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:
createDom('ul')
- 循环一万次
createDom('li')
- 在循环中,再调用
createDom('TEXT_ELEMENT')
- 将一万个
<li>
节点逐一appendChild
到<ul>
上 - 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
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
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
// 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:
- 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。
- 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
// 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
// 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:
- 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。 - 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。 - 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:
- 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。
- 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。
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。- 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。
- 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!