目前，前端領域中 React 勢頭正盛，使用者眾多卻少有能夠深入剖析內部實現機制和原理。本系列文章希望通過剖析 React 原始碼，理解其內部的實現原理，知其然更要知其所以然。
React diff 作為 Virtual DOM 的加速器，其演算法上的改進優化是 React 整個介面渲染的基礎，以及效能提高的保障，同時也是 React 原始碼中最神祕、最不可思議的部分，本文從原始碼入手，深入剖析 React diff 的不可思議之處。
- 閱讀本文需要對 React 有一定的瞭解，如果你不知何為 React，請詳讀 React 官方文件。
- 如果你對 React diff 存在些許疑惑，或者你對演算法優化感興趣，那麼本文值得閱讀和討論。
前言
React 中最值得稱道的部分莫過於 Virtual DOM 與 diff 的完美結合，特別是其高效的 diff 演算法，讓使用者可以無需顧忌效能問題而”任性自由”的重新整理頁面，讓開發者也可以無需關心 Virtual DOM 背後的運作原理，因為 React diff 會幫助我們計算出 Virtual DOM 中真正變化的部分，並只針對該部分進行實際 DOM 操作，而非重新渲染整個頁面，從而保證了每次操作更新後頁面的高效渲染，因此 Virtual DOM 與 diff 是保證 React 效能口碑的幕後推手。
行文至此，可能會有讀者質疑：React 無非就是引入 diff 這一概念，且 diff 演算法也並非其首創，何必吹噓的如此天花亂墜呢？
其實，正是因為 diff 演算法的普識度高，就更應該認可 React 針對 diff 演算法優化所做的努力與貢獻，更能體現 React 開發者們的魅力與智慧！
傳統 diff 演算法
計算一棵樹形結構轉換成另一棵樹形結構的最少操作，是一個複雜且值得研究的問題。傳統 diff 演算法通過迴圈遞迴對節點進行依次對比，效率低下，演算法複雜度達到 O(n^3)，其中 n 是樹中節點的總數。O(n^3) 到底有多可怕，這意味著如果要展示1000個節點，就要依次執行上十億次的比較。這種指數型的效能消耗對於前端渲染場景來說代價太高了！現今的 CPU 每秒鐘能執行大約30億條指令，即便是最高效的實現，也不可能在一秒內計算出差異情況。
因此，如果 React 只是單純的引入 diff 演算法而沒有任何的優化改進，那麼其效率是遠遠無法滿足前端渲染所要求的效能。
通過下面的 demo 可以清晰的描述傳統 diff 演算法的實現過程。
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let result = []; // 比較葉子節點 const diffLeafs = function(beforeLeaf, afterLeaf) { // 獲取較大節點樹的長度 let count = Math.max(beforeLeaf.children.length, afterLeaf.children.length); // 迴圈遍歷 for (let i = 0; i < count; i++) { const beforeTag = beforeLeaf.children[i]; const afterTag = afterLeaf.children[i]; // 新增 afterTag 節點 if (beforeTag === undefined) { result.push({type: "add", element: afterTag}); // 刪除 beforeTag 節點 } else if (afterTag === undefined) { result.push({type: "remove", element: beforeTag}); // 節點名改變時，刪除 beforeTag 節點，新增 afterTag 節點 } else if (beforeTag.tagName !== afterTag.tagName) { result.push({type: "remove", element: beforeTag}); result.push({type: "add", element: afterTag}); // 節點不變而內容改變時，改變節點 } else if (beforeTag.innerHTML !== afterTag.innerHTML) { if (beforeTag.children.length === 0) { result.push({ type: "changed", beforeElement: beforeTag, afterElement: afterTag, html: afterTag.innerHTML }); } else { // 遞迴比較 diffLeafs(beforeTag, afterTag); } } } return result; } |
因此，如果想要將 diff 思想引入 Virtual DOM，就需要設計一種穩定高效的 diff 演算法，而 React 做到了！
那麼，React diff 到底是如何實現的呢？
詳解 React diff
傳統 diff 演算法的複雜度為 O(n^3)，顯然這是無法滿足效能要求的。React 通過制定大膽的策略，將 O(n^3) 複雜度的問題轉換成 O(n) 複雜度的問題。
diff 策略
- Web UI 中 DOM 節點跨層級的移動操作特別少，可以忽略不計。
- 擁有相同類的兩個元件將會生成相似的樹形結構，擁有不同類的兩個元件將會生成不同的樹形結構。
- 對於同一層級的一組子節點，它們可以通過唯一 id 進行區分。
基於以上三個前提策略，React 分別對 tree diff、component diff 以及 element diff 進行演算法優化，事實也證明這三個前提策略是合理且準確的，它保證了整體介面構建的效能。
- tree diff
- component diff
- element diff
本文中原始碼 ReactMultiChild.js
tree diff
基於策略一，React 對樹的演算法進行了簡潔明瞭的優化，即對樹進行分層比較，兩棵樹只會對同一層次的節點進行比較。
既然 DOM 節點跨層級的移動操作少到可以忽略不計，針對這一現象，React 通過 updateDepth 對 Virtual DOM 樹進行層級控制，只會對相同顏色方框內的 DOM 節點進行比較，即同一個父節點下的所有子節點。當發現節點已經不存在，則該節點及其子節點會被完全刪除掉，不會用於進一步的比較。這樣只需要對樹進行一次遍歷，便能完成整個 DOM 樹的比較。
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updateChildren: function(nextNestedChildrenElements, transaction, context) { updateDepth++; var errorThrown = true; try { this._updateChildren(nextNestedChildrenElements, transaction, context); errorThrown = false; } finally { updateDepth--; if (!updateDepth) { if (errorThrown) { clearQueue(); } else { processQueue(); } } } } |
分析至此，大部分人可能都存在這樣的疑問：如果出現了 DOM 節點跨層級的移動操作，React diff 會有怎樣的表現呢？是的，對此我也好奇不已，不如試驗一番。
如下圖，A 節點（包括其子節點）整個被移動到 D 節點下，由於 React 只會簡單的考慮同層級節點的位置變換，而對於不同層級的節點，只有建立和刪除操作。當根節點發現子節點中 A 消失了，就會直接銷燬 A；當 D 發現多了一個子節點 A，則會建立新的 A（包括子節點）作為其子節點。此時，React diff 的執行情況：create A -> create B -> create C -> delete A。
由此可發現，當出現節點跨層級移動時，並不會出現想象中的移動操作，而是以 A 為根節點的樹被整個重新建立，這是一種影響 React 效能的操作，因此 React 官方建議不要進行 DOM 節點跨層級的操作。
注意：在開發元件時，保持穩定的 DOM 結構會有助於效能的提升。例如，可以通過 CSS 隱藏或顯示節點，而不是真的移除或新增 DOM 節點。
component diff
React 是基於元件構建應用的，對於元件間的比較所採取的策略也是簡潔高效。
- 如果是同一型別的元件，按照原策略繼續比較 virtual DOM tree。
- 如果不是，則將該元件判斷為 dirty component，從而替換整個元件下的所有子節點。
- 對於同一型別的元件，有可能其 Virtual DOM 沒有任何變化，如果能夠確切的知道這點那可以節省大量的 diff 運算時間，因此 React 允許使用者通過 shouldComponentUpdate() 來判斷該元件是否需要進行 diff。
如下圖，當 component D 改變為 component G 時，即使這兩個 component 結構相似，一旦 React 判斷 D 和 G 是不同型別的元件，就不會比較二者的結構，而是直接刪除 component D，重新建立 component G 以及其子節點。雖然當兩個 component 是不同型別但結構相似時，React diff 會影響效能，但正如 React 官方部落格所言：不同型別的 component 是很少存在相似 DOM tree 的機會，因此這種極端因素很難在實現開發過程中造成重大影響的。
element diff
當節點處於同一層級時，React diff 提供了三種節點操作，分別為：INSERT_MARKUP（插入）、MOVE_EXISTING（移動）和 REMOVE_NODE（刪除）。
- INSERT_MARKUP，新的 component 型別不在老集合裡， 即是全新的節點，需要對新節點執行插入操作。
- MOVE_EXISTING，在老集合有新 component 型別，且 element 是可更新的型別，generateComponentChildren 已呼叫 receiveComponent，這種情況下 prevChild=nextChild，就需要做移動操作，可以複用以前的 DOM 節點。
- REMOVE_NODE，老 component 型別，在新集合裡也有，但對應的 element 不同則不能直接複用和更新，需要執行刪除操作，或者老 component 不在新集合裡的，也需要執行刪除操作。
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function enqueueInsertMarkup(parentInst, markup, toIndex) { updateQueue.push({ parentInst: parentInst, parentNode: null, type: ReactMultiChildUpdateTypes.INSERT_MARKUP, markupIndex: markupQueue.push(markup) - 1, content: null, fromIndex: null, toIndex: toIndex, }); } function enqueueMove(parentInst, fromIndex, toIndex) { updateQueue.push({ parentInst: parentInst, parentNode: null, type: ReactMultiChildUpdateTypes.MOVE_EXISTING, markupIndex: null, content: null, fromIndex: fromIndex, toIndex: toIndex, }); } function enqueueRemove(parentInst, fromIndex) { updateQueue.push({ parentInst: parentInst, parentNode: null, type: ReactMultiChildUpdateTypes.REMOVE_NODE, markupIndex: null, content: null, fromIndex: fromIndex, toIndex: null, }); } |
React 發現這類操作繁瑣冗餘，因為這些都是相同的節點，但由於位置發生變化，導致需要進行繁雜低效的刪除、建立操作，其實只要對這些節點進行位置移動即可。
針對這一現象，React 提出優化策略：允許開發者對同一層級的同組子節點，新增唯一 key 進行區分，雖然只是小小的改動，效能上卻發生了翻天覆地的變化！
新老集合所包含的節點，如下圖所示，新老集合進行 diff 差異化對比，通過 key 發現新老集合中的節點都是相同的節點，因此無需進行節點刪除和建立，只需要將老集合中節點的位置進行移動，更新為新集合中節點的位置，此時 React 給出的 diff 結果為：B、D 不做任何操作，A、C 進行移動操作，即可。
那麼，如此高效的 diff 到底是如何運作的呢？讓我們通過原始碼進行詳細分析。
首先對新集合的節點進行迴圈遍歷，for (name in nextChildren)，通過唯一 key 可以判斷新老集合中是否存在相同的節點，if (prevChild === nextChild)，如果存在相同節點，則進行移動操作，但在移動前需要將當前節點在老集合中的位置與 lastIndex 進行比較，if (child._mountIndex < lastIndex)，則進行節點移動操作，否則不執行該操作。這是一種順序優化手段，lastIndex 一直在更新，表示訪問過的節點在老集合中最右的位置（即最大的位置），如果新集合中當前訪問的節點比 lastIndex 大，說明當前訪問節點在老集合中就比上一個節點位置靠後，則該節點不會影響其他節點的位置，因此不用新增到差異佇列中，即不執行移動操作，只有當訪問的節點比 lastIndex 小時，才需要進行移動操作。
以上圖為例，可以更為清晰直觀的描述 diff 的差異對比過程：
- 從新集合中取得 B，判斷老集合中存在相同節點 B，通過對比節點位置判斷是否進行移動操作，B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此時 lastIndex = 0，不滿足 child._mountIndex < lastIndex 的條件，因此不對 B 進行移動操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，其中 prevChild._mountIndex 表示 B 在老集合中的位置，則 lastIndex ＝ 1，並將 B 的位置更新為新集合中的位置prevChild._mountIndex = nextIndex，此時新集合中 B._mountIndex = 0，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 A，判斷老集合中存在相同節點 A，通過對比節點位置判斷是否進行移動操作，A 在老集合中的位置 A._mountIndex = 0，此時 lastIndex = 1，滿足 child._mountIndex < lastIndex的條件，因此對 A 進行移動操作enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)，其中 toIndex 其實就是 nextIndex，表示 A 需要移動到的位置；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，則 lastIndex ＝ 1，並將 A 的位置更新為新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此時新集合中A._mountIndex = 1，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 D，判斷老集合中存在相同節點 D，通過對比節點位置判斷是否進行移動操作，D 在老集合中的位置 D._mountIndex = 3，此時 lastIndex = 1，不滿足 child._mountIndex < lastIndex的條件，因此不對 D 進行移動操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，則 lastIndex ＝ 3，並將 D 的位置更新為新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此時新集合中D._mountIndex = 2，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 C，判斷老集合中存在相同節點 C，通過對比節點位置判斷是否進行移動操作，C 在老集合中的位置 C._mountIndex = 2，此時 lastIndex = 3，滿足 child._mountIndex < lastIndex 的條件，因此對 C 進行移動操作 enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，則 lastIndex ＝ 3，並將 C 的位置更新為新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此時新集合中 A._mountIndex = 3，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷，由於 C 已經是最後一個節點，因此 diff 到此完成。
以上主要分析新老集合中存在相同節點但位置不同時，對節點進行位置移動的情況，如果新集合中有新加入的節點且老集合存在需要刪除的節點，那麼 React diff 又是如何對比運作的呢？
以下圖為例：
- 從新集合中取得 B，判斷老集合中存在相同節點 B，由於 B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此時lastIndex = 0，因此不對 B 進行移動操作；更新 lastIndex ＝ 1，並將 B 的位置更新為新集合中的位置B._mountIndex = 0，nextIndex++進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 E，判斷老集合中不存在相同節點 E，則建立新節點 E；更新 lastIndex ＝ 1，並將 E 的位置更新為新集合中的位置，nextIndex++進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 C，判斷老集合中存在相同節點 C，由於 C 在老集合中的位置C._mountIndex = 2，此時lastIndex = 1，因此對 C 進行移動操作；更新 lastIndex ＝ 2，並將 C 的位置更新為新集合中的位置，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷。
- 從新集合中取得 A，判斷老集合中存在相同節點 A，由於 A 在老集合中的位置A._mountIndex = 0，此時lastIndex = 2，因此不對 A 進行移動操作；更新 lastIndex ＝ 2，並將 A 的位置更新為新集合中的位置，nextIndex++ 進入下一個節點的判斷。
- 當完成新集合中所有節點 diff 時，最後還需要對老集合進行迴圈遍歷，判斷是否存在新集合中沒有但老集合中仍存在的節點，發現存在這樣的節點 D，因此刪除節點 D，到此 diff 全部完成。
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_updateChildren: function(nextNestedChildrenElements, transaction, context) { var prevChildren = this._renderedChildren; var nextChildren = this._reconcilerUpdateChildren( prevChildren, nextNestedChildrenElements, transaction, context ); if (!nextChildren && !prevChildren) { return; } var name; var lastIndex = 0; var nextIndex = 0; for (name in nextChildren) { if (!nextChildren.hasOwnProperty(name)) { continue; } var prevChild = prevChildren && prevChildren[name]; var nextChild = nextChildren[name]; if (prevChild === nextChild) { // 移動節點 this.moveChild(prevChild, nextIndex, lastIndex); lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex); prevChild._mountIndex = nextIndex; } else { if (prevChild) { lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex); // 刪除節點 this._unmountChild(prevChild); } // 初始化並建立節點 this._mountChildAtIndex( nextChild, nextIndex, transaction, context ); } nextIndex++; } for (name in prevChildren) { if (prevChildren.hasOwnProperty(name) && !(nextChildren && nextChildren.hasOwnProperty(name))) { this._unmountChild(prevChildren[name]); } } this._renderedChildren = nextChildren; }, // 移動節點 moveChild: function(child, toIndex, lastIndex) { if (child._mountIndex < lastIndex) { this.prepareToManageChildren(); enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex); } }, // 建立節點 createChild: function(child, mountImage) { this.prepareToManageChildren(); enqueueInsertMarkup(this, mountImage, child._mountIndex); }, // 刪除節點 removeChild: function(child) { this.prepareToManageChildren(); enqueueRemove(this, child._mountIndex); }, _unmountChild: function(child) { this.removeChild(child); child._mountIndex = null; }, _mountChildAtIndex: function( child, index, transaction, context) { var mountImage = ReactReconciler.mountComponent( child, transaction, this, this._nativeContainerInfo, context ); child._mountIndex = index; this.createChild(child, mountImage); }, |
當然，React diff 還是存在些許不足與待優化的地方，如下圖所示，若新集合的節點更新為：D、A、B、C，與老集合對比只有 D 節點移動，而 A、B、C 仍然保持原有的順序，理論上 diff 應該只需對 D 執行移動操作，然而由於 D 在老集合的位置是最大的，導致其他節點的 _mountIndex < lastIndex，造成 D 沒有執行移動操作，而是 A、B、C 全部移動到 D 節點後面的現象。
在此，讀者們可以討論思考：如何優化上述問題？
建議：在開發過程中，儘量減少類似將最後一個節點移動到列表首部的操作，當節點數量過大或更新操作過於頻繁時，在一定程度上會影響 React 的渲染效能。
總結
- React 通過制定大膽的 diff 策略，將 O(n3) 複雜度的問題轉換成 O(n) 複雜度的問題；
- React 通過分層求異的策略，對 tree diff 進行演算法優化；
- React 通過相同類生成相似樹形結構，不同類生成不同樹形結構的策略，對 component diff 進行演算法優化；
- React 通過設定唯一 key的策略，對 element diff 進行演算法優化；
- 建議，在開發元件時，保持穩定的 DOM 結構會有助於效能的提升；
- 建議，在開發過程中，儘量減少類似將最後一個節點移動到列表首部的操作，當節點數量過大或更新操作過於頻繁時，在一定程度上會影響 React 的渲染效能。
參考資料
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