React Fiber 双缓冲树机制深度解析

前言

React Fiber 架构的核心创新之一是双缓冲树（Double Buffering Tree）机制，这种设计不仅提升了 React 应用的性能，还实现了可中断的渲染和平滑的用户体验。本文将深入分析 React Fiber 的双缓冲树机制，详细介绍首次挂载和更新过程中的处理流程。

一、Fiber 的起源与设计理念

1.1 为什么需要 Fiber？

在 React 16 之前，React 使用的是基于递归的 Stack Reconciler，存在以下问题：

• 不可中断性：一旦开始渲染，必须完成整个组件树的遍历
• 阻塞主线程：长时间的同步渲染会阻塞用户交互
• 缺乏优先级：无法区分不同更新的重要程度

1.2 Fiber 的设计目标

React Fiber 重新设计了协调算法，实现了以下核心能力：

1. 可中断渲染：将渲染工作分解为可中断的小单元
2. 优先级调度：根据更新的重要性分配不同的优先级
3. 增量渲染：支持将渲染工作分散到多个帧中完成
4. 并发特性：为未来的并发模式奠定基础

二、双缓冲树架构详解

2.1 什么是双缓冲？

双缓冲（Double Buffering）是一种常见的图形渲染技术，通过维护两个缓冲区来避免画面撕裂和闪烁：

• 前台缓冲区：当前显示给用户的内容
• 后台缓冲区：正在准备的下一帧内容

当后台缓冲区准备完成后，两个缓冲区角色互换，实现平滑的画面更新。图形编辑器中经常用一个未挂载的canvas来替换挂载的canvas

2.2 React Fiber 中的双缓冲树

React Fiber 将双缓冲概念应用到虚拟 DOM 树的管理中：

// Fiber 节点结构
function FiberNode() {
  // 节点类型信息
  this.tag = null;
  this.type = null;
  this.key = null;
  
  // 树结构关系
  this.child = null;
  this.sibling = null;
  this.return = null;
  
  // 双缓冲核心：alternate 指针
  this.alternate = null;
  
  // 节点状态
  this.memoizedProps = null;
  this.memoizedState = null;
  this.pendingProps = null;
  
  // 副作用标记
  this.flags = NoFlags;
  this.subtreeFlags = NoFlags;
}

2.3 current 树 vs workInProgress 树

React 维护两棵 Fiber 树：

// FiberRoot 中的双树引用
function FiberRootNode() {
  // current 树：当前屏幕显示内容对应的 Fiber 树
  this.current = null;
  
  // 正在构建的 workInProgress 树的根节点
  this.finishedWork = null;
}

// 双树节点通过 alternate 相互引用
currentFiber.alternate === workInProgressFiber;
workInProgressFiber.alternate === currentFiber;

两棵树的作用：

• current 树：表示当前已经渲染到页面的 UI 结构
• workInProgress 树：表示正在内存中构建的新的 UI 结构

2.4 双缓冲的工作原理

// 创建 workInProgress 节点
function createWorkInProgress(current, pendingProps) {
  let workInProgress = current.alternate;
  
  if (workInProgress === null) {
    // 首次渲染：创建新的 workInProgress 节点
    workInProgress = createFiber(current.tag, pendingProps, current.key, current.mode);
    workInProgress.elementType = current.elementType;
    workInProgress.type = current.type;
    workInProgress.stateNode = current.stateNode;
    
    // 建立双向引用
    workInProgress.alternate = current;
    current.alternate = workInProgress;
  } else {
    // 更新时复用已有节点
    workInProgress.pendingProps = pendingProps;
    workInProgress.type = current.type;
    
    // 清除副作用标记
    workInProgress.flags = NoFlags;
    workInProgress.subtreeFlags = NoFlags;
  }
  
  // 复制状态信息
  workInProgress.child = current.child;
  workInProgress.memoizedProps = current.memoizedProps;
  workInProgress.memoizedState = current.memoizedState;
  workInProgress.updateQueue = current.updateQueue;
  
  return workInProgress;
}

三、首次挂载流程详解

3.1 应用初始化

// 创建 FiberRoot 和 rootFiber
function createFiberRoot(containerInfo, tag) {
  const root = new FiberRootNode(containerInfo, tag);
  
  // 创建 rootFiber（HostRoot 类型）
  const uninitializedFiber = createHostRootFiber(tag);
  root.current = uninitializedFiber;
  uninitializedFiber.stateNode = root;
  
  // 初始化 updateQueue
  initializeUpdateQueue(uninitializedFiber);
  
  return root;
}

// 应用挂载入口
root.render(<App />, document.getElementById('root'));

3.2 首次挂载的双缓冲过程

阶段一：render 阶段

function renderRootSync(root, lanes) {
  // 准备 workInProgress 树
  prepareFreshStack(root, lanes);
  
  // 从 rootFiber 开始构建 workInProgress 树
  do {
    try {
      workLoopSync();
      break;
    } catch (thrownValue) {
      handleError(root, thrownValue);
    }
  } while (true);
}

function prepareFreshStack(root, lanes) {
  // 创建 workInProgress rootFiber
  workInProgress = createWorkInProgress(root.current, null);
  workInProgressRoot = root;
  workInProgressRootRenderLanes = lanes;
}

首次挂载时的树结构变化：

初始状态：
FiberRoot
    |
  current ──→ rootFiber (HostRoot)
                 |
              alternate: null

构建 workInProgress 树后：
FiberRoot
    |
  current ──→ rootFiber (HostRoot) ←──── alternate ────→ workInProgress rootFiber
                 |                                           |
              child: null                                child: App Fiber
                                                             |
                                                        child: div Fiber
                                                             |
                                                        child: "Hello World"

阶段二：深度优先遍历构建

function performUnitOfWork(unitOfWork) {
  const current = unitOfWork.alternate;
  
  // beginWork：向下遍历，创建子节点
  let next = beginWork(current, unitOfWork, renderLanes);
  
  if (next === null) {
    // completeUnitOfWork：向上回溯，完成节点
    completeUnitOfWork(unitOfWork);
  } else {
    workInProgress = next;
  }
}

// 首次挂载时，current 为 null
function beginWork(current, workInProgress, renderLanes) {
  if (current !== null) {
    // 更新逻辑
    const oldProps = current.memoizedProps;
    const newProps = workInProgress.pendingProps;
    
    if (oldProps !== newProps || hasLegacyContextChanged()) {
      didReceiveUpdate = true;
    } else {
      // 性能优化：bailout
      return bailoutOnAlreadyFinishedWork(current, workInProgress, renderLanes);
    }
  } else {
    // 首次挂载逻辑
    didReceiveUpdate = false;
  }
  
  // 根据节点类型处理
  switch (workInProgress.tag) {
    case FunctionComponent:
      return updateFunctionComponent(current, workInProgress, Component, resolvedProps, renderLanes);
    case ClassComponent:
      return updateClassComponent(current, workInProgress, Component, resolvedProps, renderLanes);
    case HostComponent:
      return updateHostComponent(current, workInProgress, renderLanes);
    // ...
  }
}

阶段三：commit 阶段

function commitRoot(root) {
  const finishedWork = root.finishedWork;
  const lanes = root.finishedLanes;
  
  // 清除完成的工作
  root.finishedWork = null;
  root.finishedLanes = NoLanes;
  
  // 执行 DOM 操作
  commitMutationEffects(root, finishedWork, lanes);
  
  // 切换 current 指针：关键的双缓冲切换
  root.current = finishedWork;
  
  // 执行 layout 阶段
  commitLayoutEffects(finishedWork, root, lanes);
}

首次挂载完成后的树结构：

FiberRoot
    |
  current ──→ workInProgress rootFiber (现在成为 current 树)
                 |
              child: App Fiber
                 |
            child: div Fiber ──→ stateNode: <div>
                 |
            child: text Fiber ──→ stateNode: "Hello World"

旧的 rootFiber 通过 alternate 保持引用关系

3.3 首次挂载的关键特点

1. current 树初始为空：只有一个 rootFiber 节点
2. workInProgress 树从零构建：所有子节点都是新创建的
3. DOM 节点首次创建 ：调用 createElement 创建真实 DOM
4. 双树建立联系：通过 alternate 属性相互引用

四、更新流程详解

4.1 触发更新

// 函数组件中的状态更新
function App() {
  const [count, setCount] = useState(0);
  
  const handleClick = () => {
    setCount(count + 1); // 触发更新
  };
  
  return <div onClick={handleClick}>{count}</div>;
}

4.2 更新时的双缓冲过程

阶段一：调度更新

function dispatchAction(fiber, queue, action) {
  // 创建 update 对象
  const update = {
    lane,
    action,
    eagerReducer: null,
    eagerState: null,
    next: null,
  };
  
  // 将 update 加入 updateQueue
  enqueueUpdate(fiber, update);
  
  // 调度更新
  scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime);
}

function scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime) {
  // 标记更新 lanes
  markRootUpdated(root, lane, eventTime);
  
  if (lane === SyncLane) {
    // 同步更新
    performSyncWorkOnRoot(root);
  } else {
    // 并发更新
    ensureRootIsScheduled(root, eventTime);
  }
}

阶段二：复用与重建

function beginWork(current, workInProgress, renderLanes) {
  if (current !== null) {
    const oldProps = current.memoizedProps;
    const newProps = workInProgress.pendingProps;
    
    if (oldProps === newProps && !hasLegacyContextChanged()) {
      // props 没有变化，检查是否可以复用
      if (!includesSomeLane(renderLanes, workInProgress.lanes)) {
        // 可以复用，执行 bailout 策略
        return bailoutOnAlreadyFinishedWork(current, workInProgress, renderLanes);
      }
    }
    
    // 需要更新
    didReceiveUpdate = true;
  }
  
  // 清除 lanes，准备重新计算
  workInProgress.lanes = NoLanes;
  
  // 根据组件类型执行更新逻辑
  switch (workInProgress.tag) {
    case FunctionComponent: {
      const Component = workInProgress.type;
      const unresolvedProps = workInProgress.pendingProps;
      return updateFunctionComponent(current, workInProgress, Component, unresolvedProps, renderLanes);
    }
    // ...
  }
}

阶段三：Bailout 优化策略

function bailoutOnAlreadyFinishedWork(current, workInProgress, renderLanes) {
  // 清除当前节点的 lanes
  workInProgress.lanes = NoLanes;
  
  // 检查子节点是否需要更新
  if (!includesSomeLane(renderLanes, workInProgress.childLanes)) {
    // 子树也不需要更新，直接返回 null
    return null;
  } 
  
  // 子树需要更新，克隆子节点
  cloneChildFibers(current, workInProgress);
  return workInProgress.child;
}

function cloneChildFibers(current, workInProgress) {
  if (workInProgress.child === null) {
    return;
  }
  
  let currentChild = workInProgress.child;
  let newChild = createWorkInProgress(currentChild, currentChild.pendingProps);
  workInProgress.child = newChild;
  
  newChild.return = workInProgress;
  while (currentChild.sibling !== null) {
    currentChild = currentChild.sibling;
    newChild = newChild.sibling = createWorkInProgress(currentChild, currentChild.pendingProps);
    newChild.return = workInProgress;
  }
  newChild.sibling = null;
}

4.3 更新的三种情况

情况一：props 和 state 都没变化

// 组件完全复用，返回 null
function MyComponent({ name }) {
  return <div>{name}</div>;
}

// 如果 name props 没有变化，整个组件子树都会被跳过

情况二：props 变化但结构相同

// 复用 Fiber 节点，但更新 props
function MyComponent({ count }) {
  return <div>{count}</div>; // 只更新文本内容
}

情况三：组件结构发生变化

function MyComponent({ showDetails }) {
  return (
    <div>
      {showDetails ? <Details /> : <Summary />}
    </div>
  );
}

// 需要删除旧节点，创建新节点

4.4 更新时的树对比

更新前：
current 树                    workInProgress 树（构建中）
App                           App (复用)
 |                             |
div (count: 0)          -->   div (count: 1) (更新)
 |                             |
text "0"                -->   text "1" (更新)

更新后：
两棵树角色互换，workInProgress 成为新的 current 树

五、双缓冲树的核心优势

5.1 性能优化

1. 节点复用：通过 alternate 引用避免重复创建 Fiber 节点
2. Bailout 策略：跳过没有变化的子树
3. 批量更新：收集多个更新，一次性处理

5.2 用户体验

1. 平滑过渡：双树切换避免中间状态暴露给用户
2. 一致性保证：确保 UI 状态的原子性更新
3. 错误边界：渲染错误不会影响当前显示的 UI

5.3 开发体验

1. 可预测性：清晰的树结构关系
2. 调试友好：可以对比 current 和 workInProgress 树的差异
3. 并发支持：为未来的并发特性提供基础

六、双缓冲树的内存管理

6.1 内存使用策略

// 节点池管理
const fiberPool = [];

function createFiber(tag, pendingProps, key, mode) {
  // 从池中获取节点
  let fiber = fiberPool.pop();
  if (fiber) {
    // 重置节点状态
    resetFiber(fiber, tag, pendingProps, key, mode);
    return fiber;
  }
  
  // 创建新节点
  return new FiberNode(tag, pendingProps, key, mode);
}

function resetFiber(fiber, tag, pendingProps, key, mode) {
  // 重置所有属性
  fiber.tag = tag;
  fiber.key = key;
  fiber.elementType = null;
  fiber.type = null;
  fiber.stateNode = null;
  
  // 清除引用
  fiber.return = null;
  fiber.child = null;
  fiber.sibling = null;
  fiber.index = 0;
  
  // 重置状态
  fiber.pendingProps = pendingProps;
  fiber.memoizedProps = null;
  fiber.updateQueue = null;
  fiber.memoizedState = null;
  
  // 清除副作用
  fiber.flags = NoFlags;
  fiber.subtreeFlags = NoFlags;
  
  // 保持 alternate 引用
  // fiber.alternate 不重置，用于双缓冲
}

6.2 垃圾回收优化

function detachFiber(fiber) {
  // 断开父子关系
  fiber.return = null;
  fiber.child = null;
  fiber.sibling = null;
  
  // 但保留 alternate 引用用于后续复用
  // fiber.alternate 保持不变
  
  // 回收到节点池
  if (fiberPool.length < MAX_POOL_SIZE) {
    fiberPool.push(fiber);
  }
}

七、实际应用中的最佳实践

7.1 优化组件设计

// 避免在 render 中创建新对象
function BadComponent({ items }) {
  return (
    <div>
      {items.map(item => (
        <Item 
          key={item.id}
          data={{ ...item, extra: 'value' }} // 每次都创建新对象
        />
      ))}
    </div>
  );
}

// 优化版本
function GoodComponent({ items }) {
  return (
    <div>
      {items.map(item => (
        <Item 
          key={item.id}
          id={item.id}
          name={item.name}
          extra="value" // 使用基本类型
        />
      ))}
    </div>
  );
}

7.2 合理使用 key

// key 的正确使用影响节点复用
function TodoList({ todos }) {
  return (
    <ul>
      {todos.map(todo => (
        <li key={todo.id}> {/* 使用稳定的 id 作为 key */}
          {todo.text}
        </li>
      ))}
    </ul>
  );
}

7.3 理解更新边界

// 使用 React.memo 创建更新边界
const ExpensiveComponent = React.memo(function ExpensiveComponent({ data }) {
  // 复杂的渲染逻辑
  return <div>{/* 复杂的 JSX */}</div>;
});

// 父组件更新时，如果 data 没有变化，ExpensiveComponent 会被跳过

八、总结

React Fiber 的双缓冲树机制是一个精妙的设计，它：

1. 提升性能：通过节点复用和 bailout 策略减少不必要的工作
2. 保证一致性：确保 UI 更新的原子性，避免中间状态暴露
3. 支持并发：为可中断渲染和优先级调度提供基础
4. 优化体验：实现平滑的用户界面更新

理解双缓冲树的工作原理，有助于我们：

• 编写更高效的 React 组件
• 避免常见的性能陷阱
• 更好地调试和优化应用性能
• 为未来的并发特性做好准备

双缓冲树不仅是 React Fiber 架构的核心，也是现代前端框架设计的典范，展示了如何通过巧妙的数据结构设计来解决复杂的工程问题。

参考资料

• React Fiber Architecture
• React 技术揭秘 - Fiber 架构
• 图解 React 源码系列
• React 官方文档 - Reconciliation