React深入探讨 useState的核心源码原理

小小小小宇2025-04-22 11:01

深入探讨 React useState Hook 的核心源码原理。

重要提示：

  1. React 源码极其复杂： React 的实际源码涉及 Fiber 架构、调度器 (Scheduler)、并发模式 (Concurrent Mode)、批处理、上下文、错误边界、DevTools 集成等众多高级概念。直接展示和逐行解释数千行真实源码对于理解 useState 的 核心 机制来说，可能过于复杂且容易迷失方向。
  2. 关注核心原理： 本文将重点放在 useState 得以工作的基本原理和数据结构 上，通过概念性的、简化的伪代码和解释来模拟其行为，帮助你理解其内部机制，而不是直接复制粘贴 React 源码。
  3. 代码量与清晰度： 虽然您要求代码量，但我会优先保证解释的清晰度和准确性。我们将通过详细的伪代码、注释和多种场景分析来尽可能丰富内容，模拟核心流程。

核心问题：函数组件如何拥有"状态"？

函数组件本质上是 JavaScript 函数。每次组件渲染（更新）时，函数都会重新执行 。那么，React 是如何在多次执行之间"记住"状态（如 count 的值）的呢？而且，useState 返回的 setCount 函数为什么能触发组件的重新渲染？

答案：React 的内部魔法 ------ Fiber 节点与 Hooks 链表

React 在内部为每个组件实例（无论是类组件还是函数组件）维护一个称为 Fiber 节点 的数据结构。这个 Fiber 节点存储了关于组件的信息，包括它的类型、props、输出（DOM 节点或其他组件）、以及 状态信息。

对于函数组件，它的状态（由 Hooks 创建）就存储在与之关联的 Fiber 节点上。更具体地说：

  1. Hooks 存储在 Fiber 上： 每个函数组件的 Fiber 节点内部维护着一个有序列表（通常是链表） ，用来存储该组件中所有 Hooks 的状态信息。
  2. 调用顺序至关重要： 当函数组件执行时，每次调用 useState（或其他 Hook），React 内部会按照调用顺序 从这个列表中读取或创建对应的 Hook 状态。这就是为什么 Hooks 必须在顶层调用，不能在条件、循环或嵌套函数中调用的原因------React 需要依赖这个稳定不变的调用顺序来找到正确的状态。

useState 的核心流程：首次渲染 vs. 更新渲染

React 内部处理 useState 的逻辑在组件首次渲染（mount）和后续更新渲染（update）时是不同的。我们可以想象有两个内部函数在处理：mountState 和 updateState。

场景一：首次渲染 (Mount)

当组件第一次渲染时，调用 useState(initialState)：

  1. 获取当前 Fiber 节点： React 知道当前正在渲染哪个组件，找到对应的 Fiber 节点。

  2. 初始化 Hooks 链表： 如果该 Fiber 节点的 Hooks 链表还不存在，就创建一个。

  3. 创建 Hook 对象： 创建一个新的 Hook 对象，用来存储这个 useState 的状态信息。这个对象至少包含：

    • memoizedState: 存储当前状态值。
    • queue: 一个队列（通常是链表），用于存储待处理的状态更新。
    • next: 指向下一个 Hook 对象的指针（形成链表）。

  4. 计算初始状态：

    • 如果 initialState 是一个函数（useState(() => computeExpensiveValue())），则调用该函数获取初始值。
    • 否则，直接使用 initialState 的值。
    • 将计算出的初始状态存入 Hook 对象的 memoizedState。

  5. 创建 Dispatcher (Setter 函数)： 创建一个 dispatch 函数（即我们拿到的 setState）。这个函数会闭包 引用当前的 Fiber 节点和这个特定的 Hook 对象（或者它的更新队列 queue）。当调用 dispatch 时，它知道要更新哪个组件的哪个状态。

  6. 添加到 Hooks 链表： 将新创建的 Hook 对象添加到 Fiber 节点的 Hooks 链表的末尾。

  7. 移动内部指针： React 内部有一个指针，指向当前正在处理的 Hook。在处理完这个 useState 后，指针后移，准备处理下一个 Hook 调用。

  8. 返回状态和 Dispatcher： 返回 [initialState, dispatch]。

伪代码模拟 mountState：

typescript 复制代码 
// --- 概念性数据结构 ---

interface FiberNode {
  type: Function | string | null; // 组件类型
  key: string | null;
  // ... 其他 Fiber 属性 (props, child, sibling, return, etc.)

  // 存储 Hooks 状态的地方
  memoizedState: Hook | null; // 指向 Hooks 链表的头节点
  updateQueue: any; // 组件自身的更新队列 (简化，暂不详述)
  // ...
}

interface Hook {
  memoizedState: any; // 当前状态值
  queue: UpdateQueue | null; // 更新队列
  next: Hook | null; // 指向下一个 Hook
  // ... 其他 Hook 相关的内部状态
}

interface Update<S> {
  action: S | ((prevState: S) => S); // 更新操作 (新值或函数)
  next: Update<S> | null; // 指向下一个更新
  // ... 可能还有优先级等信息 (简化)
}

interface UpdateQueue<S> {
  pending: Update<S> | null; // 指向待处理更新链表的指针
  dispatch: ((action: S | ((prevState: S) => S)) => void) | null; // 缓存 dispatcher
  lastRenderedState: S; // 上次渲染时的状态 (用于优化和 bailout)
}

// --- 全局变量 (模拟 React 内部状态) ---
let currentlyRenderingFiber: FiberNode | null = null; // 当前正在渲染的 Fiber
let workInProgressHook: Hook | null = null; // 当前正在处理的 Hook (工作中的链表指针)
let isMountPhase: boolean = true; // 标记是否是首次渲染阶段

// --- 核心函数模拟 ---

/**
 * 首次渲染时处理 useState
 * @param initialState 初始状态或计算初始状态的函数
 */
function mountState<S>(
  initialState: S | (() => S)
): [S, (action: S | ((prevState: S) => S)) => void] {
  console.log('[mountState] 开始处理 useState');

  // 1. 创建新的 Hook 对象
  const hook: Hook = {
    memoizedState: null, // 稍后计算
    queue: null,         // 稍后创建
    next: null,          // 稍后连接
  };

  // 2. 将新 Hook 连接到链表
  if (workInProgressHook === null) {
    // 这是组件的第一个 Hook
    if (!currentlyRenderingFiber) {
      throw new Error("必须在函数组件内部调用 Hook");
    }
    currentlyRenderingFiber.memoizedState = workInProgressHook = hook;
    console.log('[mountState] 初始化 Hooks 链表头节点');
  } else {
    // 连接到上一个 Hook 的后面
    workInProgressHook.next = hook;
    workInProgressHook = hook; // 移动工作指针到新 Hook
    console.log('[mountState] 将新 Hook 添加到链表末尾');
  }

  // 3. 计算初始状态
  let actualInitialState: S;
  if (typeof initialState === 'function') {
    console.log('[mountState] initialState 是函数，执行它获取初始值');
    actualInitialState = (initialState as () => S)();
  } else {
    console.log('[mountState] initialState 是值，直接使用');
    actualInitialState = initialState;
  }
  hook.memoizedState = actualInitialState;
  console.log('[mountState] 计算得到的初始状态:', actualInitialState);

  // 4. 创建更新队列和 Dispatcher
  const queue: UpdateQueue<S> = {
    pending: null,
    dispatch: null, // dispatch 函数会引用这个 queue
    lastRenderedState: actualInitialState, // 记录本次渲染状态
  };
  hook.queue = queue;

  // 创建 dispatcher 函数，闭包了 queue 和 fiber
  const dispatch = dispatchAction.bind(null, currentlyRenderingFiber!, queue);
  queue.dispatch = dispatch; // 将 dispatch 存回 queue (有时用于内部优化)
  console.log('[mountState] 创建了更新队列和 dispatcher 函数');

  // 5. 返回初始状态和 dispatcher
  console.log('[mountState] 完成处理，返回状态和 dispatcher');
  return [hook.memoizedState, dispatch];
}

/**
 * Dispatcher 函数的实际执行逻辑 (简化版)
 * @param fiber 触发更新的组件 Fiber
 * @param queue 对应 Hook 的更新队列
 * @param action 用户传入的更新操作 (新值或函数)
 */
function dispatchAction<S>(
  fiber: FiberNode,
  queue: UpdateQueue<S>,
  action: S | ((prevState: S) => S)
) {
  console.log(`[dispatchAction] 收到 action:`, action, '对于 Fiber:', fiber.type?.name);

  // 1. 创建一个更新对象
  const update: Update<S> = {
    action,
    next: null,
  };

  // 2. 将更新对象入队 (通常是环状链表，这里简化为普通链表)
  const pendingQueue = queue.pending;
  if (pendingQueue === null) {
    // 队列为空，update 成为唯一的 pending update
    update.next = update; // 指向自身形成环 (简化理解：只有一个)
    console.log('[dispatchAction] 更新队列为空，将新 update 入队');
  } else {
    // 将新 update 加入链表末尾 (简化处理)
    let lastUpdate = pendingQueue;
    while(lastUpdate.next !== null && lastUpdate.next !== pendingQueue) { // 找到尾部 (简化，实际环状链表不同)
        lastUpdate = lastUpdate.next;
    }
    update.next = pendingQueue; // 新 update 指向头
    lastUpdate.next = update; // 旧尾部指向新 update
    console.log('[dispatchAction] 将新 update 添加到现有队列末尾');
  }
  queue.pending = update; // 更新队列的 pending 指针 (简化)

  // 3. 触发调度：告诉 React 这个组件需要重新渲染
  console.log(`[dispatchAction] 准备为组件 ${fiber.type?.name} 安排更新...`);
  scheduleUpdateOnFiber(fiber); // 这是 React 调度系统的入口 (极其简化)
}

// 调度器模拟 (极其简化)
function scheduleUpdateOnFiber(fiber: FiberNode) {
  console.log(`[Scheduler] 收到 ${fiber.type?.name} 的更新请求，加入待办队列`);
  // 实际调度器会考虑优先级、并发、时间分片等
  // 这里简化为立即或稍后执行渲染工作
  requestIdleCallback(() => { // 使用 requestIdleCallback 模拟异步调度
      console.log(`[Scheduler] 开始处理 ${fiber.type?.name} 的渲染工作`);
      performUnitOfWork(fiber); // 开始渲染/更新流程
  });
}

// 渲染工作单元模拟 (极其简化)
function performUnitOfWork(fiber: FiberNode) {
    console.log(`[Render] 开始渲染/更新组件 ${fiber.type?.name}`);
    isMountPhase = false; // 进入更新阶段
    currentlyRenderingFiber = fiber; // 设置当前渲染的 Fiber
    workInProgressHook = fiber.memoizedState; // 重置 Hook 指针到链表头

    // 调用组件函数，触发 Hooks 执行 (updateState)
    const Component = fiber.type as Function;
    const newChildren = Component(fiber.props); // 执行组件函数

    console.log(`[Render] 组件 ${fiber.type?.name} 渲染完成`);
    currentlyRenderingFiber = null; // 清理当前 Fiber
    workInProgressHook = null; // 清理当前 Hook 指针

    // ... 后续还有 commit 阶段，将变更应用到 DOM (省略)
}

场景二：更新渲染 (Update)

当 setCount(count + 1) 被调用后，React 调度了一次更新。当组件函数再次执行时，useState 会被再次调用：

  1. 获取当前 Fiber 和 Hook： React 找到当前 Fiber 节点，并根据调用顺序 找到 Hooks 链表中对应的那个 Hook 对象。React 内部的 Hook 指针会随着每次 Hook 调用向后移动。

  2. 处理更新队列： 在返回状态之前，React 会检查这个 Hook 对象的 queue.pending 中是否有待处理的更新。

    • 它会遍历更新队列中的所有 Update 对象。

    • 基于 Hook 对象中存储的 memoizedState（上一次渲染的状态），依次应用每个 Update 的 action：

      • 如果 action 是函数（setCount(prev => prev + 1)），则调用该函数，传入当前计算的状态，得到新状态。
      • 如果 action 是值（setCount(10)），则直接使用该值作为新状态。

    • 计算出最终的新状态。

  3. 更新 Hook 状态： 将计算出的最终新状态存储回 Hook 对象的 memoizedState。

  4. 优化：Bailout： 如果计算出的新状态与上一次渲染的状态（queue.lastRenderedState 或 hook.memoizedState）相同，并且没有其他强制更新的理由，React 可能会跳过这次渲染（bailout）以进行优化。

  5. 移动内部指针： Hook 指针后移，准备处理下一个 Hook。

  6. 返回新状态和 Dispatcher： 返回 [newState, dispatch]。注意 dispatch 函数通常是同一个（引用稳定），不需要重新创建。

伪代码模拟 updateState：

javascript 复制代码 
/**
 * 更新渲染时处理 useState
 */
function updateState<S>(): [S, (action: S | ((prevState: S) => S)) => void] {
  console.log('[updateState] 开始处理 useState');

  if (!currentlyRenderingFiber || !workInProgressHook) {
      throw new Error("必须在函数组件内部调用 Hook，且 Hook 链表已初始化");
  }

  // 1. 获取当前 Hook 对象 (工作指针已指向当前 Hook)
  const hook = workInProgressHook;
  console.log('[updateState] 获取到当前 Hook:', hook);

  // 2. 获取更新队列
  const queue = hook.queue;
  if (!queue) {
      // 理论上在 mount 时应该已经创建好了
      throw new Error("Hook 队列未初始化");
  }

  // 3. 处理待处理的更新 (processUpdateQueue)
  const pendingQueue = queue.pending;
  let newState = hook.memoizedState; // 从上一次的状态开始计算

  if (pendingQueue !== null) {
      console.log('[updateState] 发现待处理的更新队列，开始处理...');
      // 清空 pending 队列，准备处理
      queue.pending = null;

      const firstUpdate = pendingQueue.next; // 拿到第一个 update (环状链表简化处理)
      let currentUpdate = firstUpdate;

      if (currentUpdate) { // 确保队列非空
          do {
              const action = currentUpdate.action;
              console.log('[updateState] 处理 action:', action);
              if (typeof action === 'function') {
                  // 函数式更新
                  try {
                      newState = (action as (prevState: S) => S)(newState);
                      console.log('[updateState]   函数式更新后状态:', newState);
                  } catch (error) {
                      // 处理更新函数抛出的错误
                      console.error("[updateState] 更新函数执行出错:", error);
                      // 可能需要在这里处理错误状态或重置
                  }
              } else {
                  // 普通值更新
                  newState = action;
                  console.log('[updateState]   值更新后状态:', newState);
              }
              currentUpdate = currentUpdate.next;
          } while (currentUpdate && currentUpdate !== firstUpdate); // 遍历整个环 (简化)
      }
      console.log('[updateState] 更新队列处理完毕，最终状态:', newState);
  } else {
      console.log('[updateState] 没有待处理的更新');
  }

  // 4. 更新 Hook 的状态
  hook.memoizedState = newState;
  // 可以在这里比较 newState 和 queue.lastRenderedState 进行 bailout 判断 (简化，省略)
  queue.lastRenderedState = newState; // 更新上次渲染状态记录

  // 5. 移动工作指针到下一个 Hook
  workInProgressHook = hook.next;
  console.log('[updateState] 移动工作指针到下一个 Hook (如果存在)');

  // 6. 返回新状态和 dispatcher
  console.log('[updateState] 完成处理，返回新状态和 dispatcher');
  return [newState, queue.dispatch!]; // dispatch 是稳定的
}

// --- React 调度和渲染入口 (模拟) ---

// 假设有一个顶层函数负责根据阶段调用 mount 或 update
function resolveDispatcher() {
    // React 根据当前渲染阶段（mount/update）返回不同的 Hooks 实现
    if (isMountPhase) {
        return mountState;
    } else {
        return updateState;
    }
}

// 在你的组件代码中，React 会注入正确的 dispatcher
// const useState = resolveDispatcher();

// --- 模拟组件执行 ---
function MyComponent({ initialCount = 0 }) {
    console.log(`--- MyComponent Render Start (isMount=${isMountPhase}) ---`);
    // React 内部会调用 resolveDispatcher 来获取正确的 useState 实现
    const useStateHook = resolveDispatcher();

    const [count, setCount] = useStateHook<number>(initialCount);
    console.log(`MyComponent: count is ${count}`);

    const [text, setText] = useStateHook<string>('hello'); // 第二个 useState 调用
    console.log(`MyComponent: text is ${text}`);

    // 模拟事件处理器
    const handleClick = () => {
        console.log('--- Button Clicked ---');
        setCount(prevCount => prevCount + 1); // 使用函数式更新
        setCount(prevCount => prevCount + 1); // 再次调用，会被批处理
        setText(prevText => prevText + '!');
    };

    console.log(`--- MyComponent Render End ---`);

    // 模拟返回的 JSX (简化)
    return {
        type: 'div',
        children: [
            { type: 'p', children: [`Count: ${count}`] },
            { type: 'p', children: [`Text: ${text}`] },
            { type: 'button', onClick: handleClick, children: ['Increment Count x2 & Append !'] }
        ]
    };
}

// --- 模拟首次渲染 ---
console.log("====== 首次渲染 ======");
isMountPhase = true;
const fiber: FiberNode = { type: MyComponent, key: null, memoizedState: null, updateQueue: null, props: { initialCount: 5 } };
currentlyRenderingFiber = fiber;
workInProgressHook = null;

const initialRenderOutput = MyComponent({ initialCount: 5 });
console.log("Initial Render Output (Conceptual):", JSON.stringify(initialRenderOutput, null, 2));

// 获取首次渲染后的状态和 dispatcher
const firstHook = fiber.memoizedState!;
const secondHook = firstHook.next!;
const initialCountState = firstHook.memoizedState; // 5
const initialTextState = secondHook.memoizedState; // 'hello'
const countSetter = firstHook.queue!.dispatch!;
const textSetter = secondHook.queue!.dispatch!;

console.log("Initial Count State:", initialCountState);
console.log("Initial Text State:", initialTextState);

// --- 模拟用户点击 ---
console.log("\n====== 模拟用户点击 ======");
// 找到按钮的 onClick 并调用它 (简化)
const buttonOnClick = initialRenderOutput.children.find(c => c.type === 'button')?.onClick;
if (buttonOnClick) {
    buttonOnClick(); // 这会调用 dispatchAction 三次，并触发 scheduleUpdateOnFiber
}

// --- 等待异步调度执行渲染 (由 requestIdleCallback 触发) ---
// (控制台会显示 dispatchAction 和 Scheduler 的日志)
// (最终会调用 performUnitOfWork -> MyComponent 再次执行 -> updateState 被调用)

// 你会在控制台看到类似以下的更新流程日志：
// [dispatchAction] ... count prev => prev + 1
// [dispatchAction] ... count prev => prev + 1
// [dispatchAction] ... text prev => prev + '!'
// [dispatchAction] 准备为组件 MyComponent 安排更新... (三次)
// [Scheduler] 收到 MyComponent 的更新请求... (可能合并)
// [Scheduler] 开始处理 MyComponent 的渲染工作
// [Render] 开始渲染/更新组件 MyComponent
// --- MyComponent Render Start (isMount=false) ---
// [updateState] 开始处理 useState (for count)
// [updateState] 获取到当前 Hook: { memoizedState: 5, queue: {...}, next: ... }
// [updateState] 发现待处理的更新队列，开始处理...
// [updateState] 处理 action: prev => prev + 1
// [updateState]   函数式更新后状态: 6
// [updateState] 处理 action: prev => prev + 1
// [updateState]   函数式更新后状态: 7
// [updateState] 更新队列处理完毕，最终状态: 7
// [updateState] 移动工作指针到下一个 Hook...
// [updateState] 完成处理，返回新状态和 dispatcher
// MyComponent: count is 7
// [updateState] 开始处理 useState (for text)
// [updateState] 获取到当前 Hook: { memoizedState: 'hello', queue: {...}, next: null }
// [updateState] 发现待处理的更新队列，开始处理...
// [updateState] 处理 action: prev => prev + '!'
// [updateState]   函数式更新后状态: hello!
// [updateState] 更新队列处理完毕，最终状态: hello!
// [updateState] 移动工作指针到下一个 Hook (null)
// [updateState] 完成处理，返回新状态和 dispatcher
// MyComponent: text is hello!
// --- MyComponent Render End ---
// [Render] 组件 MyComponent 渲染完成

批处理 (Batching)

注意在 handleClick 中，我们连续调用了 setCount 两次和 setText 一次。在现代 React (React 18+) 中，默认启用了自动批处理。这意味着即使这些调用来自事件处理器，React 也会将它们收集起来，只在事件处理结束后进行一次重新渲染。

在我们的伪代码 dispatchAction 中，虽然每次调用都触发了 scheduleUpdateOnFiber，但实际的 React 调度器足够智能，会将来自同一事件循环（或同一批次）的多个更新请求合并，只执行一次 performUnitOfWork。在这次更新渲染中，updateState 会处理掉 count 队列里的两个更新和 text 队列里的一个更新，最终计算出 count 为 7，text 为 'hello!'。

总结

useState 的核心原理可以概括为：

  1. 状态存储在 Fiber 节点上： 每个组件实例对应一个 Fiber 节点，Hooks 的状态存储在这个节点内部。
  2. Hooks 链表： Fiber 节点内部维护一个有序的 Hooks 链表。
  3. 依赖调用顺序： React 通过 Hooks 的调用顺序来查找和更新对应的状态。首次渲染创建 Hook 节点，更新渲染时按顺序访问这些节点。
  4. Dispatcher 闭包： useState 返回的 setState 函数（Dispatcher）是一个闭包，它"知道"要更新哪个 Fiber 节点的哪个 Hook 的状态队列。
  5. 更新队列： Dispatcher 将更新操作（值或函数）添加到对应 Hook 的更新队列中。
  6. 调度更新： Dispatcher 触发 React 的调度器，安排一次组件的重新渲染。
  7. 渲染时处理队列： 在下一次组件渲染执行 useState 时，React 会处理该 Hook 的更新队列，计算出最终状态，并更新 Hook 对象。
  8. 批处理： React 通常会将短时间内的多个状态更新合并为一次重新渲染，以提高性能。
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