简版React实现

1 基本概念:Component(组件)、instance(组件实例)、 element、jsx、dom

Component(组件)

Component就是我们经常实现的组件,可以是类组件(class component)或者函数式组件(functional component)

1.而类组件又可以分为普通类组件(React.Component)以及纯类组件(React.PureComponent),总之这两类都属于类组件,只不过PureComponent基于shouldComponentUpdate做了一些优化。

2.函数式组件则用来简化一些简单组件的实现,用起来就是写一个函数,
入参是组件属性props,出参与类组件的render方法返回值一样,
是react element(注意这里已经出现了接下来要介绍的element哦)。

下面我们分别按三种方式实现下Welcome组件:

// Component
class Welcome extends React.Component {
    render() {
        return <h1>Hello, {this.props.name}</h1>;
    }
}
// PureComponent
class Welcome extends React.PureComponent {
    render() {
        return <h1>Hello, {this.props.name}</h1>;
    }
}

// functional component
function Welcome(props) {
    return <h1>Hello, {props.name}</h1>;
}
instance(组件实例)

熟悉面向对象编程的人肯定知道实例的关系,这里也是一样的,组件实例其实就是一个组件类实例化的结果,概念虽然简单,但是在react这里却容易弄不明白,为什么这么说呢?因为大家在react的使用过程中并不会自己去实例化一个组件实例,这个过程其实是react内部帮我们完成的,因此我们真正接触组件实例的机会并不多。我们更多接触到的是下面要介绍的element,因为我们通常写的jsx其实就是element的一种表示方式而已(后面详细介绍)。虽然组件实例用的不多,但是偶尔也会用到,其实就是refref可以指向一个dom节点或者一个类组件(class component)的实例,但是不能用于函数式组件,因为函数式组件不能实例化。这里简单介绍下ref,我们只需要知道ref可以指向一个组件实例即可,更加详细的介绍大家可以看react官方文档Refs and the DOM

前面已经提到了element,即类组件render方法以及函数式组件的返回值均为
element。那么这里的element到底是什么呢?其实很简单,就是一个纯对象(plain object),而且这个纯对象包含两个属性:type:(string|ReactClass)props:Object,注意element并不是组件实例,而是一个纯对象。虽然element不是组件实例,但是又跟组件实例有关系,element是对组件实例或者dom节点的描述。如果type是string类型,则表示dom节点,如果type是function或者class类型,则表示组件实例。比如下面两个element分别描述了一个dom节点和一个组件实例

// 描述dom节点
{
  type: 'button',
  props: {
    className: 'button button-blue',
    children: {
      type: 'b',
      props: {
        children: 'OK!'
      }
    }
  }
}

function Button(props){
  // ...
}

// 描述组件实例
{
  type: Button,
  props: {
    color: 'blue',
    children: 'OK!'
  }
}
jsx

只要弄明白了element,那么jsx就不难理解了,jsx只是换了一种写法,方便我们来创建element而已,想想如果没有jsx那么我们开发效率肯定会大幅降低,而且代码肯定非常不利于维护。比如我们看下面这个jsx的例子

const foo = <div id="foo">Hello!</div>;

其实说白了就是定义了一个dom节点div,并且该节点的属性集合是{id: 'foo'},children是Hello!,就这点信息量而已,因此完全跟下面这种纯对象的表示是等价的:

{
  type: 'div',
  props: {
    id: 'foo',
    children: 'Hello!'
  }
}

那么React是如何将jsx语法转换为纯对象的呢?其实就是利用Babel编译生成的,我们只要在使用jsx的代码里加上个编译指示(pragma)即可,可以参考这里Babel如何编译jsx。比如我们将编译指示设置为指向createElement函数:/** @jsx createElement */,那么前面那段jsx代码就会编译为:

var foo = createElement('div', {id:"foo"}, 'Hello!');

可以看出,jsx的编译过程其实就是从<、>这种标签式写法到函数调用式写法的一种转化而已。有了这个前提,我们只需要简单实现下createElement函数不就可以构造出element了嘛,我们后面自己实现简版react也会用到这个函数:

function createElement(type, props, ...children) {
    props = Object.assign({}, props);
    props.children = [].concat(...children)
      .filter(child => child != null && child !== false)
      .map(child => child instanceof Object ? child : createTextElement(child));
    return {type, props};
}

dom
dom我们这里也简单介绍下,作为一个前端研发人员,想必大家对这个概念应该再熟悉不过了。我们可以这样创建一个dom节点div:

const divDomNode = window.document.createElement('div');

其实所有dom节点都是HTMLElement类的实例,我们可以验证下:

window.document.createElement('div') instanceof window.HTMLElement;
// 输出 true

关于HTMLElementAPI可以参考这里:HTMLElement介绍。因此,dom节点是HTMLElement类的实例;同样的,在react里面,组件实例组件类的实例,而element又是对组件实例dom节点的描述,现在这些概念之间的关系大家应该都清楚了吧。介绍完了这几个基本概念,我们画个图来描述下这几个概念之间的关系:

2 虚拟dom与diff算法

相信使用过react的同学都多少了解过这两个概念:虚拟dom以及diff算法。这里的虚拟dom其实就是前面介绍的element,为什么说是虚拟dom呢,前面咱们已经介绍过了,element只是dom节点或者组件实例的一种纯对象描述而已,并不是真正的dom节点,因此是虚拟dom。react给我们提供了声明式的组件写法当组件的props或者state变化时组件自动更新。整个页面其实可以对应到一棵dom节点树,每次组件props或者state变更首先会反映到虚拟dom树,然后最终反应到页面dom节点树的渲染

那么虚拟dom跟diff算法又有什么关系呢?之所以有diff算法其实是为了提升渲染效率,试想下,如果每次组件的state或者props变化后都把所有相关dom节点删掉再重新创建,那效率肯定非常,所以在react内部存在两棵虚拟dom树,分别表示现状及下一个状态,setState调用后就会触发diff算法的执行,而好的diff算法肯定是尽可能复用已有的dom节点,避免重新创建的开销。我用下图来表示虚拟dom和diff算法的关系:

react组件最初渲染到页面后先生成第1帧虚拟dom,这时current指针指向该第一帧。setState调用后会生成第2帧虚拟dom,这时next指针指向第二帧,接下来diff算法通过比较第2帧和第1帧的异同来将更新应用到真正的dom树以完成页面更新。
这里再次强调一下setState后具体怎么生成虚拟dom,因为这点很重要,而且容易忽略。其实刚刚已经介绍过什么是虚拟dom了,其实就是element树而已。那element树是怎么来的呢?其实就是render方法返回的嘛,下面的流程图再加深下印象:

react组件最初渲染到页面后先生成第1帧虚拟dom,这时current指针指向该第一帧。setState调用后会生成第2帧虚拟dom,这时next指针指向第二帧,接下来diff算法通过比较第2帧和第1帧的异同来将更新应用到真正的dom树以完成页面更新。
这里再次强调一下setState后具体怎么生成虚拟dom,因为这点很重要,而且容易忽略。其实刚刚已经介绍过什么是虚拟dom了,其实就是element树而已。那element树是怎么来的呢?其实就是render方法返回的嘛,下面的流程图再加深下印象:

其实react官方对diff算法有另外一个称呼,大家肯定会在react相关资料中看到,叫Reconciliation,我个人认为这个词有点晦涩难懂,不过后来又重新翻看了下词典,发现其实跟diff算法一个意思:

可以看到reconcile有消除分歧、核对的意思,在react语境下就是对比虚拟dom异同的意思,其实就是说的diff算法。这里强调下,我们后面实现部实现reconcile函数,其实就是实现diff算法

3 生命周期与diff算法

生命周期与diff算法又有什么关系呢?这里我们以componentDidMountcomponentWillUnmountComponentWillUpdate以及componentDidUpdate为例说明下二者的关系。我们知道,setState调用后会接着调用render生成新的虚拟dom树,而这个虚拟dom树与上一帧可能会产生如下区别:

1.新增了某个组件;
2.删除了某个组件;
3.更新了某个组件的部分属性。

因此,我们在实现diff算法的过程会在相应的时间节点调用这些生命周期函数。
这里需要重点说明下前面提到的第1帧,我们知道每个react应用的入口都是:

ReactDOM.render(
    <h1>Hello, world!</h1>,
    document.getElementById('root')
);

ReactDom.render也会生成一棵虚拟dom树,但是这棵虚拟dom树是开天辟地生成的``第一帧,没有前一帧用来做diff,因此这棵虚拟dom树对应的所有组件都只会调用挂载期的生命周期函数,比如componentDidMount,componentWillUnmount`。

4 实现

掌握了前面介绍的这些概念,实现一个简版react也就不难了。首先看一下我们要实现哪些API,我们最终会以如下方式使用:

// 声明编译指示
/** @jsx DiyReact.createElement */

// 导入我们下面要实现的API
const DiyReact = importFromBelow();

// 业务代码
const randomLikes = () => Math.ceil(Math.random() * 100);
const stories = [
    {name: "DiyReact介绍", url: "http://google.com", likes: randomLikes()},
    {name: "Rendering DOM elements ", url: "http://google.com", likes: randomLikes()},
    {name: "Element creation and JSX", url: "http://google.com", likes: randomLikes()},
    {name: "Instances and reconciliation", url: "http://google.com", likes: randomLikes()},
    {name: "Components and state", url: "http://google.com", likes: randomLikes()}
];

class App extends DiyReact.Component {
    render() {
        return (
            <div>
                <h1>DiyReact Stories</h1>
                <ul>
                    {this.props.stories.map(story => {
                        return <Story name={story.name} url={story.url} />;
                    })}
                </ul>
            </div>
        );
    }

    componentWillMount() {
        console.log('execute componentWillMount');
    }

    componentDidMount() {
        console.log('execute componentDidMount');
    }

    componentWillUnmount() {
        console.log('execute componentWillUnmount');
    }
}

class Story extends DiyReact.Component {
    constructor(props) {
        super(props);
        this.state = {likes: Math.ceil(Math.random() * 100)};
    }
    like() {
        this.setState({
            likes: this.state.likes + 1
        });
    }
    render() {
        const {name, url} = this.props;
        const {likes} = this.state;
        const likesElement = <span />;
        return (
            <li>
                <button onClick={e => this.like()}>{likes}<b>❤️</b></button>
                <a href={url}>{name}</a>
            </li>
        );
    }

    // shouldcomponentUpdate() {
    //   return true;
    // }

    componentWillUpdate() {
        console.log('execute componentWillUpdate');
    }

    componentDidUpdate() {
        console.log('execute componentDidUpdate');
    }
}

// 将组件渲染到根dom节点
DiyReact.render(<App stories={stories} />, document.getElementById("root"));

我们在这段业务代码里面使用了render、createElement以及Component三个API,因此后面的任务就是实现这三个API并包装到一个函数importFromBelow内即可。

4.1 实现createElement

createElement函数的功能跟jsx是紧密相关的,前面介绍jsx的部分已经介绍过了,其实就是把类似html的标签式写法转化为纯对象element,具体实现如下:

function createElement(type, props, ...children) {
    props = Object.assign({}, props);
    props.children = [].concat(...children)
        .filter(child => child != null && child !== false)
        .map(child => child instanceof Object ? child : createTextElement(child));
    return {type, props};
}

// rootInstance用来缓存一帧虚拟dom
let rootInstance = null;
function render(element, parentDom) {
    // prevInstance指向前一帧
    const prevInstance = rootInstance;
    // element参数指向新生成的虚拟dom树
    const nextInstance = reconcile(parentDom, prevInstance, element);
    // 调用完reconcile算法(即diff算法)后将rooInstance指向最新一帧
    rootInstance = nextInstance;
}

render函数实现很简单,只是进行了两帧虚拟dom的对比(reconcile),然后将rootInstance指向新的虚拟dom。细心点会发现,新的虚拟dom为element,即最开始介绍的element,而reconcile后的虚拟dom是instance,不过这个instance并不是组件实例,这点看后面instantiate的实现。总之render方法其实就是调用了reconcile方法进行了两帧虚拟dom的对比而已。

4.3 实现instantiate

那么前面的instance到底跟element有什么不同呢?其实instance指示简单的是把element重新包了一层,并把对应的dom也给包了进来,这也不难理解,毕竟我们调用reconcile进行diff比较的时候需要把跟新应用到真实的dom上,因此需要跟dom关联起来,下面实现的instantiate函数就干这个事的。注意由于element包括dom类型和Component类型(由type字段判断,不明白的话可以回过头看一下第一节的element相关介绍),因此需要分情况处理:
dom类型的element.type为string类型,对应的instance结构为{element, dom, childInstances}。
Component类型的element.type为ReactClass类型,对应的instance结构为{dom, element, childInstance, publicInstance},注意这里的publicInstance就是前面介绍的组件实例。

function instantiate(element) {
    const {type, props = {}} = element;

    const isDomElement = typeof type === 'string';

    if (isDomElement) {
        // 创建dom
        const isTextElement = type === TEXT_ELEMENT;
        const dom = isTextElement ? document.createTextNode('') : document.createElement(type);

        // 设置dom的事件、数据属性
        updateDomProperties(dom, [], element.props);
        const children = props.children || [];
        const childInstances = children.map(instantiate);
        const childDoms = childInstances.map(childInstance => childInstance.dom);
        childDoms.forEach(childDom => dom.appendChild(childDom));
        const instance = {element, dom, childInstances};
        return instance;
    } else {
        const instance = {};
        const publicInstance = createPublicInstance(element, instance);
        const childElement = publicInstance.render();
        const childInstance = instantiate(childElement);
        Object.assign(instance, {dom: childInstance.dom, element, childInstance, publicInstance});
        return instance;
    }
}

需要注意,由于dom节点组件实例都可能有孩子节点,因此instantiate函数中有递归实例化的逻辑。

4.4 实现reconcile(diff算法)

重点来了,reconcile是react的核心,显然如何将新设置的state快速的渲染出来非常重要,因此react会尽量复用已有节点,而不是每次都动态创建所有相关节点。但是react强大的地方还不仅限于此,react16reconcile算法由之前的stack架构升级成了fiber架构,更近一步做的性能优化。fiber相关的内容下一节再介绍,这里为了简单易懂,仍然使用类似stack架构的算法来实现,对于fiber现在只需要知道其调度原理即可,当然后面有时间可以再实现一版基于fiber架构的。

首先看一下整个reconcile算法的处理流程

可以看到,我们会根据不同的情况做不同的处理:

1.如果是新增instance,那么需要实例化一个instance并且appendChild
2.如果是不是新增instance,而是删除instance,那么需要removeChild
3.如果既不是新增也不是删除instance,那么需要看instancetype是否变化,如果有变化,那节点就无法复用了,也需要实例化instance,然后replaceChild
4.如果type没变化就可以复用已有节点了,这种情况下要判断是原生dom节点还是我们自定义实现的react节点,两种情况下处理方式不同。

大流程了解后,我们只需要在对的时间点执行生命周期函数即可,下面看具体实现

function reconcile(parentDom, instance, element) {
    if (instance === null) {
        const newInstance = instantiate(element);
        // componentWillMount
        newInstance.publicInstance
            && newInstance.publicInstance.componentWillMount
            && newInstance.publicInstance.componentWillMount();
        parentDom.appendChild(newInstance.dom);
        // componentDidMount
        newInstance.publicInstance
            && newInstance.publicInstance.componentDidMount
            && newInstance.publicInstance.componentDidMount();
        return newInstance;
    } else if (element === null) {
        // componentWillUnmount
        instance.publicInstance
            && instance.publicInstance.componentWillUnmount
            && instance.publicInstance.componentWillUnmount();
        parentDom.removeChild(instance.dom);
        return null;
    } else if (instance.element.type !== element.type) {
        const newInstance = instantiate(element);
        // componentDidMount
        newInstance.publicInstance
            && newInstance.publicInstance.componentDidMount
            && newInstance.publicInstance.componentDidMount();
        parentDom.replaceChild(newInstance.dom, instance.dom);
        return newInstance;
    } else if (typeof element.type === 'string') {
        updateDomProperties(instance.dom, instance.element.props, element.props);
        instance.childInstances = reconcileChildren(instance, element);
        instance.element = element;
        return instance;
    } else {
        if (instance.publicInstance
            && instance.publicInstance.shouldcomponentUpdate) {
            if (!instance.publicInstance.shouldcomponentUpdate()) {
                return;
            }
        }
        // componentWillUpdate
        instance.publicInstance
            && instance.publicInstance.componentWillUpdate
            && instance.publicInstance.componentWillUpdate();
        instance.publicInstance.props = element.props;
        const newChildElement = instance.publicInstance.render();
        const oldChildInstance = instance.childInstance;
        const newChildInstance = reconcile(parentDom, oldChildInstance, newChildElement);
        // componentDidUpdate
        instance.publicInstance
            && instance.publicInstance.componentDidUpdate
            && instance.publicInstance.componentDidUpdate();
        instance.dom = newChildInstance.dom;
        instance.childInstance = newChildInstance;
        instance.element = element;
        return instance;
    }
}

function reconcileChildren(instance, element) {
    const {dom, childInstances} = instance;
    const newChildElements = element.props.children || [];
    const count = Math.max(childInstances.length, newChildElements.length);
    const newChildInstances = [];
    for (let i = 0; i < count; i++) {
        newChildInstances[i] = reconcile(dom, childInstances[i], newChildElements[i]);
    }
    return newChildInstances.filter(instance => instance !== null);
}

看完reconcile算法后肯定有人会好奇,为什么这种算法叫做stack算法,这里简单解释一下。从前面的实现可以看到,每次组件的state更新都会触发reconcile的执行,而reconcile的执行也是一个递归过程,而且一开始直到递归执行完所有节点才停止,因此成为stack算法。由于是个递归过程,因此该diff算法一旦开始就必须执行完,因此可能会阻塞线程,又由于js是单线程的,因此这时就可能会影响用户的输入或者ui的渲染帧频,降低用户体验。不过react16中升级为了fiber架构,这一问题得到了解决。

把前面实现的所有这些代码组合起来就是完整的简版react,不到200行代码,希望大家多度指教

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