构建你自己的 React 框架

原文链接：https://pomb.us/build-your-own-react/

我们将从头开始，遵循真实的 React 源码架构，排除掉所有的优化和非必要的功能。一步一步地重新构建我们自己版本的 React。

这篇文章与你所阅读过其他相同主题的文章最大不同是基于 React 16.8 版本，因此我们可以使用钩子，并且删除所有与类相关的代码。

开始我们的教程之前，明确以下内容将是我们自己版本 React 的所有内容：

1. createElement()：创建节点对象
2. render()：渲染节点对象到 DOM
3. Concurrent Mode：实现 JS 任务和 GUI 任务平衡
4. Fibers：构建虚拟 DOM 对象
5. Render and Commit Phases：收集变更，提交整体
6. Reconciliation：处理变更收集
7. Function Component：实现函数式组件
8. Hooks：实现 useState 钩子

0. 回顾

首先让我们回顾一些 React 相关的基础概念，如果你已经非常熟悉 React、JSX 和 DOM 元素的工作原理，你可以跳过此步骤。

const element = <h1 title="foo">Hello</h1>;
const container = document.getElementById("root");
ReactDOM.render(element, container);

最简单的 React 应用仅仅只需三行代码：第一行定义一个 React 节点元素，第二行从 DOM 中获取一个节点作为容器，最后一行调用 render 函数渲染 React 节点元素到容器中。

现在让我们删除所有 React 特殊语法（JSX）的代码，用原生 JavaScript 代码代替。

第一行代码定义一个节点元素使用到了 JSX 语法，它不是合法的 JavaScript 代码，让我们用原生语法替换它。

JSX 语法是通过 Babel 等构建工具在编译时转换为 JavaScript 的，它的转换过程十分简单：将标签替换为 createElement 的函数，依次传递参数标签名、标签属性和所有子节点，子节点转换过程递归进行。

这也是为什么用到 jsx 语法需要引入import React from 'react'的原因。

const element = <h1 title="foo">Hello</h1>;

// 编译后
const element = React.createElement("h1", { title: "foo" }, "Hello");

React.createElement 使用传递的参数创建一个对象，处理一些验证之外，没有其他额外功能。因此我们也可以将函数调用替换为其输出结果。

const element = React.createElement("h1", { title: "foo" }, "Hello");

// 替换后
const element = {
  type: "h1",
  props: {
    title: "foo",
    children: "Hello",
  },
};

所以一个 React 节点元素可以被简单描述为：一个具有两个属性 type 和 props 的对象（当然，它有更多的属性，但是我们只关心这两个）。

1. createElement()：创建节点对象

现在我们来自己实现创建节点对象的过程，就从替换 React.createElement 开始。

从 JSX 到 JS 的转换过程中，编译之后的代码调用的 createElement 函数，上一节中说明了一个节点会被描述为具有两个属性 type 和 props 的对象。所以函数唯一需要做的就是通过参数构造一个对象：

function createElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props: {
      ...props,
      children,
    },
  };
}

children的类型可能会进一步嵌套，为了归一化处理，新增一个函数构造直接用于显示文本的节点

function createElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props: {
      ...props,
      // 思考：为什么不需要处理object类型的child？
      children: children.map((child) =>
        typeof child === "object" ? child : createTextElement(child)
      ),
    },
  };
}
function createTextElement(text) {
  return {
    type: "TEXT_ELEMENT",
    props: {
      nodeValue: text,
      children: [],
    },
  };
}

想要使用我们自己的函数处理 JSX，需要配置 tsconfig.json，如果有必要关闭一些检查。

{
  "compilerOptions": {
    "jsxFactory": "Didact.createElement"
  }
}

2. render()：渲染节点对象到 DOM

通过深度递归遍历 js 对象可以依次构造 dom 节点，最后挂载到根容器

function render(element, container) {
  const dom =
    element.type === "TEXT_ELEMENT"
      ? document.createTextNode("")
      : document.createElement(element.type);

  // 不为children的属性都复制到dom节点上
  const isProperty = (key) => key !== "children";
  Object.keys(element.props)
    .filter(isProperty)
    .forEach((name) => {
      dom[name] = element.props[name];
    });

  // 递归构建dom树
  element.props.children.forEach((child) => render(child, dom));

  // 挂载到父节点
  container.appendChild(dom);
}

3. Concurrent Mode：实现 JS 任务和 GUI 任务平衡

上一节的渲染方式有一个很大的问题：递归没法停止，一旦开始无法结束。如果元素树很大，它可能长时间阻塞主线程。如果浏览器需要做一些高优先级的事情，比如处理用户输入或者保持动画的平滑，它将不得不等待渲染完成。

所以我们将把工作分解成小单元，在我们完成每个单元后，如果有任何其他需要完成的事情，我们将让浏览器中断渲染。

我们使用 requestIdleCallback 来进行循环。你可以将 requestIdleCallback 看作是 setTimeout，但是我们不告诉它何时运行，浏览器将在主线程空闲时运行回调。

React 不使用 requestIdleCallback，它使用自己构建的 scheduler 库，但是概念上是相同的。

let nextUnitOfWork = null;

function workLoop(deadline) {
  let shouldYield = false;
  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    // 执行单元任务
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    // 通过剩余时间判断是否需要立刻交还执行权
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1;
  }
  // 执行权交还给浏览器
  requestIdleCallback(workLoop);
}

requestIdleCallback(workLoop);

function performUnitOfWork(nextUnitOfWork) {
  // TODO 处理单元任务
}

4. Fibers：构建虚拟 DOM 对象

在处理单元任务之前，我们需要明确如何切分任务。未优化之前一口气处理一整棵 dom 树，现在可以很自然地根据数据结构切分，我们将 dom 树每个节点的处理视为一个单元任务。对于每个节点的处理 React 构造了一个特殊的对象：Fiber，其实和我们之前了解的虚拟 dom 对象没什么不同。

下面我们开始讲解如何使用 Fiber 对象描述 dom 结构：

<div>
  <h1>
    <p />
    <a />
  </h1>
  <h2 />
</div>

使用这样数据结构的目标之一是使查找下一个工作单元变得容易。 这就是为什么每个 Fiber 对象都链接到其第一个子节点，下一个兄弟节点和父节点。

在render函数中，我们会创建根 Fiber 然后设置其为第一个nextUnitOfWork，剩余任务将全部交给performUnitOfWork处理和 requestIdleCallback调度，对于每一个节点 Fiber，会做一下三件事情：

1. 添加节点元素到dom
2. 遍历节点的children属性创建Fiber对象
3. 设置一个Fiber对象作为下一个单元任务

当我们完成一个 Fiber 对象的工作后，如果它有 child，就把 child 构建为 Fiber 对象然后设置为下一个单元任务。

如果没有 child，就会使用此节点的 sibling 作为下一个目标

如果既没有 child 也没有 sibling，那么会回到父节点，如果父节点也没有 child 和 sibling，就会回到爷爷节点，依次类推。

回到代码，移除render函数的代码，将创建 dom 的逻辑拎出来

function createDom(fiber) {
  const dom =
    fiber.type == "TEXT_ELEMENT"
      ? document.createTextNode("")
      : document.createElement(fiber.type)
​
  const isProperty = key => key !== "children"

  Object.keys(fiber.props)
    .filter(isProperty)
    .forEach(name => {
      dom[name] = fiber.props[name]
    })
​
  return dom
}
​
function render(element, container) {}

接着构造根 Fiber 对象作为第一个单元任务，然后准备处理任务

function render(element, container) {
  nextUnitOfWork = {
    dom: container,
    props: {
      children: [element],
    },
  };
}

function performUnitOfWork(fiber) {
  // TODO 添加节点元素到dom
  // TODO 遍历节点的children属性创建Fiber对象
  // TODO 设置一个Fiber对象作为下一个单元任务
}

最后依次实现 TODO 即可

function performUnitOfWork(fiber) {
  // 添加节点元素到dom
  // 如果没有dom属性，根据fiber新构建
  if (!fiber.dom) {
    fiber.dom = createDom(fiber);
  }
  // 如果存在父节点，将dom挂载
  if (fiber.parent) {
    fiber.parent.dom.appendChild(fiber.dom);
  }

  // 遍历节点的children属性创建Fiber对象
  const elements = fiber.props.children;
  let index = 0;
  let prevSibling = null;
  while (index < elements.length) {
    const element = elements[index];
    const newFiber = {
      type: element.type,
      props: element.props,
      parent: fiber,
      dom: null,
    };
    // 父fiber的child指向第一个子fiber
    if (index === 0) {
      fiber.child = newFiber;
    } else {
      // 如果存在兄弟节点，通过sibling关联
      prevSibling.sibling = newFiber;
    }
    // 暂存上一个兄弟节点
    prevSibling = newFiber;
    index++;
  }

  // 设置一个Fiber对象作为下一个单元任务
  // 优先使用父fiber的child
  if (fiber.child) {
    return fiber.child;
  }
  let nextFiber = fiber;
  while (nextFiber) {
    // 其次使用父fiber的sibling
    if (nextFiber.sibling) {
      return nextFiber.sibling;
    }
    // 如果没有回退到父节点的parent
    nextFiber = nextFiber.parent;
  }
}

5. Render and Commit Phases：收集变更，提交整体

运行一下看起来不错，但是仍然存在一个很大的问题：我们通过遍历 fiber 树的方式依次向 dom 上添加节点元素，运行过程依赖浏览器 API requestIdleCallback的调度，它不是同步的，一些优先级更高的任务可能会提前执行，从而阻塞或延迟我们的 dom 渲染，有可能会出现渲染不完整的 dom 情况。解决思路是把操作 dom 的逻辑和调度分离，从而同步完成 dom 的整体渲染。

首先移除操作 dom 的代码

function performUnitOfWork(fiber) {
  // 移除dom操作
  // if (fiber.parent) {
  //   fiber.parent.dom.appendChild(fiber.dom);
  // }
}

通过一个全局变量追踪正在处理的根 fiber

function render(element, container) {
  wipRoot = {
    dom: container,
    props: {
      children: [element],
    },
  }
  nextUnitOfWork = wipRoot
}
​
let wipRoot = null

在调度模块中，如果没有下一个单元任务且进行中的根节点存在，就提交整个 dom 树

function commitRoot() {
  // 从根节点的child开始
  commitWork(wipRoot.child);
  // 完成后置空进行中根节点
  wipRoot = null;
}

function commitWork(fiber) {
  // child和sibling可能为undefined
  if (!fiber) {
    return;
  }
  const domParent = fiber.parent.dom;
  domParent.appendChild(fiber.dom);
  commitWork(fiber.child);
  commitWork(fiber.sibling);
}

function workLoop(deadline) {
  let shouldYield = false;

  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    // 执行单元任务
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    // 通过剩余时间判断是否需要立刻交还执行权
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1;
  }

  // 没有下一个单元任务且进行中的根节点存在
  if (!nextUnitOfWork && wipRoot) {
    commitRoot();
  }

  // 执行权交还给浏览器
  requestIdleCallback(workLoop);
}

6. Reconciliation：处理变更收集

目前为止，我们仅仅是添加节点，但是如何更新或删除节点呢？

将 render 函数接受的节点和最后一次构建的 fiber 树进行对比，以此来确定节点的添加、更新和删除。所以我们需要在每次提交渲染后保存刚构建的 fiber 树，并且为每个 fiber 对象添加一个额外属性用于链接旧的 fiber 对象（链接的对象总是 fiber 树同一个位置），通过这种方式复用对象。

额外创建一个 currentRoot 来保存刚渲染的 fiber 树根节点，并且把它和正在构建的 fiber 树根节点通过属性alternate链接

function commitRoot() {
  commitWork(wipRoot.child);
  currentRoot = wipRoot;
  wipRoot = null;
}

function render(element, container) {
  wipRoot = {
    dom: container,
    props: {
      children: [element],
    },
    alternate: currentRoot,
  }
  nextUnitOfWork = wipRoot
}
​
let currentRoot = null

然后让我们来重构performUnitOfWork的代码，新建一个reconcileChildren函数来调和变更，主要完成通过旧 fiber 构建新 fiber，提供标记以便提交阶段完成对应的 dom 操作。

function performUnitOfWork(fiber) {
  if (!fiber.dom) {
    fiber.dom = createDom(fiber)
  }
​
  const elements = fiber.props.children
  reconcileChildren(fiber, elements)
​
  if (fiber.child) {
    return fiber.child
  }
  let nextFiber = fiber
  while (nextFiber) {
    if (nextFiber.sibling) {
      return nextFiber.sibling
    }
    nextFiber = nextFiber.parent
  }
}

function reconcileChildren(wipFiber, elements) {
  // TODO 调和变更
}

节点的变更先简单地分为三种情况：

1. 如果type相同，保留以前的dom，仅仅更新dom属性
2. 如果type不同，存在element，新建dom
3. 如果type不同，存在oldFiber，删除oldFiber的dom

function reconcileChildren(wipFiber, elements) {
  let index = 0;
  let oldFiber = wipFiber.alternate && wipFiber.alternate.child;
  let prevSibling = null;

  // TODO 思考：为什么不能用 oldFiber !== null
  // oldFiber一直为undefined，会造成死循环
  while (index < elements.length || oldFiber != null) {
    const element = elements[index];
    let newFiber = null;

    const sameType = oldFiber && element && element.type == oldFiber.type;

    // 更新
    if (sameType) {
      newFiber = {
        type: oldFiber.type,
        props: element.props,
        dom: oldFiber.dom,
        parent: wipFiber,
        alternate: oldFiber,
        effectTag: "UPDATE",
      };
    }

    // 重新创建
    if (element && !sameType) {
      newFiber = {
        type: element.type,
        props: element.props,
        dom: null,
        parent: wipFiber,
        alternate: null,
        effectTag: "PLACEMENT",
      };
    }

    // 删除
    if (oldFiber && !sameType) {
      oldFiber.effectTag = "DELETION";
      deletions.push(oldFiber);
    }

    // 同时遍历旧fiber树
    if (oldFiber) {
      oldFiber = oldFiber.sibling;
    }

    // 父fiber的child指向第一个子fiber
    if (index === 0) {
      wipFiber.child = newFiber;
    } /* 当oldFiber != null时，需要判断element存在才设置sibling */ else if (
      element
    ) {
      // 如果存在兄弟节点，通过sibling关联
      prevSibling.sibling = newFiber;
    }

    // 暂存上一个兄弟节点
    prevSibling = newFiber;
    index++;
  }
}

我们在newFiber上添加了effectTag来标记对应的 dom 操作，接下来会在 commit 阶段使用到。PLACEMENT对应新建 dom 节点；UPDATE对应更新节点属性；删除节点除了标记为DELETION，还需要特殊处理。因为无法通过newFiber节点访问到需要删除的节点，所以需要引入一个全局数组，暂存一下需要删除的节点，每次 render 之前置空：

function render(element, container) {
  wipRoot = {
    dom: container,
    props: {
      children: [element],
    },
    alternate: currentRoot,
  }
  deletions = []
  nextUnitOfWork = wipRoot
}
​
let deletions = null

修改 commit 节点代码，根据标记完成对应的 dom 操作

function commitRoot() {
  // 优先进行删除操作
  deletions.forEach(commitWork);
  // 从根节点的child开始
  commitWork(wipRoot.child);
  // 保存刚构建的fiber树
  currentRoot = wipRoot;
  // 完成后置空进行中根节点
  wipRoot = null;
}

function commitWork(fiber) {
  // child和sibling可能为undefined
  if (!fiber) {
    return;
  }

  const domParent = fiber.parent.dom;

  if (fiber.effectTag === "PLACEMENT" && fiber.dom != null) {
    domParent.appendChild(fiber.dom);
  }

  if (fiber.effectTag === "UPDATE" && fiber.dom != null) {
    updateDom(fiber.dom, fiber.alternate.props, fiber.props);
  }

  if (fiber.effectTag === "DELETION") {
    domParent.removeChild(fiber.dom);
    return;
  }

  commitWork(fiber.child);
  commitWork(fiber.sibling);
}

抽离一个单独的方法updateDom更新 dom 属性

const isEvent = (key) => key.startsWith("on");
const isProperty = (key) => key !== "children" && !isEvent(key);
const isNew = (prev, next) => (key) => prev[key] !== next[key];
const isGone = (next) => (key) => !(key in next);

function updateDom(dom, prevProps, nextProps) {
  // 移除旧事件
  Object.keys(prevProps)
    .filter(isEvent)
    .filter((key) => !(key in nextProps) || isNew(prevProps, nextProps)(key))
    .forEach((name) => {
      const eventType = name.toLowerCase().substring(2);
      dom.removeEventListener(eventType, prevProps[name]);
    });

  // 删除旧属性
  Object.keys(prevProps)
    .filter(isProperty)
    .filter(isGone(nextProps))
    .forEach((name) => {
      dom[name] = "";
    });

  // 设置新属性
  Object.keys(nextProps)
    .filter(isProperty)
    .filter(isNew(prevProps, nextProps))
    .forEach((name) => {
      dom[name] = nextProps[name];
    });

  // 添加新事件
  Object.keys(nextProps)
    .filter(isEvent)
    .filter(isNew(prevProps, nextProps))
    .forEach((name) => {
      const eventType = name.toLowerCase().substring(2);
      dom.addEventListener(eventType, nextProps[name]);
    });
}

同样可以替换createDom中的 dom 操作，将prevProps设为空对象即可

function createDom(fiber) {
  const dom =
    fiber.type == "TEXT_ELEMENT"
      ? document.createTextNode("")
      : document.createElement(fiber.type);

  updateDom(dom, {}, fiber.props);

  return dom;
}

7. Function Component：实现函数式组件

之前的章节全是围绕节点对象构建 Fiber 来渲染视图的，接下来就要为我们自己版本的 React 添加函数组件的支持。

const App = ({ name }) => {
  return <div>Hi {name}</div>;
};
Didact.render(<App name="defpis" />, container);

// 编译后
const App = ({ name }) => {
  return Didact.createElement("div", null, "Hi ", name);
};
const element = Didact.createElement(App, { name: "defpis" });

函数组件和普通节点对象有两方面的不同

1. 函数组件的fiber没有dom属性
2. 函数组件的视图需要调用函数得到

因此在performUnitOfWork中分情况讨论

function performUnitOfWork(fiber) {
  const isFunctionComponent = fiber.type instanceof Function;

  if (isFunctionComponent) {
    updateFunctionComponent(fiber);
  } else {
    updateHostComponent(fiber);
  }

  // ...
}

function updateFunctionComponent(fiber) {
  // TODO 更新函数组件
}

function updateHostComponent(fiber) {
  // 添加节点元素到dom
  // 如果没有dom属性，根据fiber新构建
  if (!fiber.dom) {
    fiber.dom = createDom(fiber);
  }
  // 遍历节点的children属性创建Fiber对象
  const elements = fiber.props.children;
  // 调和fiber对象，设置状态：添加、更新和删除
  reconcileChildren(fiber, elements);
}

继续完善函数组件的更新逻辑，调用函数获取节点对象组成 children 即可

function updateFunctionComponent(fiber) {
  const children = [fiber.type(fiber.props)];
  reconcileChildren(fiber, children);
}

但是reconcileChildren构建的 fiber 没有 dom 属性，所以 commit 阶段需要有所调整

function commitWork(fiber) {
  // child和sibling可能为undefined
  if (!fiber) {
    return;
  }

  // 函数组件本身没有dom属性，需要向上寻找
  let domParentFiber = fiber.parent;
  while (!domParentFiber.dom) {
    domParentFiber = domParentFiber.parent;
  }
  const domParent = domParentFiber.dom;

  if (fiber.effectTag === "PLACEMENT" && fiber.dom != null) {
    domParent.appendChild(fiber.dom);
  }

  if (fiber.effectTag === "UPDATE" && fiber.dom != null) {
    updateDom(fiber.dom, fiber.alternate.props, fiber.props);
  }

  if (fiber.effectTag === "DELETION") {
    commitDeletion(fiber, domParent);
    return;
  }

  commitWork(fiber.child);
  commitWork(fiber.sibling);
}

function commitDeletion(fiber, domParent) {
  // 找不到dom，继续向下寻找
  if (fiber.dom) {
    domParent.removeChild(fiber.dom);
  } else {
    commitDeletion(fiber.child, domParent);
  }
}

8. Hooks：实现 useState 钩子

函数组件相较于类组件内部缺少存储状态的容器（class 的 this.state），因此需要引入 hook 实现视图和状态的关联。

还是从一个经典的例子计数器开始引出useState钩子

function Counter() {
  const [state, setState] = Didact.useState(1);
  return <button onClick={() => setState((c) => c + 1)}>Count: {state}</button>;
}
const element = <Counter />;
const container = document.getElementById("root");
Didact.render(element, container);

引入全局变量来确定正在处理的 fiber 对象以及正在处理的 hook，每次更新函数组件前稍作处理

let wipFiber = null;
let hookIndex = null;

function updateFunctionComponent(fiber) {
  wipFiber = fiber;
  wipFiber.hooks = [];
  hookIndex = 0;
  const children = [fiber.type(fiber.props)];
  reconcileChildren(fiber, children);
}

在每次useState调用时通过旧的 fiber 对象很容易获取到之前的 hook 对象，把它的状态传递给新 fiber 的 hooks 数组，因此可以做到多次函数调用持久化状态。

function useState(initial) {
  const oldHook =
    wipFiber.alternate &&
    wipFiber.alternate.hooks &&
    wipFiber.alternate.hooks[hookIndex];

  const hook = {
    state: oldHook ? oldHook.state : initial,
  }
​
  wipFiber.hooks.push(hook)
  hookIndex++
  return [hook.state]
}

setState方法十分简单，在 hook 对象上维护一个队列，把回调函数都存放在里面，在下一次使用useState之前执行即可。为了保证setState会在之后生效，我们还需要将当前根 fiber 设置为下一次的单元任务。

function useState(initial) {
  const oldHook =
    wipFiber.alternate &&
    wipFiber.alternate.hooks &&
    wipFiber.alternate.hooks[hookIndex];

  const hook = {
    state: oldHook ? oldHook.state : initial,
    queue: [],
  };

  // 执行所有setState的回调函数
  const actions = oldHook ? oldHook.queue : [];
  actions.forEach((action) => {
    hook.state = action(hook.state);
  });

  const setState = (action) => {
    // 推入队列
    hook.queue.push(action);
    // 将下一次任务设为当前根fiber
    wipRoot = {
      dom: currentRoot.dom,
      props: currentRoot.props,
      alternate: currentRoot,
    };
    deletions = [];
    nextUnitOfWork = wipRoot;
  };

  wipFiber.hooks.push(hook);
  hookIndex++;
  return [hook.state, setState];
}

运行代码，点击页面刷新，计数增加。