深入了解React中的任务调度算法
- 青灯夜游转载
- 2022-07-08 20:30:482180浏览
本篇文章带大家学习一下React，深入了解下React中的任务调度算法，希望对大家有所帮助！
React中的任务池
React中的Fiber任务都应该知道吧，而且不同的Fiber任务有不同的优先级，React需要先处理优先级高的任务。例如，用户的点击和输入，这些都是高优先级的任务，因为用户的操作肯定希望马上就会有效果，这样才能提升用户体验。而比如animation事件的优先级肯定要低一点。新进来的高优先级任务进去队列后，React需要优先处理。【相关推荐：Redis视频教程】
为了存储这些任务，React中有两个任务池。
// Tasks are stored on a min heap var taskQueue = []; var timerQueue = [];
taskQueue与timerQueue都是数组，前者存储的是立即要执行的任务，而后者存的则是可以延迟执行的任务。
var newTask = {
id: taskIdCounter++, // 标记任务id
callback, // 回调函数
priorityLevel, // 任务优先级
startTime, // 任务开始时间，时间点
expirationTime, // 过期时间，时间点
sortIndex: -1, // 任务排序，取值来自过期时间，因此值越小，优先级越高
};
React中一旦来了新任务，就会先用currentTime记录当前时间(performance.now()或者Date.now())，如果任务有delay参数，那么任务开始执行时间startTime = currentTime delay;。接下来通过startTime > currentTime如果成立，证明任务是可以延期的，那么任务进入timerQueue，否则进入taskQueue。
React中的任务调度
React怎么找到优先级最高的任务呢，以taskQueue为例，它是动态的任务池（任务队列），数据形式上就是一个数组。当然可以根据优先级进行排序，也就是Array.sort，当有新任务入队后，先排序，然后找出优先级最高的任务执行。但是Array.sort的平均时间复杂度是O(nlogn)，并不是最好的解决方案。
taskQueue的newTask中排序用的是sortIndex，这个值取自过期时间expirationTime，也就意味着优先级越高的任务越需要理解执行，那么过期时间就越小，也就是说，优先级越高，过期时间就越小，sortIndex自然就越小。其实，这就是一种优先队列。
优先队列
优先队列也是一种队列（首先它是一个队列，其次是尾进头出），只不过不同的是，优先队列的出队顺序是按照优先级来的；在有些情况下，可能需要找到元素集合中的最小或者最大元素，可以利用优先队列ADT来完成操作，优先队列ADT是一种数据结构，它支持插入和删除最小值操作（返回并删除最小元素）或删除最大值操作（返回并删除最大元素）。
如果最小键值元素拥有最高的优先级，那么这种优先队列叫做，升序优先队列（即总是先删除最小的元素）。类似的，如果最大键值元素拥有最高的优先级，那么这种优先队列叫作降序优先队列（即总是先删除最大的元素）；由于这两种类型时对称的，所以只需要关注其中一种，如升序优先队列。
例如：买车票的时候，我们都在排队，优先级是一样的，谁在队伍前面，谁就先买票，但是这时候来了个军人，他的优先级高，直接就排在了队伍的最前面。
在React中用最小堆（小根堆，小顶堆。。。）来实现这种功能。就是把taskQueue变成最小堆，然后取出对顶任务执行，对taskQueue堆化，维持它依然是一个最小堆的数据结构。往taskQueue插入新任务的时候，也要进行堆化，始终保持它是一个最小堆。
优先队列和堆的关系
有些地方称堆为优先队列（不准确），首先它是队列，有队列的特性，也就是“先进先出”。其次这个队列中的元素是有优先级的，优先级高的会排在前面。
准确来说，堆是实现优先队列的一种方式。当然优先队列还可以用其他方式来实现。
React中的最小堆
之前我们说过堆排序是不稳定排序，但taskQueue希望这个过程是稳定的，也就是说，如果有可能两个任务的过期时间一样，那这个时候就要看谁先进入的任务池了，也就是newTask的id的值，每次来了新任务，id都会加1。
function compare(a, b) {
// Compare sort index first, then task id.
const diff = a.sortIndex - b.sortIndex;
return diff !== 0 ? diff : a.id - b.id;
}
最小堆
在了解最小堆之前，先来温习一下基础知识。
二叉树
是指树中节点的度不大于2的有序树，它是一种最简单且最重要的树。
满二叉树
除最后一层无任何子节点外，每一层上的所有结点都有两个子结点的二叉树。
从图形形态上看，满二叉树外观上是一个三角形。
如果一个二叉树的层数为K，且结点总数是(2^k) -1 ，则它就是满二叉树。
满二叉树，是“女儿双全”，非常圆满，所以叫满二叉树。
完美二叉树
除去叶子节点, 所有节点的度都是 2。也就是说，所有的节点的度只能是0或2。
完美二叉树，要么没有孩子，要么儿女双全。
满二叉树 VS 完美二叉树
满二叉树的英文原文：
A Full Binary Tree (FBT) is a tree in which every node other than the leaves has two children.
完美二叉树的英文原文：
A Perfect Binary Tree(PBT) is a tree with all leaf nodes at the same depth. All internal nodes have degree 2.
国外的所有书籍参考的是最早翻译的关于满二叉树，和完美二叉树的教材，但是最早翻译的文章翻译错了。现在国内的话，我们只能将错就错了（所有人都错，那错的也就是对的了。比如说客。。。）。如果要和外国友人讨论这两个概念，就要注意了哦。
完全二叉树
A Complete Binary Tree （CBT) is a binary tree in which every level,except possibly the last, is completely filled, and all nodes are as far left as possible.
一棵深度为k的有n个结点的二叉树，对树中的结点按从上至下、从左到右的顺序进行编号，如果编号为i（1≤i≤n）的结点与满二叉树中编号为i的结点在二叉树中的位置相同，则这棵二叉树称为完全二叉树。
- 除了最后一层外, 所有层都完美填充
- 最后一层所有叶子节点靠左对齐
堆
堆是一棵完全二叉树。
堆总是满足下列性质：
- 堆总是一棵完全二叉树；
- 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；
还要先认识下大根堆和小根堆，完全二叉树中所有节点均大于(或小于)它的孩子节点，所以这里就分为两种情况，最大堆和最小堆。
最大堆
- 如果所有节点**「大于」孩子节点值，那么这个堆叫做「最大堆」**，堆的最大值在根节点。
最小堆
- 如果所有节点**「小于」孩子节点值，那么这个堆叫做「最小堆」**，堆的最小值在根节点。
堆通常是一个可以被看做一棵 完全二叉树 的数组对象。 当然，二叉树也可以用数组表示。
堆的实现
核心思想是，先建堆，后调整。
创建堆
对于二叉树(数组表示)，我们从下往上进行调整，从**「第一个非叶子节点」**开始向前调整，对于调整的规则如下：
建堆是一个O(n)的时间复杂度过程。
①从第一个非叶子节点开始判断交换下移(shiftDown)，使得当前节点和子孩子能够保持堆的性质
②但是普通节点替换可能没问题，对如果交换打破子孩子堆结构性质，那么就要重新下移(shiftDown)被交换的节点一直到停止。
调整堆
堆构造完成，取第一个堆顶元素为最小(最大)，剩下左右孩子依然满足堆的性值，但是缺个堆顶元素，如果给孩子调上来，可能会调动太多并且可能破坏堆结构。
① 所以索性把最后一个元素放到第一位。这样只需要判断交换下移(shiftDown）,不过需要注意此时整个堆的大小已经发生了变化，我们在逻辑上不会使用被抛弃的位置，所以在设计函数的时候需要附带一个堆大小的参数。
② 重复以上操作，一直堆中所有元素都被取得停止。
而堆算法复杂度的分析上，之前建堆时间复杂度是O(n)。而每次删除堆顶然后需要向下交换，每个个数为logn个。这样复杂度就为O(nlogn)，总的时间复杂度为O(n)+O(nlogn)=O(nlogn)。
堆的应用场景
堆适合维护集合的最值。
堆pop出一个元素后，再次调整获取堆顶元素（也就是第二个最值）的花销比较低，因为pop出元素后，堆是一个半成品，在一个半成品上获取第二个最值的cost当然比较低，时间复杂度为O(logn)，但如果遍历一遍找到第二个最值的话，时间复杂度为O(n)。
代码实现
代码采用Javascript ES6的写法。
代码
class Heap {
constructor(data, comp) {
this.data = data ? data : [];
// 比较规则：更加灵活，可以比较数值，也可以比较对象
this.compartor = comp ? comp : (a-b) => a-b;
// 调整为堆(优先队列)
this.heapify();
}
heapify() {
if(this.size() =0; i--) {
// 调整堆, 向下调整也可以用递归来实现，这里用迭代来实现
this.shiftDown(i);
}
}
// 向下调整
shiftDown(i) {
let left = 2*i +1;
let right = 2*i +2;
let len = this.size();
while(i =0 ) {
let findIndex = i;
if(this.compartor(this.data[parentIndex], this.data[findIndex]) > 0) {
findIndex = parentIndex;
}
if(findIndex !== i) {
[this.data[i], this.data[findIndex]] = [this.data[findIndex], this.data[i]];
i = findIndex;
parentIndex = Math.floor((i-1)/2);
}
else {
break;
}
}
}
// 获取堆中所有元素的个数
size(){
return this.data.length;
}
// 获取堆首部元素
peek(){
if(!this.size()) return null;
return this.data[0];
}
// 往堆中添加一个元素
push(x){
this.data.push(x);
this.shiftUp(this.data.length-1);
}
// 从堆里弹出堆首元素
pop(){
if(!this.size()) return null;
let res = this.data[0];
if(this.size() == 1) {
this.data.pop();
}
else {
this.data[0] = this.data[this.data.length-1];
this.data.length = this.data.length-1;
this.shiftDown(0);
}
return res;
}
}
测试
let arr = [2,9,8,6,3,10,5,7,4,1];
let comp = (a, b) => a-b;
let heap = new Heap(arr, comp);
let res = [];
while(heap.size()) {
res.push(heap.pop());
}
console.log(res);
arr里的元素也可以是一个对象。
React源码部分
React源码中的目录packages/scheduler，就是React的任务调度模块相关的代码。
https://github.com/facebook/react/blob/17.0.2/packages/scheduler/src/Scheduler.js
https://github.com/facebook/react/blob/17.0.2/packages/scheduler/src/SchedulerMinHeap.js
/**
* Copyright (c) Facebook, Inc. and its affiliates.
*
* This source code is licensed under the MIT license found in the
* LICENSE file in the root directory of this source tree.
*
* @flow strict
*/
type Heap = Array<node>;
type Node = {|
id: number,
sortIndex: number,
|};
export function push(heap: Heap, node: Node): void {
const index = heap.length;
heap.push(node);
siftUp(heap, node, index);
}
export function peek(heap: Heap): Node | null {
const first = heap[0];
return first === undefined ? null : first;
}
export function pop(heap: Heap): Node | null {
const first = heap[0];
if (first !== undefined) {
const last = heap.pop();
if (last !== first) {
heap[0] = last;
siftDown(heap, last, 0);
}
return first;
} else {
return null;
}
}
function siftUp(heap, node, i) {
let index = i;
while (true) {
const parentIndex = (index - 1) >>> 1;
const parent = heap[parentIndex];
if (parent !== undefined && compare(parent, node) > 0) {
// The parent is larger. Swap positions.
heap[parentIndex] = node;
heap[index] = parent;
index = parentIndex;
} else {
// The parent is smaller. Exit.
return;
}
}
}
function siftDown(heap, node, i) {
let index = i;
const length = heap.length;
while (index <p>我们自己实现的最小堆和React中的实现略有不同，但是思路是一样的，只是代码写法不同而已。</p>
<h2 data-id="heading-22"><strong>总结</strong></h2>
<p>React中的任务调度是用最小堆来实现的，如果我们之前就对最小堆有一定了解，那在学习这块内容的时候就会更快一点。个人认为，前期知识积累是多么重要啊，但是这个过程可能会比较枯燥。 这个时候，是不是觉得自己也会一些算法了，其实这些算法是入门级别的，甚至还没有入门。因为在React的任务调度场景中，要实现的需求是非常明确的，而且要采用什么样的数据结构和算法也是明确的。在实际的一些场景中，我们知道了具体的需求，但是并不知道用什么数据结果和算法，就需要把需求抽象一下，根据抽象的数据模型来设计具体的数据结构和算法，这些才是重点。</p>
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