性能优化(一):时间分片(Time Slicing):让你的应用在高负载下“永不卡顿”的秘密

性能优化(一):时间分片(Time Slicing):让你的应用在高负载下"永不卡顿"的秘密

引子:那张让你浏览器崩溃的"无限列表"

想象一个场景:你需要渲染一个包含一万个项目的列表。在我们的"看不见"的应用中,这可能是一个包含一万个节点的Virtual DOM树。

我们目前在第三章实现的render函数会怎么做?它会陷入一个巨大的、同步的递归调用中:

  1. createDom('ul')
  2. 循环一万次 createDom('li')
  3. 在循环中,再调用 createDom('TEXT_ELEMENT')
  4. 将一万个<li>节点逐一appendChild<ul>
  5. 最后,将这个巨大的<ul> appendChild到容器中。

这个过程可能需要几百毫秒,甚至几秒钟。在这段时间里,你的JavaScript代码将完全霸占浏览器的主线程

主线程是浏览器中一个极其繁忙的"单身汉",它不仅要执行JavaScript,还要负责很多其他重要工作:

  • UI渲染:解析HTML/CSS,计算布局(重排),绘制像素(重绘)。
  • 用户交互:响应用户的点击、滚动、输入等事件。
  • 处理网络请求响应定时器等等。

当你的JS代码长时间霸占主线程时,这位"单身汉"就没空去做其他任何事了。结果就是:

  • 页面完全冻结,CSS动画停止。
  • 用户点击按钮、滚动页面,毫无反应。
  • 浏览器甚至可能会弹出一个"页面未响应"的警告框。

这就是主线程阻塞(Main Thread Blocking),它是导致Web应用性能差、体验卡顿的罪魁祸首。

那么,问题来了:我们能否像一个体贴的同事一样,不一次性把工作全做完,而是把一个大任务,分割成许多微小的小任务?每完成一小部分工作,我们就主动"让出"主线程,给浏览器一个"喘息"的机会去处理UI渲染和用户交互。当浏览器忙完了,再通知我们继续处理下一个小任务。

这种"你好我好大家好"的协作式调度思想,就是时间分片(Time Slicing)。而这,也正是React Fiber架构能够让复杂应用保持流畅的"秘密武器"。


第一幕:浏览器的"空闲时间" - requestIdleCallback

要实现时间分片,我们需要一个机制来告诉我们:"嘿,浏览器现在有空,你可以来做点不那么紧急的工作了。"

幸运的是,浏览器提供了一个标准API来做这件事:requestIdleCallback

它的用法很简单:

javascript 复制代码
requestIdleCallback(myWorkFunction);

你传递给它一个回调函数(myWorkFunction),浏览器会在当前帧的渲染工作完成后,如果还有剩余时间,就去执行这个回调。

更强大的是,这个回调函数会接收一个deadline对象作为参数。

javascript 复制代码
function myWorkFunction(deadline) {
  // 只要还有剩余时间,并且我还有工作要做...
  while (deadline.timeRemaining() > 0 && tasks.length > 0) {
    doNextTask();
  }
  
  // 如果时间用完了,但工作还没做完,就再预约下一次空闲时间
  if (tasks.length > 0) {
    requestIdleCallback(myWorkFunction);
  }
}

deadline.timeRemaining()方法返回一个数字,表示当前帧还剩下多少毫秒的空闲时间。这让我们能够精确地控制每个工作片段的执行时长,确保不会超时而再次阻塞主线程。

如果浏览器不支持requestIdleCallback怎么办?

我们可以用setTimeout(callback, 0)来进行优雅降级。setTimeout(..., 0)并不会真的立即执行,而是将回调函数放入宏任务队列的末尾,相当于主动让出一次主线程,等所有微任务和UI渲染结束后再执行。虽然它无法告诉我们"还剩多少时间",但它依然实现了"让出控制权"的核心目的。


第二幕:改造渲染引擎 - 从"递归"到"循环"

我们当前的render函数是递归的。递归调用一旦开始,就必须执行到栈空为止,无法中途暂停。要实现可中断的渲染,我们必须将递归算法,改造成一个循环(while loop)算法

这正是React从旧版的Stack Reconciler到新版的Fiber Reconciler所做的最核心的改变。

我们将引入一个类似Fiber 的数据结构。一个Fiber节点,不仅包含了VNode的信息,还通过parent, child, sibling指针,将整棵树变成了一个可以迭代遍历的链表

fiber.ts

typescript 复制代码
// 文件: /src/v13/types/fiber.ts
import { VNode, Props } from '../v9/types/vdom'; // 假设之前的类型定义在v9

export interface Fiber {
  // VNode的信息
  type: VNode['type'];
  props: Props;
  
  // 对应的真实DOM节点
  dom: Node | null;

  // Fiber间的关系指针
  parent?: Fiber;
  child?: Fiber;
  sibling?: Fiber;
  
  // 其他信息,比如用于Diff算法
  alternate?: Fiber; // 指向旧的Fiber节点
  effectTag?: 'UPDATE' | 'PLACEMENT' | 'DELETION'; // 标记这个节点需要做什么DOM操作
}

现在,我们的渲染过程将被拆分为两个阶段:

  1. 渲染阶段(Render Phase) : 这个阶段是异步的、可中断的。我们在这个阶段构建Fiber树,并找出所有需要进行的DOM更新(通过Diff算法)。这个过程不会有任何实际的DOM操作。
  2. 提交阶段(Commit Phase) : 这个阶段是同步的、不可中断的。一旦开始,它会一次性地将所有计算好的更新,应用到真实DOM上,确保UI的一致性。

实现一个"工作循环"调度器

我们将创建一个调度器,它维护一个任务队列,并使用requestIdleCallback来驱动一个workLoop

scheduler.ts

typescript 复制代码
// 文件: /src/v13/scheduler.ts
import { Fiber } from './types/fiber';
import { VNode } from '../v9/types/vdom';

let nextUnitOfWork: Fiber | null = null; // 下一个要处理的工作单元
let workInProgressRoot: Fiber | null = null; // 当前正在构建的Fiber树的根
let commitQueue: Fiber[] = []; // 需要提交的DOM操作队列

// 假的DOM操作和reconcile函数,仅为演示
function createDomForFiber(fiber: Fiber): Node {
    const dom = fiber.type === "TEXT_ELEMENT"
        ? document.createTextNode("")
        : document.createElement(fiber.type as string);
    // ... apply props
    return dom;
}
function reconcileChildren(wipFiber: Fiber, elements: VNode[]) {
    // 简化逻辑:为每个child创建一个Fiber
    let index = 0;
    let prevSibling: Fiber | null = null;
    while (index < elements.length) {
        const element = elements[index];
        const newFiber: Fiber = {
            type: element.type,
            props: element.props,
            dom: null,
            parent: wipFiber,
            effectTag: 'PLACEMENT',
        };
        if (index === 0) {
            wipFiber.child = newFiber;
        } else if (prevSibling) {
            prevSibling.sibling = newFiber;
        }
        prevSibling = newFiber;
        index++;
    }
}


// 初始化渲染或更新
export function scheduleUpdate(rootFiber: Fiber) {
  workInProgressRoot = rootFiber;
  nextUnitOfWork = rootFiber;
  requestIdleCallback(workLoop);
}

function workLoop(deadline: IdleDeadline) {
  let shouldYield = false;
  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1; // 留一点缓冲时间
  }

  // 如果工作全部完成,就进入提交阶段
  if (!nextUnitOfWork && workInProgressRoot) {
    commitRoot();
  }

  // 如果时间用完了但工作还没完,继续预约
  if (nextUnitOfWork) {
    requestIdleCallback(workLoop);
  }
}

function performUnitOfWork(fiber: Fiber): Fiber | null {
  // 1. "渲染"当前Fiber:
  //    - 创建DOM节点(但先不挂载)
  //    - 根据children创建子Fiber
  if (!fiber.dom) {
    fiber.dom = createDomForFiber(fiber);
  }
  reconcileChildren(fiber, fiber.props.children || []);

  // 如果有effectTag,加入提交队列
  if (fiber.effectTag) {
      commitQueue.push(fiber);
  }
  
  // 2. 返回下一个工作单元:
  //    - 优先返回子节点
  if (fiber.child) {
    return fiber.child;
  }
  //    - 如果没有子节点,返回兄弟节点
  let nextFiber = fiber;
  while (nextFiber) {
    if (nextFiber.sibling) {
      return nextFiber.sibling;
    }
    //    - 如果都没有,返回"叔叔"节点(父节点的兄弟节点)
    nextFiber = nextFiber.parent!;
  }
  
  return null; // 全部完成
}

function commitRoot() {
    // 这是一个同步过程
    commitQueue.forEach(fiber => {
        let parentFiber = fiber.parent;
        while (!parentFiber?.dom) {
            parentFiber = parentFiber?.parent;
        }
        const parentDom = parentFiber.dom;
        if (fiber.effectTag === 'PLACEMENT' && fiber.dom != null) {
            parentDom.appendChild(fiber.dom);
        }
        // ... handle UPDATE and DELETION
    });
    // 清空
    commitQueue = [];
    workInProgressRoot = null;
}

整合到主流程

现在,我们有了一个全新的、异步的render函数。

main.ts

typescript 复制代码
// 文件: /src/v13/main.ts
import { createElement } from '../v9/createElement';
import { VNode } from '../v9/types/vdom';
import { scheduleUpdate } from './scheduler';
import { Fiber } from './types/fiber';

function render(element: VNode, container: HTMLElement) {
  const rootFiber: Fiber = {
    type: container.tagName.toLowerCase(),
    dom: container,

    props: {
      children: [element],
    },
    parent: undefined,
    child: undefined,
    sibling: undefined,
    alternate: undefined, // 初始渲染没有旧Fiber
  };

  scheduleUpdate(rootFiber);
}


// --- 演示 ---
const container = document.getElementById('root');

// 创建一个非常大的VNode树
const listItems = Array.from({ length: 10000 }, (_, i) => 
    createElement('li', null, `Item ${i + 1}`)
);
const hugeList = createElement('ul', null, ...listItems);

console.log("Starting asynchronous render...");
if (container) {
    render(hugeList, container);
}

console.log("Render scheduled. Main thread is NOT blocked.");
console.log("You can click buttons or do other things now.");

// 在浏览器的DevTools Performance面板,你会看到许多个小的"Task",
// 而不是一个长长的、红色的"Long Task"。

这个新的渲染流程,与我们之前的同步递归模型,有着天壤之别:

  1. 可中断workLoop在每次循环后都会检查剩余时间。如果时间不足,它会保存当前进度(nextUnitOfWork),并让出主线程。
  2. 可恢复 :浏览器在下一次空闲时,会从上次中断的地方(nextUnitOfWork)无缝地继续执行。
  3. 优先级:虽然我们没有实现,但这个架构允许我们为不同更新设置不同优先级(比如,用户输入的响应应该比数据拉取的渲染优先级更高)。React就是这么做的。

我们通过将递归转为循环,并引入Fiber链表和requestIdleCallback调度器,成功地将一个可能耗时几秒的宏任务 ,拆解成了几百个耗时几毫秒的微任务。在这几毫秒的间隙中,浏览器可以自由地呼吸,响应用户,从而创造出"永不卡顿"的流畅体验。

结论:从"独裁者"到"协作者"

时间分片的核心思想,是我们的JavaScript代码从一个"独裁的统治者",转变为一个"友好的协作者"。我们不再试图一次性霸占主线程,直到所有工作完成,而是学会了观察和等待,在浏览器不忙的时候,见缝插针地完成我们的工作。

这种转变,是现代高性能前端框架的基石。它使得在处理复杂UI、大量数据、绚丽动画时,依然能保证丝滑的用户体验成为可能。

核心要点:

  1. 长时间运行的JavaScript任务会阻塞主线程,导致页面冻结、无法响应用户交互。
  2. 时间分片通过将大任务分割成小块,并在浏览器的空闲时间内执行,来解决主线程阻塞问题。
  3. requestIdleCallback是实现时间分片的原生API,它允许我们在浏览器空闲时执行低优先级任务。
  4. 为了实现可中断和可恢复的渲染,必须将传统的同步递归 算法,重构为基于循环和链表(如Fiber)的异步迭代算法。
  5. 异步渲染流程被分为两个阶段:可中断的渲染阶段(Render Phase)和不可中断的提交阶段(Commit Phase),以保证UI更新的原子性和一致性。

我们已经掌握了如何让应用在计算密集时保持流畅。但在实际应用中,性能的另一个杀手------内存 ------同样不容小觑。在下一章 《性能优化(二):JS内存泄漏"探案":从闭包到事件监听的隐形杀手》 中,我们将化身"侦探",学习如何使用Chrome DevTools等工具,去发现并修复那些隐藏在代码中的、悄悄吞噬用户内存的"内存泄漏"问题。敬请期待!

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