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React-Scheduler

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React-Scheduler

version@0.20.1

前言

Scheduler顾名思义就是一个调度器，负责React中任务的调度。众所周知 JS 是单线程，通过task和micro task来调度任务的执行。

核心概念分为三个：时间切片、任务切片和优先级调度

  • 时间切片：将时间按帧切分**(默认 5ms)**执行任务，以达到不阻塞浏览器渲染。当页面有某处更新或者交互的时候，用户无感知阻塞或卡顿。
  • 任务切片：如果一个任务过长，在一帧内无法完成，将中断任务，在下一帧重新调用。
  • 优先级调度：通过不同优先级来决定某些任务优先调度。
    • 为了尽快的找到最高优先级的任务，使用了小顶堆的数据结构（不过多介绍）

选择

熟悉 JS 的同学肯定知道跟浏览器渲染帧相关的两个API：requestIdleCallback（浏览器空闲时调用，下文简称rIC）和requestAnimationFrame（每一帧绘制之前调用，下文简称rAF），两个 api 看似可以达到不占用主线程，优先浏览器渲染，不阻塞的效果，但是真的适用吗？很显然，都有缺陷。

  • rIC

    1. 兼容性太差，Safari直接不兼容...

      can i use requestIdleCallback

    2. 执行时间不一定：浏览器空闲时执行间隔为50ms，也就是 20FPS，一秒执行 20 次，这显然间隔太长了。

      • 例如：持续滚动页面，这时执行的间隔时间就会非常不稳定

      • 还有一点，当页面至于后台时，干脆不执行了...

  • rAF

    1. 执行顺序不一定，rAF是官方推荐用于做流畅动画的api，所以它的回调执行在页面渲染更新前。执行顺序可能在宏任务（task）前或者后（涉及到EventLoop，篇幅问题不过多介绍）。rAF在各个平台的浏览器表现不一。
    2. React可能执行两次更新

综上所述，React 团队打算自己实现一个策略，用于时间分片。最终使用MessageChannel实现

  • 执行顺序，microTask > messageChannel > setTimeout，messageChannel为dom event，所以优先级要大于setTimeout

  • 为什么用task而不用microTask？不用microTask的原因是，microTask将在页面更新前全部执行完，达不到将主线程还给浏览器的目的。

    • 根据事件循环规则来看每次执行一个task就会执行所有microTask，并且在这个过程中新增的microTask都会一并执行，所以React的渲染如果在microTask中，无法中断，
      • 因为React在中断渲染之后会检查是否还有任务，如果有就再次调度一个performConcurrentWorkOnRoot，根据事件循环来看这时再有microTask会立即执行，所以每次都会执行完全部任务，无法达到一个tick执行一个task的目的

  • 为什么不使用setTimeout？因为setTimeout(_,0)即使设置为0，还会有**4ms的问题**。在MessageChannel无法使用的时候，降级使用setTimeout

  • 为什么不使用postMessage？因为postMessage会因为持续的滚动等操作被阻塞住。浏览器会为了保证用户交互的响应，将四分之三的优先权给了鼠标键盘事件，其余的时间会交给其他的task，所以就导致了持续的滚动阻塞了postMessage，Vue 2.0.0-rc.7有个issue就是描述这个问题的。

预备知识点

Scheduler被单独拆成一个包，放在React项目中，目录为react/packages/scheduler/src/forks/Scheduler.js

全局变量

  • 根据优先级对应不同timeout

    var maxSigned31BitInt = 1073741823;
// Times out immediately
var IMMEDIATE_PRIORITY_TIMEOUT = -1;
// Eventually times out
var USER_BLOCKING_PRIORITY_TIMEOUT = 250;
var NORMAL_PRIORITY_TIMEOUT = 5000;
var LOW_PRIORITY_TIMEOUT = 10000;
// Never times out
var IDLE_PRIORITY_TIMEOUT = maxSigned31BitInt;

  • 全局函数

    // 获取currentTime(当前时间)
let getCurrentTime = () => performance.now();
// 延时器
const localSetTimeout = typeof setTimeout === "function" ? setTimeout : null;
// 清除延时器
const localClearTimeout =
  typeof clearTimeout === "function" ? clearTimeout : null;
// 环境支持的话
const isInputPending = navigator.scheduling.isInputPending.bind(
  navigator.scheduling
);

  • 任务相关变量

    var taskQueue = [];
var timerQueue = [];
// 当前任务
var currentTask = null;
// 当前任务优先级
var currentPriorityLevel = NormalPriority;
// flushWork中设置为true，表示当前任务正在执行，防止再次进入
var isPerformingWork = false;
// 表示任务是否被调度,调用requestHostCallback函数前设置为false（触发postMessage之前），在flushWork中设置为false
var isHostCallbackScheduled = false;
// 表示是否有延时器正在执行,延时器执行完毕之后设置为false
var isHostTimeoutScheduled = false;
...
// 代表当前postMessage触发的回调正在执行
let isMessageLoopRunning = false;
// scheduledHostCallback = flushWork
let scheduledHostCallback = null;
// 延时器id
let taskTimeoutID = -1;

  • 简单来说，任务分为两个堆——taskQueue和timerQueue，两个变量都是js数组形式的小顶堆，taskQueue根据expirationTime（过期时间）由小到大排序，timerQueue根据startTime（开始时间）由大到小排序

  • taskQueue和timerQueue分别表示任务需要立刻执行和延迟执行，通过(startTime>currentTime)来判断任务是添加进taskQueue中还是timerQueue

局部变量

任务对象的属性

var newTask = {
  // 自增的id，用来判断插入顺序，当sortIndex相同时，通过id判断优先级执行顺序
  id: taskIdCounter++,
  // performSyncWorkOnroot等，react render阶段的入口函数
  callback,
  // 优先级
  priorityLevel,
  // 开始时间 startTime=currentTime+delay(如果有的话)
  startTime,
  // 过期时间(startTime+timeout) timeout为不同优先级预设的时间
  expirationTime,
  // 堆排序的主要依据,timerQueue中为startTime，taskQueue中为expirationTime
  sortIndex: -1,
};
  • 预备知识点完成，下面是函数部分

函数

unstable_scheduleCallback

  • 入口函数，分成四个部分

    • 第一部分，计算startTime，如果有delay就加上
    • 第二部分，根据传入的优先级，计算对应优先级的timeout
    • 第三部分，计算expirationTime，创建任务对象（newTask）
    • 第四部分，根据startTime > currentTime来判断是push进timerQueue中还是taskQueue
function unstable_scheduleCallback(priorityLevel, callback, options) {
  // 第一部分
  var currentTime = getCurrentTime();

  var startTime;
  if (typeof options === "object" && options !== null) {
    var delay = options.delay;
    if (typeof delay === "number" && delay > 0) {
      startTime = currentTime + delay;
    } else {
      startTime = currentTime;
    }
  } else {
    startTime = currentTime;
  }
  // 第二部分
  var timeout;
  switch (priorityLevel) {
    case ImmediatePriority:
      timeout = IMMEDIATE_PRIORITY_TIMEOUT;
      break;
    case UserBlockingPriority:
      timeout = USER_BLOCKING_PRIORITY_TIMEOUT;
      break;
    case IdlePriority:
      timeout = IDLE_PRIORITY_TIMEOUT;
      break;
    case LowPriority:
      timeout = LOW_PRIORITY_TIMEOUT;
      break;
    case NormalPriority:
    default:
      timeout = NORMAL_PRIORITY_TIMEOUT;
      break;
  }
  // 第三部分
  var expirationTime = startTime + timeout;

  var newTask = {
    id: taskIdCounter++,
    callback,
    priorityLevel,
    startTime,
    expirationTime,
    sortIndex: -1,
  };
  if (enableProfiling) {
    newTask.isQueued = false;
  }
  // 第四部分
  if (startTime > currentTime) {
    // 延迟任务.
    newTask.sortIndex = startTime;
    // push时会根据startTime进行排序
    push(timerQueue, newTask);
    if (peek(taskQueue) === null && newTask === peek(timerQueue)) {
      // taskQueue中没有任务，并且timerQueue中有任务，拿到优先级最高的任务(当前任务)(startTime最小)
      if (isHostTimeoutScheduled) {
        // 如果当前有上一个被通过setTimeout延迟执行的任务就取消掉
        cancelHostTimeout();
      } else {
        // 如果没有，就设置为true，代表当前有被调度的任务
        isHostTimeoutScheduled = true;
      }
      // 将延迟任务通过setTimeout变为立即执行任务
      requestHostTimeout(handleTimeout, startTime - currentTime);
    }
  } else {
    newTask.sortIndex = expirationTime;
    push(taskQueue, newTask);
    // 如果当前没有正在调度的任务，并且没有正在执行的任务
    if (!isHostCallbackScheduled && !isPerformingWork) {
      isHostCallbackScheduled = true;
      // 立即执行
      requestHostCallback(flushWork);
    }
  }

  return newTask;
}

requestHostTimeout

这部分代码很简单，就是一个延时器

function requestHostTimeout(callback, ms) {
  // callback = handleTimeout
  taskTimeoutID = localSetTimeout(() => {
    callback(getCurrentTime());
  }, ms);
}

handleTimeout

判断当前是否有被调度的任务，如果有就取出timeQueue第一位，继续等待执行，如果没有就直接调度该任务

function handleTimeout(currentTime) {
  // 当前延时器回调执行了，isHostTimeoutScheduled为false代表释放当前延时器，下一个延时任务可以被调度
  isHostTimeoutScheduled = false;
  // 将timerQueue中已经过期了的任务插入到taskQueue中
  advanceTimers(currentTime);
  // 判断当前是否有被调度的任务
  if (!isHostCallbackScheduled) {
    // 没有并且taskQueue中有任务
    if (peek(taskQueue) !== null) {
      // 开始调度taskQueue中的任务
      isHostCallbackScheduled = true;
      requestHostCallback(flushWork);
    } else {
      // 有则取出继续等待调度
      const firstTimer = peek(timerQueue);
      if (firstTimer !== null) {
        requestHostTimeout(handleTimeout, firstTimer.startTime - currentTime);
      }
    }
  }
}

advanceTimers

将timerQueue中已经过期了的任务插入到taskQueue中

function advanceTimers(currentTime) {
  // 检查不再延迟的任务，并将其添加到队列中。
  let timer = peek(timerQueue);
  // 遍历timerQueue
  while (timer !== null) {
    if (timer.callback === null) {
      // 任务被取消，出堆
      pop(timerQueue);
    } else if (timer.startTime <= currentTime) {
      // 计时器响了。转移到任务队列。
      pop(timerQueue);
      // 因为要插进taskQueue，所以要重新计算sortIndex
      timer.sortIndex = timer.expirationTime;
      push(taskQueue, timer);
    } else {
      // 后面的任务的时间有剩余
      return;
    }
    timer = peek(timerQueue);
  }
}

以上是调度timerQueue的过程，其中执行的函数和调度taskQueue中函数有重复，放在下面讲解

requestHostCallback

入参为flushWork，将flushwork赋值给全局变量，并且触发消息通知

function requestHostCallback(callback) {
  // callback = flushWork
  scheduledHostCallback = callback;
  if (!isMessageLoopRunning) {
    isMessageLoopRunning = true;
    // 执行postMessage
    schedulePerformWorkUntilDeadline();
  }
}

schedulePerformWorkUntilDeadline

对于设备环境做了兼容

let schedulePerformWorkUntilDeadline;
if (typeof localSetImmediate === "function") {
  // Node.js 和 old IE.
  schedulePerformWorkUntilDeadline = () => {
    localSetImmediate(performWorkUntilDeadline);
  };
} else if (typeof MessageChannel !== "undefined") {
  // DOM and Worker environments.
  // 由于setTimeout的4ms延迟，所以使用MessageChannel
  const channel = new MessageChannel();
  const port = channel.port2;
  channel.port1.onmessage = performWorkUntilDeadline;
  schedulePerformWorkUntilDeadline = () => {
    port.postMessage(null);
  };
} else {
  // 非浏览器环境使用setTimeout
  schedulePerformWorkUntilDeadline = () => {
    localSetTimeout(performWorkUntilDeadline, 0);
  };
}
  • 已MessageChannel为例，执行schedulePerformWorkUntilDeadline会触发performWorkUntilDeadline执行，但是会放在下一轮事件循环中执行

performWorkUntilDeadline

作为postMessage触发的回调，主要负责执行全局变量scheduledHostCallback，通过返回值判定是否触发下一轮postMessage

const performWorkUntilDeadline = () => {
  // scheduledHostCallback 在 requestHostCallback 中被赋值为 flushWork
  if (scheduledHostCallback !== null) {
    const currentTime = getCurrentTime();
    // 获取函数真正执行的当前时间，提供给后续时间片判断(shouldYieldToHost函数)
    startTime = currentTime;
    const hasTimeRemaining = true;
    // 故意不使用try-catch，因为这会使一些调试技术变得更加困难。
    // 相反，如果'scheduledHostCallback'出现错误，
    // 那么'hasMoreWork'将保持为true，我们将继续工作循环。
    let hasMoreWork = true;
    try {
      // scheduledHostCallback = flushWork
      hasMoreWork = scheduledHostCallback(hasTimeRemaining, currentTime);
    } finally {
      if (hasMoreWork) {
        // 代表当前任务没结束（返回一个函数、报错、）
        schedulePerformWorkUntilDeadline();
      } else {
        // 重置全局变量
        isMessageLoopRunning = false;
        scheduledHostCallback = null;
      }
    }
  } else {
    isMessageLoopRunning = false;
  }
};

flushWork

核心，负责执行 workLoop 并且返回执行结果，在执行结束后重置全局变量

function flushWork(hasTimeRemaining, initialTime) {
  // 设为false，为了能够执行requestHostCallback，调度下次任务
  isHostCallbackScheduled = false;
  if (isHostTimeoutScheduled) {
    // 如果当前有延时器就取消掉,当前任务优先级更高
    // 因为接下来执行callback前后会再次执行advanceTimers，并且执行callback也是会有时间损耗的
    isHostTimeoutScheduled = false;
    cancelHostTimeout();
  }
  // 任务开始执行
  isPerformingWork = true;
  const previousPriorityLevel = currentPriorityLevel;
  try {
    // 直接看这里，返回值为外部函数作用域的hasMoreWork变量
    return workLoop(hasTimeRemaining, initialTime);
  } finally {
    // 任务执行完成之后重置全局变量
    currentTask = null;
    currentPriorityLevel = previousPriorityLevel;
    isPerformingWork = false;
  }
}

workLoop

核心，任务循环，真正执行callback的地方。在执行callback前后都会执行advanceTimers，确保taskQueue中任务的优先级

function workLoop(hasTimeRemaining, initialTime) {
  // initialTime为 postMessage触发回调当时的时间
  // hasTimeRemaining 始终为true
  let currentTime = initialTime;
  // 检测是否有过期的任务，放在taskQueue队列中
  advanceTimers(currentTime);
  currentTask = peek(taskQueue);
  while (currentTask !== null) {
    if (
      currentTask.expirationTime > currentTime &&
      (!hasTimeRemaining || shouldYieldToHost())
    ) {
      // 此判断代表任务还未过期，但是没时间了(5ms已过)，终止循环
      // shouldYieldToHost 判断为
      // if(getCurrentTime() - startTime < frameInterval(默认5ms)) return false ，执行到现在还没到5ms，不需要暂停

      // shouldYieldToHost 还有对isInputPending情况的判断，兼容性不高不做考虑
      // navigator.scheduling.isInputPending为react团队和chrome团队协商出的api，主要用于判断当前是否有input等事件正在执行，有兴趣可以了解下
      break;
    }
    const callback = currentTask.callback;
    if (typeof callback === "function") {
      currentTask.callback = null;
      currentPriorityLevel = currentTask.priorityLevel;
      // 当前任务是否超时
      const didUserCallbackTimeout = currentTask.expirationTime <= currentTime;
      // 拿到返回
      // 任务切片
      const continuationCallback = callback(didUserCallbackTimeout);
      currentTime = getCurrentTime();
      if (typeof continuationCallback === "function") {
        // 如果是个函数，更新callback,作为下一轮事件循环使用
        currentTask.callback = continuationCallback;
      } else {
        // 判断当前任务是否是最高优先级任务，是则pop
        if (currentTask === peek(taskQueue)) {
          pop(taskQueue);
        }
      }
      // 检测是否有过期的任务，放在taskQueue队列中
      advanceTimers(currentTime);
    } else {
      // 任务被取消，出堆
      pop(taskQueue);
    }
    // 更新currentTask继续循环
    currentTask = peek(taskQueue);
  }
  if (currentTask !== null) {
    // 走到这个判断会有两种情况
    // callback返回一个函数 或者 达到当前deadline(默认5ms的限制)
    return true;
  } else {
    const firstTimer = peek(timerQueue);
    if (firstTimer !== null) {
      // taskQueue中已经没有可执行的任务了，取出timerQueue中的任务，进行调度
      requestHostTimeout(handleTimeout, firstTimer.startTime - currentTime);
    }
    return false;
  }
}

总结

总结下大致流程：通过将任务划分成立即执行和延迟执行两个堆，立即执行的堆中任务会通过MessageChannel触发，延迟执行的堆会通过setTimeout将任务延迟到对应事件后添加进taskQueue中触发。

每次 workLoop 都会从taskQueue中取出任务，执行任务，如果任务执行完之后还有剩余时间，则继续执行，直到没有剩余时间或者任务队列为空。如果 5ms 到了，但是还有任务，则通过 postMessage 开启下一轮 workLoop。达到让出主线程的能力