第1273期React性能优化-虚拟Dom原理浅析

Posted 2021-04-13 前端早读课

前言

今日早读文章由阿里@Yuying Wu翻译投稿分享。

@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

正文从这开始～

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props和state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：

eBay上的一个复杂的React表格（用于业务）

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：

• 一个元素的类型

• 一个属性对象

• 三个子元素。

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
);

当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type和attribute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component的render（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？

当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>)
}

在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：

在Chrome中使用“突出显示更新”复选框选中DevTools

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）。

React DevTools的“Performance”选项卡

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（Message和Table）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。Table和Footer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div的props.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true或false）。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）props和state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props和state不是免费的，对于大多数基本组件来说，甚至都不值得：shallowCompare比diffing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（用了或没有用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。

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