React diff算法原理详细分析

React
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2023-06-18
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  • 抛砖引玉
  • 传统diff算法
  • React diff原理
  • tree diff
  • component diff
  • element diff
  • 应用实践
  • 页面指定区域刷新
  • 更加方便地监听props改变
  • react-router中Link问题
  • 结语

抛砖引玉

React通过引入Virtual DOM的概念，极大地避免无效的Dom操作，已使我们的页面的构建效率提到了极大的提升。但是如何高效地通过对比新旧Virtual DOM来找出真正的Dom变化之处同样也决定着页面的性能，React用其特殊的diff算法解决这个问题。Virtual DOM+React diff的组合极大地保障了React的性能，使其在业界有着不错的性能口碑。diff算法并非React首创，React只是对diff算法做了一个优化，但却是因为这个优化，给React带来了极大的性能提升，不禁让人感叹React创造者们的智慧！接下来我们就探究一下React的diff算法。

传统diff算法

在文章开头我们提到React的diff算法给React带来了极大的性能提升，而之前的React diff算法是在传统diff算法上的优化。下面我们先看一下传统的diff算法是什么样子的。

传统diff算法通过循环递归对节点进行依次对比，效率低下，算法复杂度达到 O(n^3)，其中 n 是树中节点的总数。

O(n^3) 到底有多可怕呢？这意味着如果要展示 1000 个节点，就要依次执行上十亿次 的比较，这种指数型的性能消耗对于前端渲染场景来说代价太高了。而React却这个diff算法时间复杂度从O(n3)降到O(n)。O(n3)到O(n)的提升有多大，我们通过一张图来看一下。

从上面这张图来看，React的diff算法所带来的提升无疑是巨大无比的。接下来我们再看一张图：

从1979到2011，30多年的时间，才将时间复杂度搞到O(n^3)，而React从开源到现在不过区区几年的时间，却一下子干到O(n)，到这里不禁再次膜拜一下React的创造者们。

那么React这个diff算法是如何做到的呢？

React diff原理

前面我们讲到传统diff算法的时间复杂度为O(n3),其中n为树中节点的总数，随着n的增加，diff所耗费的时间将呈现爆炸性的增长。react却利用其特殊的diff算法做到了O(n3)到O(n)的飞跃性的提升，而完成这一壮举的法宝就是下面这三条看似简单的diff策略：

  • Web UI中DOM节点跨层级的移动操作特别少，可以忽略不计。
  • 拥有相同类的两个组件将会生成相似的树形结构，拥有不同类的两个组件将会生成不同的树形结构。
  • 对于同一层级的一组子节点，它们可以通过唯一 id 进行区分。

在上面三个策略的基础上，React 分别将对应的tree diff、component diff 以及 element diff 进行算法优化，极大地提升了diff效率。

tree diff

基于策略一，React 对树的算法进行了简洁明了的优化，即对树进行分层比较，两棵树只会对同一层次的节点进行比较。

既然 DOM 节点跨层级的移动操作少到可以忽略不计，针对这一现象，React只会对相同层级的 DOM 节点进行比较，即同一个父节点下的所有子节点。当发现节点已经不存在时，则该节点及其子节点会被完全删除掉，不会用于进一步的比较。这样只需要对树进行一次遍历，便能完成整个 DOM 树的比较。

策略一的前提是Web UI中DOM节点跨层级的移动操作特别少，但并没有否定DOM节点跨层级的操作的存在，那么当遇到这种操作时，React是如何处理的呢？

接下来我们通过一张图来展示整个处理过程：

A 节点(包括其子节点)整个被移动到 D 节点下，由于 React 只会简单地考虑同层级节点的位置变换，而对于不 同层级的节点，只有创建和删除操作。当根节点发现子节点中 A 消失了，就会直接销毁 A;当 D 发现多了一个子节点 A，则会创 建新的 A(包括子节点)作为其子节点。此时，diff 的执行情况:create A → create B → create C → delete A。

由此可以发现，当出现节点跨层级移动时，并不会出现想象中的移动操作，而是以 A 为根节点的整个树被重新创建。这是一种影响React性能的操作，因此官方建议不要进行 DOM 节点跨层级的操作。

在开发组件时，保持稳定的 DOM 结构会有助于性能的提升。例如，可以通过 CSS 隐藏或显示节点，而不是真正地移

除或添加 DOM 节点。

component diff

React 是基于组件构建应用的，对于组件间的比较所采取的策略也是非常简洁、高效的。

如果是同一类型的组件，按照原策略继续比较 Virtual DOM 树即可。

如果不是，则将该组件判断为 dirty component，从而替换整个组件下的所有子节点。

对于同一类型的组件，有可能其 Virtual DOM 没有任何变化，如果能够确切知道这点，那么就可以节省大量的 diff 运算时间。因此，React允许用户通过shouldComponentUpdate()来判断该组件是否需进行diff算法分析，但是如果调用了forceUpdate方法，shouldComponentUpdate则失效。

参考React实战视频讲解：进入学习

接下来我们看下面这个例子是如何实现转换的：

转换流程如下：

当组件D变为组件G时，即使这两个组件结构相似，一旦React判断D和G是不同类型的组件，就不会比较二 者的结构，而是直接删除组件D，重新创建组件G及其子节点。虽然当两个组件是不同类型但结构相似时，diff会影响性能，但正如React官方博客所言:不同类型的组件很少存在相似DOM树的情况，因此这种极端因素很难在实际开发过程中造成重大的影响。

element diff

当节点处于同一层级时，diff 提供了 3 种节点操作，分别为 INSERT_MARKUP (插入)、MOVE_EXISTING (移动)和 REMOVE_NODE (删除)。

INSERT_MARKUP :新的组件类型不在旧集合里，即全新的节点，需要对新节点执行插入操作。

MOVE_EXISTING :旧集合中有新组件类型，且 element 是可更新的类型，generateComponentChildren 已调用

receiveComponent ，这种情况下 prevChild=nextChild ，就需要做移动操作，可以复用以前的 DOM 节点。

REMOVE_NODE :旧组件类型，在新集合里也有，但对应的 element 不同则不能直接复用和更新，需要执行删除操作，或者旧组件不在新集合里的，也需要执行删除操作。

旧集合中包含节点A、B、C和D，更新后的新集合中包含节点B、A、D和C，此时新旧集合进行diff差异化对比，发现B!=A，则创建并插入B至新集合，删除旧集合A;以此类推，创建并插入A、D和C，删除B、C和D。

我们发现这些都是相同的节点，仅仅是位置发生了变化，但却需要进行繁杂低效的删除、创建操作，其实只要对这些节点进行位置移动即可。React针对这一现象提出了一种优化策略：允许开发者对同一层级的同组子节点，添加唯一 key 进行区分。 虽然只是小小的改动，性能上却发生了翻天覆地的变化!我们再来看一下应用了这个策略之后，react diff是如何操作的。

通过key可以准确地发现新旧集合中的节点都是相同的节点，因此无需进行节点删除和创建，只需要将旧集合中节点的位置进行移动，更新为新集合中节点的位置，此时React 给出的diff结果为:B、D不做任何操作，A、C进行移动操作即可。

具体的流程我们用一张表格来展现一下：

index

节点

oldIndex

maxIndex

操作

0

B

1

0

oldIndex(1)>maxIndex(0),maxIndex=oldIndex，maxIndex变为1

1

A

0

1

oldIndex(0)<maxIndex(1),节点A移动至index(1)的位置

2

D

3

1

oldIndex(3)>maxIndex(1),maxIndex=oldIndex，maxIndex变为3

3

C

2

3

oldIndex(2)<maxIndex(3),节点C移动至index(3)的位置

  • index： 新集合的遍历下标。
  • oldIndex：当前节点在老集合中的下标。
  • maxIndex：在新集合访问过的节点中，其在老集合的最大下标值。

操作一栏中只比较oldIndex和maxIndex：

  • 当oldIndex>maxIndex时，将oldIndex的值赋值给maxIndex
  • 当oldIndex=maxIndex时，不操作
  • 当oldIndex<maxIndex时，将当前节点移动到index的位置

上面的例子仅仅是在新旧集合中的节点都是相同的节点的情况下，那如果新集合中有新加入的节点且旧集合存在 需要删除的节点，那么 diff 又是如何对比运作的呢?

index

节点

oldIndex

maxIndex

操作

0

B

1

0

oldIndex(1)>maxIndex(0)，maxIndex=oldIndex，maxIndex变为1

1

E

-

1

oldIndex不存在，添加节点E至index(1)的位置

2

C

2

1

oldIndex(2)>maxIndex(1),maxIndex=oldIndex，maxIndex变为2

3

A

0

2

oldIndex(0)<maxIndex(2),节点A移动至index(3)的位置

注：最后还需要对旧集合进行循环遍历，找出新集合中没有的节点，此时发现存在这样的节点D，因此删除节点D，到此 diff 操作全部完成。

同样操作一栏中只比较oldIndex和maxIndex，但是oldIndex可能有不存在的情况：

oldIndex存在

  • 当oldIndex>maxIndex时，将oldIndex的值赋值给maxIndex
  • 当oldIndex=maxIndex时，不操作
  • 当oldIndex<maxIndex时，将当前节点移动到index的位置

oldIndex不存在

新增当前节点至index的位置

当然这种diff并非完美无缺的，我们来看这么一种情况：

实际我们只需对D执行移动操作，然而由于D在旧集合中的位置是最大的，导致其他节点的oldIndex < maxIndex，造成D没有执行移动操作，而是A、B、C全部移动到D节点后面的现象。针对这种情况，官方建议：

在开发过程中，尽量减少类似将最后一个节点移动到列表首部的操作。当节点数量过大或更新操作过于频繁时，这在一定程度上会影响React的渲染性能。

由于key的存在，react可以准确地判断出该节点在新集合中是否存在，这极大地提高了diff效率。我们在开发过中进行列表渲染的时候，若没有加key，react会抛出警告要求开发者加上key，就是为了提高diff效率。但是加了key一定要比没加key的性能更高吗？我们再来看一个例子：

现在有一集合[1,2,3,4,5],渲染成如下的样子：
<div>1</div>
<div>2</div>
<div>3</div>
<div>4</div>
<div>5</div>
---------------
现在我们将这个集合的顺序打乱变成[1,3,2,5,4]。
1.加key
<div key='1'>1</div>      <div key='1'>1</div>   
<div key='2'>2</div>      <div key='3'>3</div> 
<div key='3'>3</div> ========> <div key='2'>2</div> 
<div key='4'>4</div>      <div key='5'>5</div> 
<div key='5'>5</div>      <div key='4'>4</div> 
操作：节点2移动至下标为2的位置，节点4移动至下标为4的位置。
2.不加key
<div>1</div>      <div>1</div>   
<div>2</div>      <div>3</div> 
<div>3</div> ========> <div>2</div> 
<div>4</div>      <div>5</div> 
<div>5</div>      <div>4</div> 
操作：修改第1个到第5个节点的innerText
---------------
如果我们对这个集合进行增删的操作改成[1,3,2,5,6]。
1.加key
<div key='1'>1</div>      <div key='1'>1</div>   
<div key='2'>2</div>      <div key='3'>3</div> 
<div key='3'>3</div> ========> <div key='2'>2</div> 
<div key='4'>4</div>      <div key='5'>5</div> 
<div key='5'>5</div>      <div key='6'>6</div> 
操作：节点2移动至下标为2的位置，新增节点6至下标为4的位置，删除节点4。
2.不加key
<div>1</div>      <div>1</div>   
<div>2</div>      <div>3</div> 
<div>3</div> ========> <div>2</div> 
<div>4</div>      <div>5</div> 
<div>5</div>      <div>6</div> 
操作：修改第1个到第5个节点的innerText
---------------
通过上面这两个例子我们发现：
由于dom节点的移动操作开销是比较昂贵的，没有key的情况下要比有key的性能更好。

通过上面的例子我们发现，虽然加了key提高了diff效率，但是未必一定提升了页面的性能。因此我们要注意这么一点：

对于简单列表页渲染来说，不加key要比加了key的性能更好

根据上面的情况，最后我们总结一下key的作用：

  • 准确判断出当前节点是否在旧集合中
  • 极大地减少遍历次数

应用实践

页面指定区域刷新

现在有这么一个需求，当用户身份变化时，当前页面重新加载数据。猛一看过去觉得非常简单，没啥难度的，只要在componentDidUpdate这个生命周期里去判断用户身份是否发生改变，如果发生改变就重新请求数据，于是就有了以下这一段代码：

import React from 'react';
import {connect} from 'react-redux';
let oldAuthType = '';//用来存储旧的用户身份
@connect(
  state=>state.user
)
class Page extends React.PureComponent{
  state={
    loading:true
  }
  loadMainData(){
    //这里采用了定时器去模拟数据请求
    this.setState({
      loading:true
    });
    const timer = setTimeout(()=>{
      this.setState({
        loading:false
      });
      clearTimeout(timer);
    },);
  }
  componentDidUpdate(){
    const {authType} = this.props;
    //判断当前用户身份是否发生了改变
    if(authType!==oldAuthType){
      //存储新的用户身份
      oldAuthType=authType;
      //重新加载数据
      this.loadMainData();
    }
  }
  componentDidMount(){
    oldAuthType=this.props.authType;
    this.loadMainData();
  }
  render(){
    const {loading} = this.state;
    return (
      <h>{`页面1${loading?'加载中...':'加载完成'}`}</h2>
    )
  }
}
export default Page;

看上去我们仅仅通过加上一段代码就完成了这一需求，但是当我们页面是几十个的时候，那这种方法就显得捉襟见肘了。哪有没有一个很好的方法来实现这个需求呢？其实很简单，利用react diff的特性就可以实现它。对于这个需求，实际上就是希望当前组件可以销毁在重新生成，那怎么才能让其销毁并重新生成呢？通过上面的总结我发现两种情况，可以实现组件的销毁并重新生成。

当组件类型发生改变当key值发生变化

接下来我们就结合这两个特点，用两种方法去实现。

第一种：引入一个loading组件。切换身份时设置loading为true，此时loading组件显示；切换身份完成，loading变为false，其子节点children显示。

<div className="g-main">{<!--{cke_protected}{C}%C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->loading?<Loading/>:children}</div>

第二种：在刷新区域加上一个key值就可以了，用户身份一改变，key值就发生改变。

<div className="g-main" key={authType}>{children}</div>

第一种和第二种取舍上，个人建议的是这样子的：

如果需要请求服务器的，用第一种，因为请求服务器会有一定等待时间，加入loading组件可以让用户有感知，体验更好。如果是不需要请求服务器的情况下，选用第二种，因为第二种更简单实用。

更加方便地监听props改变

针对这个需求，我们喜欢将搜索条件封装成一个组件，查询列表封装成一个组件。其中查询列表会接收一个查询参数的属性，如下所示：

import React from 'react';
import {Card} from 'antd';
import Filter from './components/filter';
import Teacher from './components/teacher';
export default class Demo extends React.PureComponent{
  state={
    filters:{
      name:undefined,
      height:undefined,
      age:undefined
    }
  }
  handleFilterChange=(filters)=>{
    this.setState({
      filters
    });
  }
  render(){
    const {filters} = this.state;
    return <Card>
      {/* 过滤器 */}      <Filter onChange={this.handleFilterChange}/>       {/* 查询列表 */}      <Teacher filters={filters}/>
    </Card>
  }
}

现在我们面临一个问题，如何在组件Teacher中监听filters的变化，由于filters是一个引用类型，想监听其变化变得有些复杂，好在lodash提供了比较两个对象的工具方法，使其简单了。但是如果后期给Teacher加了额外的props，此时你要监听多个props的变化时，你的代码将变得比较难以维护。针对这个问题，我们依旧可以通过key值去实现，当每次搜索时，重新生成一个key，那么Teacher组件就会重新加载了。代码如下：

import React from 'react';
import {Card} from 'antd';
import Filter from './components/filter';
import Teacher from './components/teacher';
export default class Demo extends React.PureComponent{
  state={
    filters:{
      name:undefined,
      height:undefined,
      age:undefined
    },
    tableKey:this.createTableKey()
  }
  createTableKey(){
    return Math.random().toString().substring(7);
  }
  handleFilterChange=(filters)=>{
    this.setState({
      filters,
      //重新生成tableKey
      tableKey:this.createTableKey()
    });
  }
  render(){
    const {filters,tableKey} = this.state;
    return <Card>
      {/* 过滤器 */}      <Filter onChange={this.handleFilterChange}/>       {/* 查询列表 */}      <Teacher key={tableKey} filters={filters}/>
    </Card>
  }
}

即使后期给Teacher加入新的props，也没有问题，只需拼接一下key即可：

 <Teacher key={`${tableKey}-${prop1}-${prop2}`} filters={filters} prop1={prop1} prop2={prop2}/>

react-router中Link问题

先看一下demo代码：

import React from 'react';
import {Card,Spin,Divider,Row,Col} from 'antd';
import {Link} from 'react-router-dom';
const bookList = [{
  bookId:'',
  bookName:'三国演义',
  author:'罗贯中'
},{
  bookId:'',
  bookName:'水浒传',
  author:'施耐庵'
}]
export default class Demo extends React.PureComponent{
  state={
    bookList:[],
    bookId:'',
    loading:true
  }
  loadBookList(bookId){
    this.setState({
      loading:true
    });
    const timer = setTimeout(()=>{
      this.setState({
        loading:false,
        bookId,
        bookList
      });
      clearTimeout(timer);
    },);
  }
  componentDidMount(){
    const {match} = this.props;
    const {params} = match;
    const {bookId} = params;
    this.loadBookList(bookId);
  }
  render(){
    const {bookList,bookId,loading} = this.state;
    const selectedBook = bookList.find((book)=>book.bookId===bookId);
    return <Card>
      <Spin spinning={loading}>
        {          selectedBook&&(<div>
            <img width="" src={`/static/images/book_cover_${bookId}.jpeg`}/>
            <h>书名：{selectedBook?selectedBook.bookName:'--'}</h4>
            <div>作者：{selectedBook?selectedBook.author:'--'}</div>
          </div>)        }        <Divider orientation="left">关联图书</Divider>
        <Row>
          {            bookList.filter((book)=>book.bookId!==bookId).map((book)=>{              const {bookId,bookName} = book;              return <Col span={}>
                <img width="" src={`/static/images/book_cover_${bookId}.jpeg`}/>
                <h><Link to={`/demo3/${bookId}`}>{bookName}</Link></h4>
              </Col>
            })          }        </Row>
      </Spin>
    </Card>
  }
}

通过演示gif，我们看到了地址栏的地址已经发生改变，但是并没有我们想象中那样从新走一遍componentDidMount去请求数据，这说明我们的组件并没有实现销毁并重新生成这么一个过程。解决这个问题你可以在componentDidUpdate去监听其改变：

  componentDidUpdate(){
    const {match} = this.props;
    const {params} = match;
    const {bookId} = params;
    if(bookId!==this.state.bookId){
      this.loadBookList(bookId);
    }
  }

前面我们说过如果是后期需要监听多个props的话，这样子后期维护比较麻烦.同样我们还是利用key去解决这个问题，首页我们可以将页面封装成一个组件BookDetail，并且在其外层再包裹一层，再去给BookDetail加key,代码如下：

import React from 'react';
import BookDetail from './bookDetail';
export default class Demo extends React.PureComponent{
  render(){
    const {match} = this.props;
    const {params} = match;
    const {bookId} = params;
    return <BookDetail key={bookId} bookId={bookId}/>
  }
}

这样的好处是我们代码结构更加清晰，后续拓展新功能比较简单。

结语

React的高效得益于其Virtual DOM+React diff的体系。diff算法并非react独创，react只是在传统diff算法做了优化。但因为其优化，将diff算法的时间复杂度一下子从O(n^3)降到O(n)。

React diff的三大策略：

  • Web UI中DOM节点跨层级的移动操作特别少，可以忽略不计。
  • 拥有相同类的两个组件将会生成相似的树形结构，拥有不同类的两个组件将会生成不同的树形结构。
  • 对于同一层级的一组子节点，它们可以通过唯一 id 进行区分。

在开发组件时，保持稳定的 DOM 结构会有助于性能的提升。

在开发过程中，尽量减少类似将最后一个节点移动到列表首部的操作。key的存在是为了提升diff效率，但未必一定就可以提升性能，记住简单列表渲染情况下，不加key要比加key的性能更好。

懂得借助react diff的特性去解决我们实际开发中的一系列问题。

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