入字段变得迟缓,复选框需要检查一秒钟,弹窗一个世纪后才出现,等等。


为了能够解决这些问题,我们需要完成一个React组件的整个生命旅程,从一开始的声明定义到在页面上渲染(再然后可能会更新)。系好安全带,我们要发车了!

JSX的背后

这个过程一般在前端会称为“转译”,但其实“汇编”将是一个更精确的术语。

React开发人员敦促你在编写组件时使用一种称为JSX的语法,混合了HTML和JavaScript。但浏览器对JSX及其语法毫无头绪,浏览器只能理解纯碎的JavaScript,所以JSX必须转换成JavaScript。这里是一个div的JSX代码,它有一个class name和一些内容:

<div className='cn'>
  Content!
</div>

以上的代码,被转换成“正经”的JavaScript代码,其实是一个带有一些参数的函数调用:

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content!'
);

让我们仔细看看这些参数。

  • 第一个是元素的type。对于HTML标签,它将是一个带有标签名称的字符串。
  • 第二个参数是一个包含所有元素属性(attributes)的对象。如果没有,它也可以是空的对象。
  • 剩下的参数都可以认为是元素的子元素(children)。元素中的文本也算作一个child,是个字符串’Content!’ 作为函数调用的第三个参数放置。

你应该可以想象,当我们有更多的children时会发生什么:

<div className='cn'>
  Content 1!
  <br />
  Content 2!
</div>

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content 1!',              // 1st child
  React.createElement('br'), // 2nd child
  'Content 2!'               // 3rd child
)

我们的函数现在有五个参数:

因为其中一个child是一个React已知的HTML标签(<br/>),所以它也会被描述为一个函数调用(React.createElement('br'))。

到目前为止,我们已经涵盖了两种类型的children:

  • 简单的String
  • 另一种会调用React.createElement

然而,还有其他值可以作为参数:

  • 基本类型 false, null, undefined, true
  • 数组
  • React Components

可以使用数组是因为可以将children分组并作为一个参数传递:

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  ['Content 1!', React.createElement('br'), 'Content 2!']
)

当然了,React的厉害之处,不仅仅因为我们可以把HTML标签直接放在JSX中使用,而是我们可以自定义自己的组件,例如:

function Table({ rows }) {
  return (
    <table>
      {rows.map(row => (
        <tr key={row.id}>
          <td>{row.title}</td>
        </tr>
      ))}
    </table>
  );
}

组件可以让我们把模板分解为多个可重用的块。在上面的“函数式”(functional)组件的例子里,我们接收一个包含表格行数据的对象数组,最后返回一个调用React.createElement方法的<table>元素,rows则作为children传进table。

无论什么时候,我们这样去声明一个组件时:

<Table rows={rows} />

从浏览器的角度来看,我们是这么写的:

React.createElement(Table, { rows: rows });

注意,这次我们的第一个参数不是String描述的HTML标签,而是一个引用,指向我们编写组件时编写的函数。组件的attributes现在是接收的props参数了。

把组件(components)组合成页面(page)

所以,我们已经将所有JSX组件转换为纯JavaScript,现在我们有一大堆函数调用,它的参数会被其他函数调用的,或者还有更多的其他函数调用这些参数…这些带参数的函数调用,是怎么转化成组成这个页面的实体DOM的呢?

为此,我们有一个ReactDOM库及其它的render方法:

function Table({ rows }) { /* ... */ } // defining a component

// rendering a component
ReactDOM.render(
  React.createElement(Table, { rows: rows }), // "creating" a component
  document.getElementById('#root') // inserting it on a page
);

ReactDOM.render被调用时,React.createElement最终也会被调用,返回以下对象:

// There are more fields, but these are most important to us
{
  type: Table,
  props: {
    rows: rows
  },
  // ...
}


这些对象,在React的角度上,构成了虚拟DOM。


他们将在所有进一步的渲染中相互比较,并最终转化为 真正的DOM(virtual VS real, 虚拟DOM VS 真实DOM)。

下面是另一个例子:这次div有一个class属性和几个children:

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content 1!',
  'Content 2!',
);

变成:

{
  type: 'div',
  props: {
    className: 'cn',
    children: [
      'Content 1!',
      'Content 2!'
    ]
  }
}

需要注意的是,那些除了typeattribute以外的属性,原本是单独传进来的,转换之后,会作为在props.children以一个数组的形式打包存在。也就是说,无论children是作为数组还是参数列表传递都没关系 —— 在生成的虚拟DOM对象的时候,它们最后都会被打包在一起的。

进一步说,我们可以直接在组件中把children作为一项属性传进去,结果还是一样的:

<div className='cn' children={['Content 1!', 'Content 2!']} />

在构建虚拟DOM对象完成之后,ReactDOM.render将会按下面的原则,尝试将其转换为浏览器可以识别和展示的DOM节点:

  • 如果type包含一个带有String类型的标签名称(tag name)—— 创建一个标签,附带上props下所有attributes
  • 如果type是一个函数(function)或者类(class),调用它,并对结果递归地重复这个过程。
  • 如果props下有children属性 —— 在父节点下,针对每个child重复以上过程。

最后,得到以下HTML(对于我们的表格示例):

<table>
  <tr>
    <td>Title</td>
  </tr>
  ...
</table>

重新构建DOM(Rebuilding the DOM)

在实际应用场景,render通常在根节点调用一次,后续的更新会有state来控制和触发调用。

请注意,标题中的“重新”!当我们想更新一个页面而不是全部替换时,React中的魔法就开始了。我们有一些实现它的方式。我们先从最简单的开始 —— 在同一个node节点再次执行ReactDOM.render

// Second call
ReactDOM.render(
  React.createElement(Table, { rows: rows }),
  document.getElementById('#root')
);

这一次,上面的代码的表现,跟我们已经看到的有所不同。React将从头开始创建所有DOM节点并将其放在页面上,而不是从头开始创建所有DOM节点,React将启动其diff算法,来确定节点树的哪些部分必须更新,哪些可以保持不变。

那么,它是怎样工作的呢?其实只有少数几个简单的场景,理解它们将对我们的优化帮助很大。请记住,现在我们在看的,是在React Virtual DOM里面用来代表节点的对象

场景1:type是一个字符串,type在通话中保持不变,props也没有改变。

// before update
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

这是最简单的情况:DOM保持不变。

场景2:type仍然是相同的字符串,props是不同的。

// before update:
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update:
{ type: 'div', props: { className: 'cnn' } }

type仍然代表HTML元素,React知道如何通过标准DOM API调用来更改元素的属性,而无需从DOM树中删除一个节点。

场景3:type已更改为不同的String或从String组件。

// before update:
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update:
{ type: 'span', props: { className: 'cn' } }

React看到的type是不同的,它甚至不会尝试更新我们的节点:old元素将和它的所有子节点一起被删除(unmounted卸载)。因此,将元素替换为完全不同于DOM树的东西代价会非常昂贵。幸运的是,这在现实世界中很少发生。

划重点,记住React使用===(triple equals)来比较type的值,所以这两个值需要是相同类或相同函数的相同实例。

下一个场景更加有趣,通常我们会这么使用React。

场景4:type是一个component

// before update:
{ type: Table, props: { rows: rows } }

// after update:
{ type: Table, props: { rows: rows } }


你可能会说,“咦,但没有任何变化啊!”,但是你错了。


如果type是对函数或类的引用(即常规的React组件),并且我们启动了tree diff的过程,则React会持续地去检查组件的内部逻辑,以确保render返回的值不会改变(类似对副作用的预防措施)。对树中的每个组件进行遍历和扫描 —— 是的,在复杂的渲染场景下,成本可能会非常昂贵!

值得注意的是,一个componentrender(只有类组件在声明时有这个函数)跟ReactDom.render不是同一个函数。

关注子组件(children)的情况

除了上述四种常见场景之外,当一个元素有多个子元素时,我们还需要考虑React的行为。现在假设我们有这么一个元素:

// ...
props: {
  children: [
      { type: 'div' },
      { type: 'span' },
      { type: 'br' }
  ]
},
// ...

我们想要交换一下这些children的顺序:

// ...
props: {
  children: [
    { type: 'span' },
    { type: 'div' },
    { type: 'br' }
  ]
},
// ...

之后会发生什么呢?

diffing的时候,如果React在检查props.children下的数组时,按顺序去对比数组内元素的话:index 0将与index 0进行比较,index 1和index 1,等等。对于每一次对比,React会使用之前提过的diff规则。在我们的例子里,它认为div成为一个span,那么就会运用到情景3。这样不是很有效率的:想象一下,我们已经从1000行中删除了第一行。React将不得不“更新”剩余的999个子项,因为按index去对比的话,内容从第一条开始就不相同了。

幸运的是,React有一个内置的方法(built-in)来解决这个问题。如果一个元素有一个key属性,那么元素将按key而不是index来比较。只要key是唯一的,React就会移动元素,而不是将它们从DOM树中移除然后再将它们放回(这个过程在React里叫mounting和unmounting)。

// ...
props: {
  children: [ // Now React will look on key, not index
    { type: 'div', key: 'div' },
    { type: 'span', key: 'span' },
    { type: 'br', key: 'bt' }
  ]
},
// ...

当state发生了改变

到目前为止,我们只聊了下React哲学里面的props部分,却忽视了另外很重要的一部分state。下面是一个简单的stateful组件:

class App extends Component {
  state = { counter: 0 }

  increment = () => this.setState({
    counter: this.state.counter + 1,
  })

  render = () => (<button onClick={this.increment}>
    {'Counter: ' + this.state.counter}
  </button>)
}

state对象里,我们有一个keycounter。点击按钮时,这个值会增加,然后按钮的文本也会发生相应的改变。但是,当我们这样做时,DOM中发生了什么?哪部分将被重新计算和更新?

调用this.setState会导致re-render(重新渲染),但不会影响到整个页面,而只会影响组件本身及其children组件。父母和兄弟姐妹都不会受到影响。当我们有一个层级很深的组件链时,这会让状态更新变得非常方便,因为我们只需要重绘(redraw)它的一部分。

把问题说清楚

我们准备了一个小demo,以便你可以在看到在“野蛮生长”的React编码方式下最常见的问题,后续我也告诉大家怎么去解决这些问题。你可以在 这里看看它的源代码。你还需要 React Developer Tools,请确保浏览器安装了它们。

我们首先要看看的是,哪些元素以及什么时候导致Virtual DOM的更新。在浏览器的开发工具中,打开React面板并选择“Highlight Updates”复选框:

<figcaption>在Chrome中使用“突出显示更新”复选框选中DevTools</figcaption>

现在尝试在表格中添加一行。如你所见,页面上的每个元素周围都会显示一个边框。这意味着每次添加一行时,React都在计算和比较整个虚拟DOM树。现在尝试点击一行内的counter按钮。你将看到state更新后虚拟DOM如何更新 —— 只有引用了state key的元素及其children受到影响。

React DevTools会提示问题出在哪里,但不会告诉我们有关细节的信息:特别是所涉及的更新,是由diffing元素引起的?还是被挂载(mounting)或者被卸载(unmounting)了?要了解更多信息,我们需要使用React的内置分析器(注意它不适用于生产模式)。

添加?react_perf到应用的URL,然后转到Chrome DevTools中的“Performance”标签。点击“录制”(Record)并在表格上点击。添加一些row,更改一下counter,然后点击“停止”(Stop)。

<figcaption>React DevTools的“Performance”选项卡</figcaption>

在输出的结果中,我们关注“User timing”这项指标。放大时间轴直到看到“React Tree Reconciliation”这个组及其子项。这些就是我们组件的名称,它们旁边都写着[update]或[mount]。


我们的大部分性能问题都属于这两类问题之一。


无论是组件(还是从它分支的其他组件)出于某种原因都会在每次更新时re-mounted(慢),又或者我们在大型应用上执行对每个分支做diff,尽管这些组件并没有发生改变,我们不希望这些情况的发生。

优化我们的代码:Mounting / Unmounting

现在,我们已经了解到当需要update Virtual Dom时,React是依据哪些规则去判断要不要更新,以及也知道了我们可以通过什么方式去追踪这些diff场景的背后发生了什么,我们终于准备好优化我们的代码了!首先,我们来看看mounts/unmounts。

如果你能够注意到当一个元素包含的多个children,他们是由array组成的话,你可以实现十分显著的速度优化。

我们来看看这个case:

<div>
  <Message />
  <Table />
  <Footer />
</div>

在我们的Virtual DOM里这么表示:

// ...
props: {
  children: [
    { type: Message },
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...

这里有一个简单的Message例子,就是一个div写着一些简单的文本,和以及一个巨大的Table,比方说,超过1000行。它们(MessageTable)都是顶级div的子组件,所以它们被放置在父节点的props.children下,并且它们key都不会有。React甚至不会通过控制台警告我们要给每个child分配key,因为children正在React.createElement作为参数列表传递给父元素,而不是直接遍历一个数组。

现在我们的用户已读了一个通知,Message(譬如新通知按钮)从DOM上移除。TableFooter是剩下的全部。

// ...
props: {
  children: [
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...

React会怎么处理呢?它会看作是一个array类型的children,现在少了第一项,从前第一项是Message现在是Table了,也没有key作为索引,比较type的时候又发现它们俩不是同一个function或者class的同一个实例,于是会把整个Tableunmount,然后在mount回去,渲染它的1000+行子数据。

因此,你可以给每个component添加唯一的key(但在目特殊的case下,使用key并不是最佳选择),或者采用更聪明的小技巧:使用短路求值(又名“最小化求值”),这是JavaScript和许多其他现代语言的特性。看:

// Using a boolean trick
<div>
  {isShown && <Message />}
  <Table />
  <Footer />
</div>

虽然Message会离开屏幕,父元素divprops.children仍然会拥有三个元素,children[0]具有一个值false(一个布尔值)。请记住true, false, null, undefined是虚拟DOM对象type属性的允许值,我们最终得到了类似的结果:

// ...
props: {
  children: [
    false, //  isShown && <Message /> evaluates to false
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...

因此,有没有Message组件,我们的索引值都不会改变,Table当然仍然会跟Table比较(当type是一个函数或类的引用时,diff比较的成本还是会有的),但仅仅比较虚拟DOM的成本,通常比“删除DOM节点”并“从0开始创建”它们要来得快。

现在我们来看看更多的东西。大家都挺喜欢用HOC的,高阶组件是一个将组件作为参数,执行某些操作,最后返回另外一个不同功能的组件:

function withName(SomeComponent) {
  // Computing name, possibly expensive...
  return function(props) {
    return <SomeComponent {...props} name={name} />;
  }
}

这是一种常见的模式,但你需要小心。如果我们这么写:

class App extends React.Component() {
  render() {
    // Creates a new instance on each render
    const ComponentWithName = withName(SomeComponent);
    return <SomeComponentWithName />;
  }
}

我们在父节点的render方法内部创建一个HOC。当我们重新渲染(re-render)树时,虚拟DOM是这样子的:

// On first render:
{
  type: ComponentWithName,
  props: {},
}

// On second render:
{
  type: ComponentWithName, // Same name, but different instance
  props: {},
}

现在,React会对ComponentWithName这个实例做diff,但由于此时同名引用了不同的实例,因此全等比较(triple equal)失败,一个完整的re-mount会发生(整个节点换掉),而不是调整属性值或顺序。注意它也会导致状态丢失,如此处所述。幸运的是,这很容易解决,你需要始终在render外面创建一个HOC:

// Creates a new instance just once
const ComponentWithName = withName(Component);

class App extends React.Component() {
  render() {
    return <ComponentWithName />;
  }
}

优化我的代码:Updating

现在我们可以确保在非必要的时候,不做re-mount的事情了。然而,对位于DOM树根部附近(层级越上面的元素)的组件所做的任何更改都会导致其所有children的diffing和调整(reconciliation)。在层级很多、结构复杂的应用里,这些成本很昂贵,但经常是可以避免的。


如果有一种方法可以告诉React你不用来检查这个分支了,因为我们可以肯定那个分支不会有更新,那就太棒了!


这种方式是真的有的哈,它涉及一个built-in方法叫shouldComponentUpdate,它也是组件生命周期的一部分。这个方法的调用时机:组件的render和组件接收到state或props的值的更新时。然后我们可以自由地将它们与我们当前的值进行比较,并决定是否更新我们的组件(返回truefalse)。如果我们返回false,React将不会重新渲染组件,也不会检查它的所有子组件。

通常来说,比较两个集合(set)propsstate一个简单的浅层比较(shallow comparison)就足够了:如果顶层的值不同,我们不必接着比较了。浅比较不是JavaScript的一个特性,但有很多小而美的库utilities)可以让我们用上那么棒的功能。

现在可以像这样编写我们的代码:

class TableRow extends React.Component {

  // will return true if new props/state are different from old ones
  shouldComponentUpdate(nextProps, nextState) {
    const { props, state } = this;
    return !shallowequal(props, nextProps)
           && !shallowequal(state, nextState);
  }

  render() { /* ... */ }
}

但是你甚至都不需要自己写代码,因为React把这个特性内置在一个类React.PureComponent里面。它类似于 React.Component,只是shouldComponentUpdate已经为你实施了一个浅的props/state比较。

这听起来很“不动脑”,在声明class继承(extends)的时候,把Component换成PureComponent就可以享受高效率。事实上,并不是这么“傻瓜”,看看这些例子:

<Table
    // map returns a new instance of array so shallow comparison will fail
    rows={rows.map(/* ... */)}
    // object literal is always "different" from predecessor
    style={ { color: 'red' } }
    // arrow function is a new unnamed thing in the scope, so there will always be a full diffing
    onUpdate={() => { /* ... */ }}
/>

上面的代码片段演示了三种最常见的反模式。尽量避免它们!


如果你能注意点,在render定义之外创建所有对象、数组和函数,并确保它们在各种调用间,不发生更改 —— 你是安全的。


你在updated demo,所有table的rows都被“净化”(purified)过,你可以看到PureComponent的表现了。如果你在React DevTools中打开“Highlight Updates”,你会注意到只有表格本身和新行在插入时会触发render,其他的行保持不变。

[译者说:为了便于大家理解purified,译者在下面插入了原文demo的一段代码]

class TableRow extends React.PureComponent {
  render() {
    return React.createElement('tr', { className: 'row' },
      React.createElement('td', { className: 'cell' }, this.props.title),
      React.createElement('td', { className: 'cell' }, React.createElement(Button)),
    );
  }
};

不过,如果你迫不及待地all in PureComponent,在应用里到处都用的话 —— 控制住你自己!

shallow比较两组propsstate不是免费的,对于大多数基本组件来说,甚至都不值得:shallowComparediffing算法需要耗费更多的时间。

使用这个经验法则:pure component适用于复杂的表单和表格,但它们通常会减慢简单元素(按钮、图标)的效率。


感谢你的阅读!现在你已准备好将这些见解应用到你的应用程序中。可以使用我们的小demo(用了没有用PureComponent)的 仓库作为你的实验的起点。此外,请继续关注本系列的下一部分,我们计划涵盖Redux并优化你的数据,目标是提高整个应用的总体性能。

译者说

正如原文末所说,Alex和Andy后续会继续写一个关于整体性能的系列,包括核心React和Redux等,我也会继续跟踪这个系列的文章,到时po到我的个人博客和知乎专栏 《集异璧》,感兴趣的同学们可以关注一下哈 :)

欢迎对本文的翻译质量、内容的各种讨论。若有表述不当,欢迎斧正。

2018.05.13,晴,杭州滨江

Yuying Wu

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