Hook 原理(状态 Hook)

首先回顾一下前文Hook 原理(概览), 其主要内容有:

function类型的fiber节点, 它的处理函数是updateFunctionComponent, 其中再通过renderWithHooks调用function.
在function中, 通过Hook Api(如: useState, useEffect)创建Hook对象.
- 状态Hook实现了状态持久化(等同于class组件维护fiber.memoizedState).
- 副作用Hook则实现了维护fiber.flags,并提供副作用回调(类似于class组件的生命周期回调)
多个Hook对象构成一个链表结构, 并挂载到fiber.memoizedState之上.
fiber树更新阶段, 把current.memoizedState链表上的所有Hook按照顺序克隆到workInProgress.memoizedState上, 实现数据的持久化.

在此基础之上, 本节将深入分析状态Hook的特性和实现原理.

创建 Hook

在fiber初次构造阶段, useState对应源码mountState, useReducer对应源码mountReducer

mountState:

function mountState<S>(
  initialState: (() => S) | S,
): [S, Dispatch<BasicStateAction<S>>] {
  // 1. 创建hook
  const hook = mountWorkInProgressHook();
  if (typeof initialState === 'function') {
    initialState = initialState();
  }
  // 2. 初始化hook的属性
  // 2.1 设置 hook.memoizedState/hook.baseState
  // 2.2 设置 hook.queue
  hook.memoizedState = hook.baseState = initialState;
  const queue = (hook.queue = {
    pending: null,
    dispatch: null,
    // queue.lastRenderedReducer是内置函数
    lastRenderedReducer: basicStateReducer,
    lastRenderedState: (initialState: any),
  });
  // 2.3 设置 hook.dispatch
  const dispatch: Dispatch<BasicStateAction<S>> = (queue.dispatch =
    (dispatchAction.bind(null, currentlyRenderingFiber, queue): any));

  // 3. 返回[当前状态, dispatch函数]
  return [hook.memoizedState, dispatch];
}

mountReducer:

function mountReducer<S, I, A>(
  reducer: (S, A) => S,
  initialArg: I,
  init?: (I) => S,
): [S, Dispatch<A>] {
  // 1. 创建hook
  const hook = mountWorkInProgressHook();
  let initialState;
  if (init !== undefined) {
    initialState = init(initialArg);
  } else {
    initialState = ((initialArg: any): S);
  }
  // 2. 初始化hook的属性
  // 2.1 设置 hook.memoizedState/hook.baseState
  hook.memoizedState = hook.baseState = initialState;
  // 2.2 设置 hook.queue
  const queue = (hook.queue = {
    pending: null,
    dispatch: null,
    // queue.lastRenderedReducer是由外传入
    lastRenderedReducer: reducer,
    lastRenderedState: (initialState: any),
  });
  // 2.3 设置 hook.dispatch
  const dispatch: Dispatch<A> = (queue.dispatch = (dispatchAction.bind(
    null,
    currentlyRenderingFiber,
    queue,
  ): any));

  // 3. 返回[当前状态, dispatch函数]
  return [hook.memoizedState, dispatch];
}

mountState和mountReducer逻辑简单: 主要负责创建hook, 初始化hook的属性, 最后返回[当前状态, dispatch函数].

唯一的不同点是hook.queue.lastRenderedReducer:

mountState使用的是内置的basicStateReducer

function basicStateReducer<S>(state: S, action: BasicStateAction<S>): S {
  return typeof action === 'function' ? action(state) : action;
}

mountReducer使用的是外部传入自定义reducer

可见mountState是mountReducer的一种特殊情况, 即useState也是useReducer的一种特殊情况, 也是最简单的情况.

useState可以转换成useReducer:

const [state, dispatch] = useState({ count: 0 });

// 等价于
const [state, dispatch] = useReducer(
  function basicStateReducer(state, action) {
    return typeof action === 'function' ? action(state) : action;
  },
  { count: 0 },
);

// 当需要更新state时, 有2种方式
dispatch({ count: 1 }); // 1.直接设置
dispatch((state) => ({ count: state.count + 1 })); // 2.通过回调函数设置

useReducer的官网示例:

const [state, dispatch] = useReducer(
  function reducer(state, action) {
    switch (action.type) {
      case 'increment':
        return { count: state.count + 1 };
      case 'decrement':
        return { count: state.count - 1 };
      default:
        throw new Error();
    }
  },
  { count: 0 },
);

// 当需要更新state时, 只有1种方式
dispatch({ type: 'decrement' });

可见, useState就是对useReducer的基本封装, 内置了一个特殊的reducer(后文不再区分useState, useReducer, 都以useState为例).创建hook之后返回值[hook.memoizedState, dispatch]中的dispatch实际上会调用reducer函数.

状态初始化

在useState(initialState)函数内部, 设置hook.memoizedState = hook.baseState = initialState;, 初始状态被同时保存到了hook.baseState,hook.memoizedState中.

hook.memoizedState: 当前状态
hook.baseState: 基础状态, 作为合并hook.baseQueue的初始值(下文介绍).

最后返回[hook.memoizedState, dispatch], 所以在function中使用的是hook.memoizedState.

状态更新

有如下代码:

初次渲染时count = 0, 这时hook对象的内存状态如下:

点击button, 通过dispatch函数进行更新, dispatch实际就是dispatchAction:

function dispatchAction<S, A>(
  fiber: Fiber,
  queue: UpdateQueue<S, A>,
  action: A,
) {
  // 1. 创建update对象
  const eventTime = requestEventTime();
  const lane = requestUpdateLane(fiber); // Legacy模式返回SyncLane
  const update: Update<S, A> = {
    lane,
    action,
    eagerReducer: null,
    eagerState: null,
    next: (null: any),
  };

  // 2. 将update对象添加到hook.queue.pending队列
  const pending = queue.pending;
  if (pending === null) {
    // 首个update, 创建一个环形链表
    update.next = update;
  } else {
    update.next = pending.next;
    pending.next = update;
  }
  queue.pending = update;

  const alternate = fiber.alternate;
  if (
    fiber === currentlyRenderingFiber ||
    (alternate !== null && alternate === currentlyRenderingFiber)
  ) {
    // 渲染时更新, 做好全局标记
    didScheduleRenderPhaseUpdateDuringThisPass =
      didScheduleRenderPhaseUpdate = true;
  } else {
    // ...省略性能优化部分, 下文介绍

    // 3. 发起调度更新, 进入`reconciler 运作流程`中的输入阶段.
    scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime);
  }
}

逻辑十分清晰:

创建update对象, 其中update.lane代表优先级(可回顾fiber 树构造(基础准备)中的update优先级).
将update对象添加到hook.queue.pending环形链表.
- 环形链表的特征: 为了方便添加新元素和快速拿到队首元素(都是O(1)), 所以pending指针指向了链表中最后一个元素.
- 链表的使用方式可以参考React 算法之链表操作
发起调度更新: 调用scheduleUpdateOnFiber, 进入reconciler 运作流程中的输入阶段.

从调用scheduleUpdateOnFiber开始, 进入了react-reconciler包, 其中的所有逻辑可回顾reconciler 运作流程, 本节只讨论状态Hook相关逻辑.

注意: 本示例中虽然同时执行了 3 次 dispatch, 会请求 3 次调度, 由于调度中心的节流优化, 最后只会执行一次渲染

在fiber树构造(对比更新)过程中, 再次调用function, 这时useState对应的函数是updateState

function updateState<S>(
  initialState: (() => S) | S,
): [S, Dispatch<BasicStateAction<S>>] {
  return updateReducer(basicStateReducer, (initialState: any));
}

实际调用updateReducer.

在执行updateReducer之前, hook相关的内存结构如下:

function updateReducer<S, I, A>(
  reducer: (S, A) => S,
  initialArg: I,
  init?: (I) => S,
): [S, Dispatch<A>] {
  // 1. 获取workInProgressHook对象
  const hook = updateWorkInProgressHook();
  const queue = hook.queue;
  queue.lastRenderedReducer = reducer;
  const current: Hook = (currentHook: any);
  let baseQueue = current.baseQueue;

  // 2. 链表拼接: 将 hook.queue.pending 拼接到 current.baseQueue
  const pendingQueue = queue.pending;
  if (pendingQueue !== null) {
    if (baseQueue !== null) {
      const baseFirst = baseQueue.next;
      const pendingFirst = pendingQueue.next;
      baseQueue.next = pendingFirst;
      pendingQueue.next = baseFirst;
    }
    current.baseQueue = baseQueue = pendingQueue;
    queue.pending = null;
  }
  // 3. 状态计算
  if (baseQueue !== null) {
    const first = baseQueue.next;
    let newState = current.baseState;

    let newBaseState = null;
    let newBaseQueueFirst = null;
    let newBaseQueueLast = null;
    let update = first;

    do {
      const updateLane = update.lane;
      // 3.1 优先级提取update
      if (!isSubsetOfLanes(renderLanes, updateLane)) {
        // 优先级不够: 加入到baseQueue中, 等待下一次render
        const clone: Update<S, A> = {
          lane: updateLane,
          action: update.action,
          eagerReducer: update.eagerReducer,
          eagerState: update.eagerState,
          next: (null: any),
        };
        if (newBaseQueueLast === null) {
          newBaseQueueFirst = newBaseQueueLast = clone;
          newBaseState = newState;
        } else {
          newBaseQueueLast = newBaseQueueLast.next = clone;
        }
        currentlyRenderingFiber.lanes = mergeLanes(
          currentlyRenderingFiber.lanes,
          updateLane,
        );
        markSkippedUpdateLanes(updateLane);
      } else {
        // 优先级足够: 状态合并
        if (newBaseQueueLast !== null) {
          // 更新baseQueue
          const clone: Update<S, A> = {
            lane: NoLane,
            action: update.action,
            eagerReducer: update.eagerReducer,
            eagerState: update.eagerState,
            next: (null: any),
          };
          newBaseQueueLast = newBaseQueueLast.next = clone;
        }
        if (update.eagerReducer === reducer) {
          // 性能优化: 如果存在 update.eagerReducer, 直接使用update.eagerState.避免重复调用reducer
          newState = ((update.eagerState: any): S);
        } else {
          const action = update.action;
          // 调用reducer获取最新状态
          newState = reducer(newState, action);
        }
      }
      update = update.next;
    } while (update !== null && update !== first);

    // 3.2. 更新属性
    if (newBaseQueueLast === null) {
      newBaseState = newState;
    } else {
      newBaseQueueLast.next = (newBaseQueueFirst: any);
    }
    if (!is(newState, hook.memoizedState)) {
      markWorkInProgressReceivedUpdate();
    }
    // 把计算之后的结果更新到workInProgressHook上
    hook.memoizedState = newState;
    hook.baseState = newBaseState;
    hook.baseQueue = newBaseQueueLast;
    queue.lastRenderedState = newState;
  }

  const dispatch: Dispatch<A> = (queue.dispatch: any);
  return [hook.memoizedState, dispatch];
}

updateReducer函数, 代码相对较长, 但是逻辑分明:

调用updateWorkInProgressHook获取workInProgressHook对象
链表拼接: 将 hook.queue.pending 拼接到 current.baseQueue
状态计算
1. update优先级不够: 加入到 baseQueue 中, 等待下一次 render
2. update优先级足够: 状态合并
3. 更新属性

性能优化

dispatchAction函数中, 在调用scheduleUpdateOnFiber之前, 针对update对象做了性能优化.

queue.pending中只包含当前update时, 即当前update是queue.pending中的第一个update
直接调用queue.lastRenderedReducer,计算出update之后的 state, 记为eagerState
如果eagerState与currentState相同, 则直接退出, 不用发起调度更新.
已经被挂载到queue.pending上的update会在下一次render时再次合并.

function dispatchAction<S, A>(
  fiber: Fiber,
  queue: UpdateQueue<S, A>,
  action: A,
) {
  // ...省略无关代码 ...只保留性能优化部分代码:

  // 下面这个if判断, 能保证当前创建的update, 是`queue.pending`中第一个`update`. 为什么? 发起更新之后fiber.lanes会被改动(可以回顾`fiber 树构造(对比更新)`章节), 如果`fiber.lanes && alternate.lanes`没有被改动, 自然就是首个update
  if (
    fiber.lanes === NoLanes &&
    (alternate === null || alternate.lanes === NoLanes)
  ) {
    const lastRenderedReducer = queue.lastRenderedReducer;
    if (lastRenderedReducer !== null) {
      let prevDispatcher;
      const currentState: S = (queue.lastRenderedState: any);
      const eagerState = lastRenderedReducer(currentState, action);
      // 暂存`eagerReducer`和`eagerState`, 如果在render阶段reducer==update.eagerReducer, 则可以直接使用无需再次计算
      update.eagerReducer = lastRenderedReducer;
      update.eagerState = eagerState;
      if (is(eagerState, currentState)) {
        // 快速通道, eagerState与currentState相同, 无需调度更新
        // 注: update已经被添加到了queue.pending, 并没有丢弃. 之后需要更新的时候, 此update还是会起作用
        return;
      }
    }
  }
  // 发起调度更新, 进入`reconciler 运作流程`中的输入阶段.
  scheduleUpdateOnFiber(fiber, lane, eventTime);
}

为了验证上述优化, 可以查看这个 demo:

异步更新

上述示例都是为在Legacy模式下, 所以均为同步更新. 所以update对象会被全量合并,hook.baseQueue和hook.baseState并没有起到实质作用.

虽然在v17.x版本中, 并没有Concurrent模式的入口, 即将发布的v18.x版本将全面进入异步时代, 所以本节提前梳理一下update异步合并的逻辑. 同时加深hook.baseQueue和hook.baseState的理解.

假设有一个queue.pending链表, 其中update优先级不同, 绿色表示高优先级, 灰色表示低优先级, 红色表示最高优先级.

在执行updateReducer之前, hook.memoizedState有如下结构(其中update3, update4是低优先级):

链表拼接:

和同步更新时一致, 直接把queue.pending拼接到current.baseQueue

状态计算:

只会提取update1, update2这 2 个高优先级的update, 所以最后memoizedState=2
保留其余低优先级的update, 等待下一次render
从第一个低优先级update3开始, 随后的所有update都会被添加到baseQueue, 由于update2已经是高优先级, 会设置update2.lane=NoLane将优先级升级到最高(红色表示).
而baseState代表第一个低优先级update3之前的state, 在本例中, baseState=1

function节点被处理完后, 高优先级的update, 会率先被使用(memoizedState=2). 一段时间后, 低优先级update3, update4符合渲染, 这种情况下再次执行updateReducer重复之前的步骤.

链表拼接:

由于queue.pending = null, 故拼接前后没有实质变化

状态计算:

现在所有update.lane都符合渲染优先级, 所以最后的内存结构与同步更新一致(memoizedState=4,baseState=4).

结论: 尽管update链表的优先级不同, 中间的render可能有多次, 但最终的更新结果等于update链表按顺序合并.

总结

本节深入分析状态Hook即useState的内部原理, 从同步,异步更新理解了update对象的合并方式, 最终结果存储在hook.memoizedState供给function使用.