[譯] React效能優化-虛擬Dom原理淺析

本文譯自《Optimizing React: Virtual DOM explained》，作者是Alexey Ivanov和Andy Barnov，來自Evil Martians’ team團隊。

譯者說：通過一些實際場景和demo，給大家描述React的Virtual Dom Diff一些核心的原理和規則，以及基於這些我們可以做些什麼提高應用的效能，很棒的文章。

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通過學習React的Virtual DOM的知識，去加速你們的應用吧。對框架內部實現的介紹，比較全面且適合初學者，我們會讓JSX更加簡單易懂，給你展示React是如何判斷要不要重新render，解釋如何找到應用的效能瓶頸，以及給大家一些小貼士，如何避免常見錯誤。

React在前端圈內保持領先的原因之一，因為它的學習曲線非常平易近人：把你的模板包在JSX，瞭解一下props和state的概念之後，你就可以輕鬆寫出React程式碼了。

如果你已經熟悉React的工作方式，可以直接跳至“優化我的程式碼”篇。

但要真正掌握React，你需要像React一樣思考（think in React）。本文也會試圖在這個方面幫助你。

下面看看我們其中一個專案中的React table：

這個表裡有數百個動態（表格內容變化）和可過濾的選項，理解這個框架更精細的點，對於保證順暢的使用者體驗至關重要。

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當事情出錯時，你一定能感覺到。輸入欄位變得遲緩，核取方塊需要檢查一秒鐘，彈窗一個世紀後才出現，等等。

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為了能夠解決這些問題，我們需要完成一個React元件的整個生命旅程，從一開始的宣告定義到在頁面上渲染（再然後可能會更新）。繫好安全帶，我們要發車了！

JSX的背後

這個過程一般在前端會稱為“轉譯”，但其實“彙編”將是一個更精確的術語。

React開發人員敦促你在編寫元件時使用一種稱為JSX的語法，混合了HTML和JavaScript。但瀏覽器對JSX及其語法毫無頭緒，瀏覽器只能理解純碎的JavaScript，所以JSX必須轉換成JavaScript。這裡是一個div的JSX程式碼，它有一個class name和一些內容：

<div className='cn'>
  Content!
</div>
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以上的程式碼，被轉換成“正經”的JavaScript程式碼，其實是一個帶有一些引數的函式呼叫：

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content!'
);
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讓我們仔細看看這些引數。

• 第一個是元素的type。對於HTML標籤，它將是一個帶有標籤名稱的字串。
• 第二個引數是一個包含所有元素屬性（attributes）的物件。如果沒有，它也可以是空的物件。
• 剩下的引數都可以認為是元素的子元素（children）。元素中的文字也算作一個child，是個字串'Content！' 作為函式呼叫的第三個引數放置。

你應該可以想象，當我們有更多的children時會發生什麼：

<div className='cn'>
  Content 1!
  <br />
  Content 2!
</div>
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React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content 1!',              // 1st child
  React.createElement('br'), // 2nd child
  'Content 2!'               // 3rd child
)
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我們的函式現在有五個引數：

• 一個元素的型別
• 一個屬性物件
• 三個子元素。

因為其中一個child是一個React已知的HTML標籤（<br/>），所以它也會被描述為一個函式呼叫（React.createElement('br')）。

到目前為止，我們已經涵蓋了兩種型別的children：

• 簡單的String
• 另一種會呼叫React.createElement。

然而，還有其他值可以作為引數：

• 基本型別 false, null, undefined, true
• 陣列
• React Components

可以使用陣列是因為可以將children分組並作為一個引數傳遞：

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  ['Content 1!', React.createElement('br'), 'Content 2!']
)
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當然了，React的厲害之處，不僅僅因為我們可以把HTML標籤直接放在JSX中使用，而是我們可以自定義自己的元件，例如：

function Table({ rows }) {
  return (
    <table>
      {rows.map(row => (
        <tr key={row.id}>
          <td>{row.title}</td>
        </tr>
      ))}
    </table>
  );
}
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元件可以讓我們把模板分解為多個可重用的塊。在上面的“函式式”（functional）元件的例子裡，我們接收一個包含表格行資料的物件陣列，最後返回一個呼叫React.createElement方法的<table>元素，rows則作為children傳進table。

無論什麼時候，我們這樣去宣告一個元件時：

<Table rows={rows} />
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從瀏覽器的角度來看，我們是這麼寫的：

React.createElement(Table, { rows: rows });
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注意，這次我們的第一個引數不是String描述的HTML標籤，而是一個引用，指向我們編寫元件時編寫的函式。元件的attributes現在是接收的props引數了。

把元件（components）組合成頁面（a page）

所以，我們已經將所有JSX元件轉換為純JavaScript，現在我們有一大堆函式呼叫，它的引數會被其他函式呼叫的，或者還有更多的其他函式呼叫這些引數......這些帶引數的函式呼叫，是怎麼轉化成組成這個頁面的實體DOM的呢？

為此，我們有一個ReactDOM庫及其它的render方法：

function Table({ rows }) { /* ... */ } // defining a component

// rendering a component
ReactDOM.render(
  React.createElement(Table, { rows: rows }), // "creating" a component
  document.getElementById('#root') // inserting it on a page
);
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當ReactDOM.render被呼叫時，React.createElement最終也會被呼叫，返回以下物件：

// There are more fields, but these are most important to us
{
  type: Table,
  props: {
    rows: rows
  },
  // ...
}
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這些物件，在React的角度上，構成了虛擬DOM。

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他們將在所有進一步的渲染中相互比較，並最終轉化為 真正的DOM（virtual VS real, 虛擬DOM VS 真實DOM）。

下面是另一個例子：這次div有一個class屬性和幾個children：

React.createElement(
  'div',
  { className: 'cn' },
  'Content 1!',
  'Content 2!',
);
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變成：

{
  type: 'div',
  props: {
    className: 'cn',
    children: [
      'Content 1!',
      'Content 2!'
    ]
  }
}
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需要注意的是，那些除了type和attribute以外的屬性，原本是單獨傳進來的，轉換之後，會作為在props.children以一個陣列的形式打包存在。也就是說，無論children是作為陣列還是引數列表傳遞都沒關係 —— 在生成的虛擬DOM物件的時候，它們最後都會被打包在一起的。

進一步說，我們可以直接在元件中把children作為一項屬性傳進去，結果還是一樣的：

<div className='cn' children={['Content 1!', 'Content 2!']} />
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在構建虛擬DOM物件完成之後，ReactDOM.render將會按下面的原則，嘗試將其轉換為瀏覽器可以識別和展示的DOM節點：

• 如果type包含一個帶有String型別的標籤名稱（tag name）—— 建立一個標籤，附帶上props下所有attributes。

• 如果type是一個函式（function）或者類（class），呼叫它，並對結果遞迴地重複這個過程。

• 如果props下有children屬性 —— 在父節點下，針對每個child重複以上過程。

最後，得到以下HTML（對於我們的表格示例）：

<table>
  <tr>
    <td>Title</td>
  </tr>
  ...
</table>
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重新構建DOM（Rebuilding the DOM）

在實際應用場景，render通常在根節點呼叫一次，後續的更新會有state來控制和觸發呼叫。

請注意，標題中的“重新”！當我們想更新一個頁面而不是全部替換時，React中的魔法就開始了。我們有一些實現它的方式。我們先從最簡單的開始 —— 在同一個node節點再次執行ReactDOM.render。

// Second call
ReactDOM.render(
  React.createElement(Table, { rows: rows }),
  document.getElementById('#root')
);
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這一次，上面的程式碼的表現，跟我們已經看到的有所不同。React將啟動其diff演算法，而不是從頭開始建立所有DOM節點並將其放在頁面上，來確定節點樹的哪些部分必須更新，哪些可以保持不變。

那麼，它是怎樣工作的呢？其實只有少數幾個簡單的場景，理解它們將對我們的優化幫助很大。請記住，現在我們在看的，是在React Virtual DOM裡面用來代表節點的物件。

場景1：type是一個字串，type在通話中保持不變，props也沒有改變。

// before update
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }
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這是最簡單的情況：DOM保持不變。

場景2：type仍然是相同的字串，props是不同的。

// before update:
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update:
{ type: 'div', props: { className: 'cnn' } }
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type仍然代表HTML元素，React知道如何通過標準DOM API呼叫來更改元素的屬性，而無需從DOM樹中刪除一個節點。

場景3：type已更改為不同的String或從String元件。

// before update:
{ type: 'div', props: { className: 'cn' } }

// after update:
{ type: 'span', props: { className: 'cn' } }
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React看到的type是不同的，它甚至不會嘗試更新我們的節點：old元素將和它的所有子節點一起被刪除（unmounted解除安裝）。因此，將元素替換為完全不同於DOM樹的東西代價會非常昂貴。幸運的是，這在現實世界中很少發生。

劃重點，記住React使用===（triple equals）來比較type的值，所以這兩個值需要是相同類或相同函式的相同例項。

下一個場景更加有趣，通常我們會這麼使用React。

場景4：type是一個component。

// before update:
{ type: Table, props: { rows: rows } }

// after update:
{ type: Table, props: { rows: rows } }
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你可能會說，“咦，但沒有任何變化啊！”，但是你錯了。

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如果type是對函式或類的引用（即常規的React元件），並且我們啟動了tree diff的過程，則React每次都會去檢查元件的內部邏輯，以確保render返回的值不會改變（類似對副作用的預防措施）。對樹中的每個元件進行遍歷和掃描 —— 是的，在複雜的渲染場景下，成本可能會非常昂貴！

值得注意的是，一個component的render（只有類元件在宣告時有這個函式）跟ReactDom.render不是同一個函式。

關注子元件（children）的情況

除了上述四種常見場景之外，當一個元素有多個子元素時，我們還需要考慮React的行為。現在假設我們有這麼一個元素：

// ...
props: {
  children: [
      { type: 'div' },
      { type: 'span' },
      { type: 'br' }
  ]
},
// ...
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我們想要交換一下這些children的順序：

// ...
props: {
  children: [
    { type: 'span' },
    { type: 'div' },
    { type: 'br' }
  ]
},
// ...
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之後會發生什麼呢？

當diffing的時候，如果React在檢查props.children下的陣列時，按順序去對比陣列內元素的話：index 0將與index 0進行比較，index 1和index 1，等等。對於每一次對比，React會使用之前提過的diff規則。在我們的例子裡，它認為div成為一個span，那麼就會運用到情景3。這樣不是很有效率的：想象一下，我們已經從1000行中刪除了第一行。React將不得不“更新”剩餘的999個子項，因為按index去對比的話，內容從第一條開始就不相同了。

幸運的是，React有一個內建的方法（built-in）來解決這個問題。如果一個元素有一個key屬性，那麼元素將按key而不是index來比較。只要key是唯一的，React就會移動元素，而不是將它們從DOM樹中移除然後再將它們放回（這個過程在React裡叫mounting和unmounting）。

// ...
props: {
  children: [ // Now React will look on key, not index
    { type: 'div', key: 'div' },
    { type: 'span', key: 'span' },
    { type: 'br', key: 'bt' }
  ]
},
// ...
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當state發生了改變

到目前為止，我們只聊了下React哲學裡面的props部分，卻忽視了另外很重要的一部分state。下面是一個簡單的stateful元件：

class App extends Component {
  state = { counter: 0 }

  increment = () => this.setState({
    counter: this.state.counter + 1,
  })

  render = () => (<button onClick={this.increment}>
    {'Counter: ' + this.state.counter}
  </button>)
}
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在state物件裡，我們有一個keycounter。點選按鈕時，這個值會增加，然後按鈕的文字也會發生相應的改變。但是，當我們這樣做時，DOM中發生了什麼？哪部分將被重新計算和更新？

呼叫this.setState會導致re-render（重新渲染），但不會影響到整個頁面，而只會影響元件本身及其children元件。父母和兄弟姐妹都不會受到影響。當我們有一個層級很深的元件鏈時，這會讓狀態更新變得非常方便，因為我們只需要重繪(redraw)它的一部分。

把問題說清楚

我們準備了一個小demo，以便你可以在看到在“野蠻生長”的React編碼方式下最常見的問題，後續我也告訴大家怎麼去解決這些問題。你可以在這裡看看它的原始碼。你還需要React Developer Tools，請確保瀏覽器安裝了它們。

我們首先要看看的是，哪些元素以及什麼時候導致Virtual DOM的更新。在瀏覽器的開發工具中，開啟React皮膚並選擇“Highlight Updates”核取方塊：

現在嘗試在表格中新增一行。如你所見，頁面上的每個元素周圍都會顯示一個邊框。這意味著每次新增一行時，React都在計算和比較整個虛擬DOM樹。現在嘗試點選一行內的counter按鈕。你將看到state更新後虛擬DOM如何更新 —— 只有引用了state key的元素及其children受到影響。

React DevTools會提示問題出在哪裡，但不會告訴我們有關細節的資訊：特別是所涉及的更新，是由diffing元素引起的？還是被掛載（mounting）或者被解除安裝（unmounting）了？要了解更多資訊，我們需要使用React的內建分析器（注意它不適用於生產模式）。

新增?react_perf到應用的URL，然後轉到Chrome DevTools中的“Performance”標籤。點選“錄製”（Record）並在表格上點選。新增一些row，更改一下counter，然後點選“停止”（Stop）。

在輸出的結果中，我們關注“User timing”這項指標。放大時間軸直到看到“React Tree Reconciliation”這個組及其子項。這些就是我們元件的名稱，它們旁邊都寫著[update]或[mount]。

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我們的大部分效能問題都屬於這兩類問題之一。

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無論是元件（還是從它分支的其他元件）出於某種原因都會在每次更新時re-mounted（慢），又或者我們在大型應用上執行對每個分支做diff，儘管這些元件並沒有發生改變，我們不希望這些情況的發生。

優化我們的程式碼：Mounting / Unmounting

現在，我們已經瞭解到當需要update Virtual Dom時，React是依據哪些規則去判斷要不要更新，以及也知道了我們可以通過什麼方式去追蹤這些diff場景的背後發生了什麼，我們終於準備好優化我們的程式碼了！首先，我們來看看mounts/unmounts。

如果你能夠注意到當一個元素包含的多個children，他們是由array組成的話，你可以實現十分顯著的速度優化。

我們來看看這個case：

<div>
  <Message />
  <Table />
  <Footer />
</div>
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在我們的Virtual DOM裡這麼表示：

// ...
props: {
  children: [
    { type: Message },
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...
複製程式碼

這裡有一個簡單的Message例子，就是一個div寫著一些簡單的文字，和以及一個巨大的Table，比方說，超過1000行。它們（Message和Table）都是頂級div的子元件，所以它們被放置在父節點的props.children下，並且它們key都不會有。React甚至不會通過控制檯警告我們要給每個child分配key，因為children正在React.createElement作為引數列表傳遞給父元素，而不是直接遍歷一個陣列。

現在我們的使用者已讀了一個通知，Message（譬如新通知按鈕）從DOM上移除。Table和Footer是剩下的全部。

// ...
props: {
  children: [
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...
複製程式碼

React會怎麼處理呢？它會看作是一個array型別的children，現在少了第一項，從前第一項是Message現在是Table了，也沒有key作為索引，比較type的時候又發現它們倆不是同一個function或者class的同一個例項，於是會把整個Tableunmount，然後在mount回去，渲染它的1000+行子資料。

因此，你可以給每個component新增唯一的key（但在目特殊的case下，使用key並不是最佳選擇），或者採用更聰明的小技巧：使用短路求值（又名“最小化求值”），這是JavaScript和許多其他現代語言的特性。看：

// Using a boolean trick
<div>
  {isShown && <Message />}
  <Table />
  <Footer />
</div>
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雖然Message會離開螢幕，父元素div的props.children仍然會擁有三個元素，children[0]具有一個值false（一個布林值）。請記住true, false, null, undefined是虛擬DOM物件type屬性的允許值，我們最終得到了類似的結果：

// ...
props: {
  children: [
    false, //  isShown && <Message /> evaluates to false
    { type: Table },
    { type: Footer }
  ]
}
// ...
複製程式碼

因此，有沒有Message元件，我們的索引值都不會改變，Table當然仍然會跟Table比較（當type是一個函式或類的引用時，diff比較的成本還是會有的），但僅僅比較虛擬DOM的成本，通常比“刪除DOM節點”並“從0開始建立”它們要來得快。

現在我們來看看更多的東西。大家都挺喜歡用HOC的，高階元件是一個將元件作為引數，執行某些操作，最後返回另外一個不同功能的元件：

function withName(SomeComponent) {
  // Computing name, possibly expensive...
  return function(props) {
    return <SomeComponent {...props} name={name} />;
  }
}
複製程式碼

這是一種常見的模式，但你需要小心。如果我們這麼寫：

class App extends React.Component() {
  render() {
    // Creates a new instance on each render
    const ComponentWithName = withName(SomeComponent);
    return <SomeComponentWithName />;
  }
}
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我們在父節點的render方法內部建立一個HOC。當我們重新渲染（re-render）樹時，虛擬DOM是這樣子的：

// On first render:
{
  type: ComponentWithName,
  props: {},
}

// On second render:
{
  type: ComponentWithName, // Same name, but different instance
  props: {},
}
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現在，React會對ComponentWithName這個例項做diff，但由於此時同名引用了不同的例項，因此全等比較（triple equal）失敗，一個完整的re-mount會發生（整個節點換掉），而不是調整屬性值或順序。注意它也會導致狀態丟失，如此處所述。幸運的是，這很容易解決，你需要始終在render外面建立一個HOC：

// Creates a new instance just once
const ComponentWithName = withName(Component);

class App extends React.Component() {
  render() {
    return <ComponentWithName />;
  }
}
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優化我的程式碼：Updating

現在我們可以確保在非必要的時候，不做re-mount的事情了。然而，對位於DOM樹根部附近（層級越上面的元素）的元件所做的任何更改都會導致其所有children的diffing和調整（reconciliation）。在層級很多、結構複雜的應用裡，這些成本很昂貴，但經常是可以避免的。

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如果有一種方法可以告訴React你不用來檢查這個分支了，因為我們可以肯定那個分支不會有更新，那就太棒了！

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這種方式是真的有的哈，它涉及一個built-in方法叫shouldComponentUpdate，它也是元件生命週期的一部分。這個方法的呼叫時機：元件的render和元件接收到state或props的值的更新時。然後我們可以自由地將它們與我們當前的值進行比較，並決定是否更新我們的元件（返回true或false）。如果我們返回false，React將不會重新渲染元件，也不會檢查它的所有子元件。

通常來說，比較兩個集合（set）props和state一個簡單的淺層比較（shallow comparison）就足夠了：如果頂層的值不同，我們不必接著比較了。淺比較不是JavaScript的一個特性，但有很多小而美的庫（utilities）可以讓我們用上那麼棒的功能。

現在可以像這樣編寫我們的程式碼：

class TableRow extends React.Component {

  // will return true if new props/state are different from old ones
  shouldComponentUpdate(nextProps, nextState) {
    const { props, state } = this;
    return !shallowequal(props, nextProps)
           && !shallowequal(state, nextState);
  }

  render() { /* ... */ }
}
複製程式碼

但是你甚至都不需要自己寫程式碼，因為React把這個特性內建在一個類React.PureComponent裡面。它類似於 React.Component，只是shouldComponentUpdate已經為你實施了一個淺的props/state比較。

這聽起來很“不動腦”，在宣告class繼承（extends）的時候，把Component換成PureComponent就可以享受高效率。事實上，並不是這麼“傻瓜”，看看這些例子：

<Table
    // map returns a new instance of array so shallow comparison will fail
    rows={rows.map(/* ... */)}
    // object literal is always "different" from predecessor
    style={ { color: 'red' } }
    // arrow function is a new unnamed thing in the scope, so there will always be a full diffing
    onUpdate={() => { /* ... */ }}
/>
複製程式碼

上面的程式碼片段演示了三種最常見的反模式。儘量避免它們！

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如果你能注意點，在render定義之外建立所有物件、陣列和函式，並確保它們在各種呼叫間，不發生更改 —— 你是安全的。

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你在updated demo，所有table的rows都被“淨化”（purified）過，你可以看到PureComponent的表現了。如果你在React DevTools中開啟“Highlight Updates”，你會注意到只有表格本身和新行在插入時會觸發render，其他的行保持不變。

[譯者說：為了便於大家理解purified，譯者在下面插入了原文demo的一段程式碼]

class TableRow extends React.PureComponent {
  render() {
    return React.createElement('tr', { className: 'row' },
      React.createElement('td', { className: 'cell' }, this.props.title),
      React.createElement('td', { className: 'cell' }, React.createElement(Button)),
    );
  }
};
複製程式碼

不過，如果你迫不及待地all in PureComponent，在應用裡到處都用的話 —— 控制住你自己！

shallow比較兩組props和state不是免費的，對於大多數基本元件來說，甚至都不值得：shallowCompare比diffing演算法需要耗費更多的時間。

使用這個經驗法則：pure component適用於複雜的表單和表格，但它們通常會減慢簡單元素（按鈕、圖示）的效率。

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感謝你的閱讀！現在你已準備好將這些見解應用到你的應用程式中。可以使用我們的小demo（用了或沒有用PureComponent）的倉庫作為你的實驗的起點。此外，請繼續關注本系列的下一部分，我們計劃涵蓋Redux並優化你的資料，目標是提高整個應用的總體效能。

譯者說

正如原文末所說，Alex和Andy後續會繼續寫一個關於整體效能的系列，包括核心React和Redux等，我也會繼續跟蹤這個系列的文章，到時po到我的個人部落格和知乎專欄《集異璧》，感興趣的同學們可以關注一下哈 ：）

歡迎對本文的翻譯質量、內容的各種討論。若有表述不當，歡迎斧正。

2018.05.13，晴，杭州濱江 Yuying Wu

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筆者 @Yuying Wu，前端愛好者 / 鼓勵師 / 紐西蘭打工度假 / 鏟屎官。目前就職於某大型電商的B2B前端團隊。

感謝你讀到這裡。如果你和我一樣喜歡前端，喜歡搗騰獨立部落格或者前沿技術，或者有什麼職業疑問，歡迎關注我以及各種交流哈。

獨立部落格：wuyuying.com
知乎ID：@Yuying Wu
Github：Yuying Wu