沐游虞笔记
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luzhichang
2024-10-17
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图解diff算法

# 图解 diff 算法

面试题：React 中的 diff 算法有没有了解过？具体的流程是怎么样的？React 为什么不采用 Vue 的双端对比算法？

Render 阶段会生成 Fiber Tree，所谓的 diff 实际上就是发生在这个阶段，这里的 diff 指的是 current FiberNode 和 JSX 对象之间进行对比，然后生成新的的 wip FiberNode。

除了 React 以外，其他使用到了虚拟 DOM 的前端框架也会有类似的流程，比如 Vue 里面将这个流程称之为 patch。

diff 算法本身是有性能上面的消耗，在 React 文档中有提到，即便采用最前沿的算法，如果要完整的对比两棵树，那么算法的复杂度都会达到 O(n^3)，n 代表的是元素的数量，如果 n 为 1000，要执行的计算量会达到十亿量级的级别。

因此，为了降低算法的复杂度，React 为 diff 算法设置了 3 个限制：

  • 限制一：只对同级别元素进行 diff，如果一个 DOM 元素在前后两次更新中跨越了层级，那么 React 不会尝试复用它
  • 限制二：两个不同类型的元素会产生不同的树。比如元素从 div 变成了 p，那么 React 会直接销毁 div 以及子孙元素，新建 p 以及 p 对应的子孙元素
  • 限制三：开发者可以通过 key 来暗示哪些子元素能够保持稳定

更新前：

<div>
  <p key="one">one</p>
  <h3 key="two">two</h3>
</div>

更新后

<div>
  <h3 key="two">two</h3>
  <p key="one">one</p>
</div>

如果没有 key，那么 React 就会认为 div 的第一个子元素从 p 变成了 h3，第二个子元素从 h3 变成了 p，因此 React 就会采用限制二的规则。

但是如果使用了 key，那么此时的 DOM 元素是可以复用的，只不过前后交换了位置而已。

接下来我们回头再来看限制一，对同级元素进行 diff，究竟是如何进行 diff ？整个 diff 的流程可以分为两大类：

  • 更新后只有一个元素，此时就会根据 newChild 创建对应的 wip FiberNode，对应的流程就是单节点 diff
  • 更新后有多个元素，此时就会遍历 newChild 创建对应的 wip FiberNode 已经它的兄弟元素，此时对应的流程就是多节点 diff

# 单节点 diff

单节点指的是新节点为单一节点，但是旧节点的数量是不一定

单节点 diff 是否能够复用遵循以下的流程：

  • 判断 key 是否相同
    • 如果更新前后没有设置 key，那么 key 就是 null，也是属于相同的情况
    • 如果 key 相同，那么就会进入到步骤二
    • 如果 key 不同，就不需要进入步骤，无需判断 type，结果直接为不能复用（如果有兄弟节点还会去遍历兄弟节点）
  • 如果 key 相同，再判断 type 是否相同
    • 如果 type 相同，那么就复用
    • 如果 type 不同，无法复用（并且兄弟节点也一并标记为删除）

更新前

<ul>
  <li>1</li>
  <li>2</li>
  <li>3</li>
</ul>

更新后

<ul>
  <p>1</p>
</ul>

这里因为没有设置 key，所以会被设为 key 是相同的，接下来就会进入到 type 的判断，此时发现 type 不同，因此不能够复用。

既然这里唯一的可能性都已经不能够复用，会直接标记兄弟 FiberNode 为删除状态。

如果上面的例子中，key 不同只能代表当前的 FiberNode 无法复用，因此还需要去遍历兄弟的 FiberNode

下面我们再来看一些示例

更新前

<div>one</div>

更新后

<p>one</p>

没有设置 key，那么可以认为默认 key 就是 null，更新前后两个 key 是相同的，接下来就查看 type，发现 type 不同，因此不能复用。

更新前

<div key="one">one</div>

更新后

<div key="two">one</div>

更新前后 key 不同，不需要再判断 type，结果为不能复用

更新前

<div key="one">one</div>

更新后

<p key="two">one</p>

更新前后 key 不同，不需要再判断 type，结果为不能复用

更新前

<div key="one">one</div>

更新后

<div key="one">two</div>

首先判断 key 相同，接下来判断 type 发现也是相同，这个 FiberNode 就能够复用，children 是一个文本节点，之后将文本节点更新即可。

# 多节点 diff

所谓多节点 diff，指的是新节点有多个。

React 团队发现，在日常开发中，对节点的更新操作的情况往往要多余对节点“新增、删除、移动”，因此在进行多节点 diff 的时候，React 会进行两轮遍历：

  • 第一轮遍历会尝试逐个的复用节点
  • 第二轮遍历处理上一轮遍历中没有处理完的节点

# 第一轮遍历

第一轮遍历会从前往后依次进行遍历，存在三种情况：

  • 如果新旧子节点的key 和 type 都相同，说明可以复用
  • 如果新旧子节点的 key 相同，但是 type 不相同，这个时候就会根据 ReactElement 来生成一个全新的 fiber，旧的 fiber 被放入到 deletions 数组里面，回头统一删除。但是注意，此时遍历并不会终止
  • 如果新旧子节点的 key 和 type 都不相同，结束遍历

示例一

更新前

<div>
	<div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="c">c</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

更新后

<div>
	<div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="e">e</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

首先遍历到 div.key.a，发现该 FiberNode 能够复用

image-20230228112653938

继续往后面走，发现 div.key.b 也能够复用

image-20230228155145634

接下来继续往后面走，div.key.e，这个时候发现 key 不一样，因此第一轮遍历就结束了

image-20230228155345381

示例二

更新前

<div>
	<div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="c">c</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

更新后

<div>
	<div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <p key="c">c</p>
  <div key="d">d</div>
</div>

首先和上面的一样，div.key.a 和 div.key.b 这两个 FiberNode 可以进行复用，接下来到了第三个节点，此时会发现 key 是相同的，但是 type 不相同，此时就会将对应的旧的 FiberNode 放入到一个叫 deletions 的数组里面，回头统一进行删除，根据新的 React 元素创建一个新的 FiberNode，但是此时的遍历是不会结束的

image-20230228155011306

接下来继续往后面进行遍历，遍历什么时候结束呢？

  • 到末尾了，也就是说整个遍历完了
  • 或者是和示例一相同，可以 key 不同
image-20230228155725123

# 第二轮遍历

如果第一轮遍历被提前终止了，那么意味着有新的 React 元素或者旧的 FiberNode 没有遍历完，此时就会采用第二轮遍历

第二轮遍历会处理这么三种情况：

  • 只剩下旧子节点：将旧的子节点添加到 deletions 数组里面直接删除掉（删除的情况）

  • 只剩下新的 JSX 元素：根据 ReactElement 元素来创建 FiberNode 节点（新增的情况）

  • 新旧子节点都有剩余：会将剩余的 FiberNode 节点放入一个 map 里面，遍历剩余的新的 JSX 元素，然后从 map 中去寻找能够复用的 FiberNode 节点，如果能够找到，就拿来复用。（移动的情况）

    如果不能找到，就新增呗。然后如果剩余的 JSX 元素都遍历完了，map 结构中还有剩余的 Fiber 节点，就将这些 Fiber 节点添加到 deletions 数组里面，之后统一做删除操作

只剩下旧子节点

更新前

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="c">c</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

更新后

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
</div>

遍历前面两个节点，发现能够复用，此时就会复用前面的节点，对于 React 元素来讲，遍历完前面两个就已经遍历结束了，因此剩下的FiberNode就会被放入到 deletions 数组里面，之后统一进行删除

image-20230228160357510

只剩下新的 JSX 元素

更新前

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
</div>

更新后

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="c">c</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

根据新的 React 元素新增对应的 FiberNode 即可。

image-20230228160557549

新旧子节点都有剩余

更新前

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="c">c</div>
  <div key="d">d</div>
</div>

更新后

<div>
  <div key="a">a</div>
  <div key="c">b</div>
  <div key="b">b</div>
  <div key="e">e</div>
</div>

首先会将剩余的旧的 FiberNode 放入到一个 map 里面

image-20230228161414334

接下来会继续去遍历剩下的 JSX 对象数组，遍历的同时，从 map 里面去找有没有能够复用

image-20230228161859070

如果在 map 里面没有找到，那就会新增这个 FiberNode，如果整个 JSX 对象数组遍历完成后，map 里面还有剩余的 FiberNode，说明这些 FiberNode 是无法进行复用，直接放入到 deletions 数组里面，后期统一进行删除。

image-20230228162152734

# 双端对比算法

所谓双端，指的是在新旧子节点的数组中，各用两个指针指向头尾的节点，在遍历的过程中，头尾两个指针同时向中间靠拢。

因此在新子节点数组中，会有两个指针，newStartIndex 和 newEndIndex 分别指向新子节点数组的头和尾。在旧子节点数组中，也会有两个指针，oldStartIndex 和 oldEndIndex 分别指向旧子节点数组的头和尾。

image-20230228165007200

每遍历到一个节点，就尝试进行双端比较：「新前 vs 旧前」、「新后 vs 旧后」、「新后 vs 旧前」、「新前 vs 旧后」，如果匹配成功，更新双端的指针。比如，新旧子节点通过「新前 vs 旧后」匹配成功，那么 newStartIndex += 1，oldEndIndex -= 1。

如果新旧子节点通过「新后 vs 旧前」匹配成功，还需要将「旧前」对应的 DOM 节点插入到「旧后」对应的 DOM 节点之前。如果新旧子节点通过「新前 vs 旧后」匹配成功，还需要将「旧后」对应的 DOM 节点插入到「旧前」对应的 DOM 节点之前。

实际上在 React 的源码中，解释了为什么不使用双端 diff

function reconcileChildrenArray(
returnFiber: Fiber,
 currentFirstChild: Fiber | null,
 newChildren: Array<*>,
 expirationTime: ExpirationTime,
): Fiber | null {
    // This algorithm can't optimize by searching from boths ends since we
    // don't have backpointers on fibers. I'm trying to see how far we can get
    // with that model. If it ends up not being worth the tradeoffs, we can
    // add it later.

    // Even with a two ended optimization, we'd want to optimize for the case
    // where there are few changes and brute force the comparison instead of
    // going for the Map. It'd like to explore hitting that path first in
    // forward-only mode and only go for the Map once we notice that we need
    // lots of look ahead. This doesn't handle reversal as well as two ended
    // search but that's unusual. Besides, for the two ended optimization to
    // work on Iterables, we'd need to copy the whole set.

    // In this first iteration, we'll just live with hitting the bad case
    // (adding everything to a Map) in for every insert/move.

    // If you change this code, also update reconcileChildrenIterator() which
    // uses the same algorithm.
｝

将上面的注视翻译成中文如下：

由于双端 diff 需要向前查找节点，但每个 FiberNode 节点上都没有反向指针，即前一个 FiberNode 通过 sibling 属性指向后一个 FiberNode，只能从前往后遍历，而不能反过来，因此该算法无法通过双端搜索来进行优化。

React 想看下现在用这种方式能走多远，如果这种方式不理想，以后再考虑实现双端 diff。React 认为对于列表反转和需要进行双端搜索的场景是少见的，所以在这一版的实现中，先不对 bad case 做额外的优化。

# 真题解答

题目：React 中的 diff 算法有没有了解过？具体的流程是怎么样的？React 为什么不采用 Vue 的双端对比算法？

参考答案：

diff 计算发生在更新阶段，当第一次渲染完成后，就会产生 Fiber 树，再次渲染的时候（更新），就会拿新的 JSX 对象（vdom）和旧的 FiberNode 节点进行一个对比，再决定如何来产生新的 FiberNode，它的目标是尽可能的复用已有的 Fiber 节点。这个就是 diff 算法。

在 React 中整个 diff 分为单节点 diff 和多节点 diff。

所谓单节点是指新的节点为单一节点，但是旧节点的数量是不一定的。

单节点 diff 是否能够复用遵循如下的顺序：

  1. 判断 key 是否相同

    • 如果更新前后均未设置 key，则 key 均为 null，也属于相同的情况

    • 如果 key 相同，进入步骤二

    • 如果 key 不同，则无需判断 type，结果为不能复用（有兄弟节点还会去遍历兄弟节点）

  2. 如果 key 相同，再判断 type 是否相同

    • 如果 type 相同，那么就复用
    • 如果 type 不同，则无法复用（并且兄弟节点也一并标记为删除）

多节点 diff 会分为两轮遍历：

第一轮遍历会从前往后进行遍历，存在以下三种情况：

  • 如果新旧子节点的key 和 type 都相同，说明可以复用
  • 如果新旧子节点的 key 相同，但是 type 不相同，这个时候就会根据 ReactElement 来生成一个全新的 fiber，旧的 fiber 被放入到 deletions 数组里面，回头统一删除。但是注意，此时遍历并不会终止
  • 如果新旧子节点的 key 和 type 都不相同，结束遍历

如果第一轮遍历被提前终止了，那么意味着还有新的 JSX 元素或者旧的 FiberNode 没有被遍历，因此会采用第二轮遍历去处理。

第二轮遍历会遇到三种情况：

  • 只剩下旧子节点：将旧的子节点添加到 deletions 数组里面直接删除掉（删除的情况）

  • 只剩下新的 JSX 元素：根据 ReactElement 元素来创建 FiberNode 节点（新增的情况）

  • 新旧子节点都有剩余：会将剩余的 FiberNode 节点放入一个 map 里面，遍历剩余的新的 JSX 元素，然后从 map 中去寻找能够复用的 FiberNode 节点，如果能够找到，就拿来复用。（移动的情况）

    如果不能找到，就新增呗。然后如果剩余的 JSX 元素都遍历完了，map 结构中还有剩余的 Fiber 节点，就将这些 Fiber 节点添加到 deletions 数组里面，之后统一做删除操作

整个 diff 算法最最核心的就是两个字“复用”。

React 不使用双端 diff 的原因：

由于双端 diff 需要向前查找节点，但每个 FiberNode 节点上都没有反向指针，即前一个 FiberNode 通过 sibling 属性指向后一个 FiberNode，只能从前往后遍历，而不能反过来，因此该算法无法通过双端搜索来进行优化。

React 想看下现在用这种方式能走多远，如果这种方式不理想，以后再考虑实现双端 diff。React 认为对于列表反转和需要进行双端搜索的场景是少见的，所以在这一版的实现中，先不对 bad case 做额外的优化。

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