react diff算法浅析

diff算法作为Virtual DOM的加速器，其算法的改进优化是React整个界面渲染的基础和性能的保障，同时也是React源码中最神秘的，最不可思议的部分

1.传统diff算法

计算一棵树形结构转换为另一棵树形结构需要最少步骤，如果使用传统的diff算法通过循环递归遍历节点进行对比，其复杂度要达到O(n^3)，其中n是节点总数，效率十分低下，假设我们要展示1000个节点，那么我们就要依次执行上十亿次的比较。

下面附上一则简单的传统diff算法：

let result = [];
// 比较叶子节点
const diffLeafs = function (beforeLeaf, afterLeaf) {
    // 获取较大节点树的长度
    let count = Math.max(beforeLeaf.children.length, afterLeaf.children.length);
    // 循环遍历
    for (let i = 0; i < count; i++) {
        const beforeTag = beforeLeaf.children[i];
        const afterTag = afterLeaf.children[i];
        // 添加 afterTag 节点
        if (beforeTag === undefined) {
            result.push({ type: "add", element: afterTag });
            // 删除 beforeTag 节点
        } else if (afterTag === undefined) {
            result.push({ type: "remove", element: beforeTag });
            // 节点名改变时，删除 beforeTag 节点，添加 afterTag 节点
        } else if (beforeTag.tagName !== afterTag.tagName) {
            result.push({ type: "remove", element: beforeTag });
            result.push({ type: "add", element: afterTag });
            // 节点不变而内容改变时，改变节点
        } else if (beforeTag.innerHTML !== afterTag.innerHTML) {
            if (beforeTag.children.length === 0) {
                result.push({
                    type: "changed",
                    beforeElement: beforeTag,
                    afterElement: afterTag,
                    html: afterTag.innerHTML
                });
            } else {
                // 递归比较
                diffLeafs(beforeTag, afterTag);
            }
        }
    }
    return result;
}

2.react diff算法

1. diff策略
下面介绍一下react diff算法的3个策略

  • 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。

对于以上三个策略，react分别对tree diff,component diff,element diff进行算法优化。

2.tree diff
基于策略一，WebUI中DOM节点跨层级的移动操作少的可以忽略不计，React对Virtual DOM树进行层级控制，只会对相同层级的DOM节点进行比较，即同一个父元素下的所有子节点，当发现节点已经不存在了，则会删除掉该节点下所有的子节点，不会再进行比较。这样只需要对DOM树进行一次遍历，就可以完成整个树的比较。复杂度变为O(n);

疑问：当我们的DOM节点进行跨层级操作时，diff会有怎么样的表现呢？

如下图所示，A节点及其子节点被整个移动到D节点下面去，由于React只会简单的考虑同级节点的位置变换，而对于不同层级的节点，只有创建和删除操作，所以当根节点发现A节点消失了，就会删除A节点及其子节点，当D发现多了一个子节点A，就会创建新的A作为其子节点。
此时，diff的执行情况是：

createA-->createB-->createC-->deleteA

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，而是会进行删除，重新创建的动作，这是一种很影响React性能的操作。因此官方也不建议进行DOM节点跨层级的操作。

3.componnet diff
React是基于组件构建应用的，对于组件间的比较所采用的策略也是非常简洁和高效的。

  • 如果是同一个类型的组件，则按照原策略进行Virtual DOM比较。
  • 如果不是同一类型的组件，则将其判断为dirty component，从而替换整个组件下的所有子节点。
  • 如果是同一个类型的组件，有可能经过一轮Virtual DOM比较下来，并没有发生变化。如果我们能够提前确切知道这一点，那么就可以省下大量的diff运算时间。因此，React允许用户通过shouldComponentUpdate()来判断该组件是否需要进行diff算法分析。

如下图所示，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是不用类型的组件，就不会比较两者的结构，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，进行diff算法分析会影响性能，但是毕竟不同类型的组件存在相似DOM树的情况在实际开发过程中很少出现，因此这种极端因素很难在实际开发过程中造成重大影响。


4.element diff
当节点属于同一层级时，diff提供了3种节点操作，分别为INSERT_MARKUP(插入)，MOVE_EXISTING(移动),REMOVE_NODE(删除)。

  • INSERT_MARKUP:新的组件类型不在旧集合中，即全新的节点，需要对新节点进行插入操作。
  • MOVE_EXISTING:旧集合中有新组件类型，且element是可更新的类型，这时候就需要做移动操作，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。

以下这种情况：



我们希望可以在B和C之间加一个F，Diff算法默认执行起来是这样的：




即把C更新成F，D更新成C，E更新成D，最后再插入E，是不是很没有效率？

所以我们需要使用key来给每个节点做一个唯一标识，Diff算法就可以正确的识别此节点，找到正确的位置区插入新的节点。


所以key的作用主要是为了高效的更新虚拟DOM（vue中在使用相同标签名元素的过渡切换时，也会使用到key属性，其目的也是为了让vue可以区分它们，否则vue只会替换其内部属性而不会触发过渡效果）。

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,
  });
}

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


React 发现这类操作繁琐冗余，因为这些都是相同的节点，但由于位置发生变化，导致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。

针对这一现象，React 提出优化策略：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！

新老集合所包含的节点，如下图所示，新老集合进行 diff 差异化对比，通过 key 发现新老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，只需要将老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。



那么，如此高效的 diff 到底是如何运作的呢？让我们通过源码进行详细分析。

首先对新集合的节点进行循环遍历，for (name in nextChildren)，通过唯一 key 可以判断新老集合中是否存在相同的节点，if (prevChild === nextChild)，如果存在相同节点，则进行移动操作，但在移动前需要将当前节点在老集合中的位置与 lastIndex 进行比较，if (child._mountIndex < lastIndex)，则进行节点移动操作，否则不执行该操作。这是一种顺序优化手段，lastIndex 一直在更新，表示访问过的节点在老集合中最右的位置（即最大的位置），如果新集合中当前访问的节点比 lastIndex 大，说明当前访问节点在老集合中就比上一个节点位置靠后，则该节点不会影响其他节点的位置，因此不用添加到差异队列中，即不执行移动操作，只有当访问的节点比 lastIndex 小时，才需要进行移动操作。

以上图为例，可以更为清晰直观的描述 diff 的差异对比过程：

  • 从新集合中取得 B，判断老集合中存在相同节点 B，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此时 lastIndex = 0，不满足 child._mountIndex < lastIndex 的条件，因此不对 B 进行移动操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，其中 prevChild._mountIndex 表示 B 在老集合中的位置，则 lastIndex ＝ 1，并将 B 的位置更新为新集合中的位置prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中 B._mountIndex = 0，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 A，判断老集合中存在相同节点 A，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，A 在老集合中的位置 A._mountIndex = 0，此时 lastIndex = 1，满足 child._mountIndex < lastIndex的条件，因此对 A 进行移动操作enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)，其中 toIndex 其实就是 nextIndex，表示 A 需要移动到的位置；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 1，并将 A 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中A._mountIndex = 1，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 D，判断老集合中存在相同节点 D，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，D 在老集合中的位置 D._mountIndex = 3，此时 lastIndex = 1，不满足 child._mountIndex < lastIndex的条件，因此不对 D 进行移动操作；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 3，并将 D 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中D._mountIndex = 2，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 C，判断老集合中存在相同节点 C，通过对比节点位置判断是否进行移动操作，C 在老集合中的位置 C._mountIndex = 2，此时 lastIndex = 3，满足 child._mountIndex < lastIndex 的条件，因此对 C 进行移动操作 enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex)；更新 lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex)，则 lastIndex ＝ 3，并将 C 的位置更新为新集合中的位置 prevChild._mountIndex = nextIndex，此时新集合中 C._mountIndex = 3，nextIndex++ 进入下一个节点的判断，由于 C 已经是最后一个节点，因此 diff 到此完成。

以上主要分析新老集合中存在相同节点但位置不同时，对节点进行位置移动的情况，如果新集合中有新加入的节点且老集合存在需要删除的节点，那么 React diff 又是如何对比运作的呢？

以下图为例：

  • 从新集合中取得 B，判断老集合中存在相同节点 B，由于 B 在老集合中的位置 B._mountIndex = 1，此时lastIndex = 0，因此不对 B 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 1，并将 B 的位置更新为新集合中的位置B._mountIndex = 0，nextIndex++进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 E，判断老集合中不存在相同节点 E，则创建新节点 E；更新 lastIndex ＝ 1，并将 E 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 C，判断老集合中存在相同节点 C，由于 C 在老集合中的位置C._mountIndex = 2，lastIndex = 1，此时 C._mountIndex > lastIndex，因此不对 C 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 2，并将 C 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 从新集合中取得 A，判断老集合中存在相同节点 A，由于 A 在老集合中的位置A._mountIndex = 0，lastIndex = 2，此时 A._mountIndex < lastIndex，因此对 A 进行移动操作；更新 lastIndex ＝ 2，并将 A 的位置更新为新集合中的位置，nextIndex++ 进入下一个节点的判断。

  • 当完成新集合中所有节点 diff 时，最后还需要对老集合进行循环遍历，判断是否存在新集合中没有但老集合中仍存在的节点，发现存在这样的节点 D，因此删除节点 D，到此 diff 全部完成。

_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) {
      // 移动节点
      this.moveChild(prevChild, nextIndex, lastIndex);
      lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
      prevChild._mountIndex = nextIndex;
    } else {
      if (prevChild) {
        lastIndex = Math.max(prevChild._mountIndex, lastIndex);
        // 删除节点
        this._unmountChild(prevChild);
      }
      // 初始化并创建节点
      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;
},
// 移动节点
moveChild: function(child, toIndex, lastIndex) {
  if (child._mountIndex < lastIndex) {
    this.prepareToManageChildren();
    enqueueMove(this, child._mountIndex, toIndex);
  }
},
// 创建节点
createChild: function(child, mountImage) {
  this.prepareToManageChildren();
  enqueueInsertMarkup(this, mountImage, child._mountIndex);
},
// 删除节点
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);
},

当然，React diff 还是存在些许不足与待优化的地方，如下图所示，若新集合的节点更新为：D、A、B、C，与老集合对比只有 D 节点移动，而 A、B、C 仍然保持原有的顺序，理论上 diff 应该只需对 D 执行移动操作，然而由于 D 在老集合的位置是最大的，导致其他节点的 _mountIndex < lastIndex，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。

总结

  • React 通过制定大胆的 diff 策略，将 O(n3) 复杂度的问题转换成 O(n) 复杂度的问题；

  • React 通过分层求异的策略，对 tree diff 进行算法优化；

  • React 通过相同类生成相似树形结构，不同类生成不同树形结构的策略，对 component diff 进行算法优化；

  • React 通过设置唯一 key的策略，对 element diff 进行算法优化；

  • 建议，在开发组件时，保持稳定的 DOM 结构会有助于性能的提升；

  • 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，在一定程度上会影响 React 的渲染性能。

本文参考：https://blog.csdn.net/qq_26708777/article/details/78107577
https://calendar.perfplanet.com/2013/diff/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/20346379?refer=purerender

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