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スコープとライフタイムで考えるReact State再考

2022/05/20に公開

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ReactはじめSPAのStateは大きく2種類、Local State・Global Stateの2種類でおおよそのStateの分類が可能であると考えていました。これに対し会社の先輩から意見をもらって、以下2点に気づきました。

Global Stateには大きく、Client StateとServer Stateの2つがある
Stateにはライフタイム（生存期間）が存在し、Client Stateにはスコープ的Globalと時間的Globalの2つが含まれている

これらを意識すると、自分はStateの実装を結構感覚的にやってしまっていたなと気づいたので、Stateの分類について改めてまとめてみようと思います。Reactで何かしらのStateを実装する時に、本稿の分類が実装の参考になれば幸いです。

スコープによるStateの分類

まずこれまで自分が認識してたスコープにおけるStateの分類について触れておきます。以下の2種類で分類可能と考えていました。

Local State: コンポーネント単位のState。useStateによって管理し、コンポーネントがアンマウントされるまで生存する。
Global State: 複数のコンポーネントから利用されうる、もしくはページを跨いで利用するState。APIレスポンスやUIの状態などで、ReduxやRecoil、Context APIなどを通じて管理されることが多い。

RecoilやRedux tool kitなどを使ってると、APIレスポンスとUIの状態を1つのライブラリで管理できるのでこのように考えていたわけですが、先述の通りGlobal Stateと一纏めにしてしまっているものはClient StateとServer Stateに分離できます。分離後の定義は以下です。

Local State: コンポーネント単位のState。useStateによって管理し、コンポーネントがアンマウントされるまで生存する。
Client State: 複数のコンポーネントから利用されうる、もしくはページを跨いで利用するState。~~APIレスポンスや~~UIの状態などで、ReduxやRecoil、Context APIなどを通じて管理されることが多い。
Server State: APIサーバーからのレスポンスやそのキャッシュ。SWRやReact Queryの内部で管理されてるものを指す。ReduxやRecoilでも管理されることがある。

Client Stateはクライアントサイドに閉じたスコープですが、Server Stateはクライアントサイドからサーバーサイドまで含む、非常に大きなスコープのStateです。Client Stateは基本内部実装で完結しますが、Server Stateは当然fetchなどを介すため、Client StateとServer Stateは同じGlobal Stateで括られていましたが実装は大きく異なります。

以下参考記事です。

細かい用語は違えど、上記記事でもそれぞれ同じよう分類を行っています。

こちらでは本稿とほぼ同様の3種類の分類か、データカテゴリによる分類（Data,Control/UI,Session,Communication,Locationの5つ）が可能とされています。

Remixのコントリビュータのブログでは、Local/Globalなどの分類ではなく「全てのStateはUI StateかServer Cacheの2つに分けられる」と主張しています。

これらの参考記事は非常に勉強になるので時間のある方はそれぞれ一読することをお勧めします。

State分類とライブラリ

前述の通り、Client StateとServer Stateは実装が大きく異なるのでそれぞれ個別に実装方針を練ることができます。個人的には以下のような実装がお勧めです。

Local State: React.useState
Client State: Recoil
Server State: SWR

Recoilでもasync selectorを使えばSWRのようにAPIレスポンスのキャッシュなどを扱うこともできますが、実装がSWRより少々冗長な気がするのでServer Stateに対してそれに特化したライブラリを選定するのがお勧めです。以下はこれらの利用コード例です。

// Recoil
const currentUserID = useRecoilValue(currentUserIDState);
const currentUserInfo = useRecoilValue(userInfoQuery(currentUserID));
const refreshUserInfo = useRefreshUserInfo(currentUserID);

// SWR
const { data: user } = useSWR(['/api/user', userId], fetchWithUserId)

利用するコンポーネント内でも上記のように3つのhooksが必要になってきますし、currentUserIDState/userInfoQuery/useRefreshUserInfoの定義も必要になってきます。一方SWRでは1行で利用でき、必要な定義はuserIdとfetchWithUserIdの2つです。

State分類の細分化の余地

スコープによる分類によって実装分担が明確になりましたが、ここでStateのライフタイムの観点を持って考えてみるとまだ問題が混在してる箇所があります。Client Stateの一部をStorageと同期させる場合や、Historyに関連づける場合です。同じClient Stateを名乗っていてもこれらは生存期間が異なり、個別の実装や関連ライブラリが必要になります。

ライフタイムによるStateの分類

スコープによって大きく3つに分けられたStateの分類を、ライフタイムでより細分化して実装方針を考察したいと思います。改めて定義すると、本稿で言うライフタイムはStateの生存可能期間を指しています。なのでユーザーのインタラクションによるStateの削除などは含めず、システム的に生存が可能な期間でのみ分類を行なっています。

先に分類したStateをライフタイムで細分化すると以下のようになります。

Local State
- Component unmount
Client State
- Javascript memory
- Browser history
- URL Persistence
- Browser storage
Server State
- Server

Local StateとServer Stateは対応するものが1つづつですが、Client Stateは3つのライフタイムを含んでいます。細分化したライフタイムについてそれぞれ見ていきましょう。

1. Component unmount

Component unmountは文字通りコンポーネントがアンマウントされるまでになります。これはuseStateのみで利用することとほぼ同義で、Local Stateのみがこのライフタイムを持ちます。（Client Stateでアンマウント時にリセットすることで同様の実装は一応可能ですが、Global Stateにする意味はないのでuseStateの方が最適と考えられます）。

2. Javascript memory

Javascript memoryはJavascriptのメモリが解放されるまで、つまりSPAにおいては「リロードや離脱が発生するまで」になります。スコープにおける分類のClient Stateの最もベーシックな使い方（単に値をGlobalに持つだけ）がこの分類にあたります。

3. Browser history

Browser historyはブラウザの履歴が破棄されるまで、実装的にはhistory.push やreplaceState によって履歴に対してState Objectが関連付けられるので、このObjectが破棄されるまでになります。実際にObjectが破棄されるタイミングは以下仕様を確認した限りブラウザの実装によりそうですが、documentが非アクティブなタイミングで破棄されうるようです。

ちなみにnext.jsだと内部的にreplaceStateで全て独自のObjectで置き換えられてしまうため、Browser historyなStateは実装できないようです。

4. URL Persistence

URL PersistenceはBrowser historyに近しいですが、こちらはURLが履歴やブックマークに存在する限り生存可能なライフタイムです。URLに基づきStateを初期化・Stateが更新されるたびにURLを更新をおこないます。こちらもhistory.push やreplaceState を駆使して実装する（もしくはライブラリを通して利用する）ことになります。

5. Browser storage

Browser storageはLocal StorageやSession StorageなどのWeb Storageに保存した場合、つまりこれらがブラウザによって破棄されるまでになります。要件・要望としては多いようで、State管理の関連ライブラリでStorageと一部同期するもの（後述のrecoil-persist やredux-persist ）が多数存在します。

6. Server

最後はServer、管理者によってサーバー側のデータベースから削除されるまでです。これはもちろんServer Stateのみが持つことができるライフタイムです。

State分類とライブラリ

一部のライフタイムはスコープによる分類とほぼ同義なので、対応する実装方針を組むことができます。

Component unmount: React.useState
Javascript memory: Recoil
Server: SWR

Browser storageなStateの実装はrecoil-persist やredux-persist など、要望が多いのか関連ライブラリがよく提供されるのでこれらを利用することで簡単に実装できます。

一方でBrowser historyは僕が知らないだけかもしれませんが、History APIによって履歴のエントリーにStateを同期するようなライブラリは見つかりませんでした。これらはreact-router などのState管理ライブラリ以外でサポートされていることの方が多いようです。一方、Next.jsは先述の通り内部で独自のObjectでreplaceしてしまうので、実装自体不可能だったりします。

以下はこれらを踏まえた、ライフタイムに対応する実装方針の1案です。

Component unmount: React.useState
Javascript memory: Recoil
Browser history: routerなどのhistoryを利用/自前で実装/不可能
URL Persistence: 後述のrecoil-sync/自前で実装
Browser storage: recoil-persist
Server: SWR

ライフタイムの分類から見えてくるSPAの問題点

ここまででBrowser historyなライフタイムStateの実装だけ難易度が高いことはおわかりいただけたかと思います。しかしUX面で言うと、本来多くのStateはBrowser historyなライフタイムであって欲しいものです。例えば「アコーディオンを開いた」というStateはSPAでなかった場合には履歴に紐づくものです。SPAだとブラウザバックしたら全てのアコーディオンが閉じてしまってるような経験がある方もいるでしょうが、これらの望ましい体験としてはやはり「履歴に紐づいて復元される」ことだと考えられます。

しかし現実には復元されないSPAが多いように感じますし、関連ライブラリの少なさなどからも実装難易度が高いのが現状です。Recoilの場合、recoil-sync というライブラリを公式が開発中で、これによりURL PersistenceなStateの実装が容易になりそうなので、個人的にはこういったライブラリが増えることを期待しています。

余談: Next.jsのscroll amnesiaのFix PR

Browser historyなライフタイムStateの代表格の1つに、スクロール位置があります。ブラウザバック時などにスクロール位置を復元することをscroll restoration、スクロール位置の喪失をscrolling amnesiaと呼ぶそうです。Next.jsではconfigでexperimental.scrollRestoration = trueにすると、ブラウザバック時にスクロール位置が復元されます。

これにリロードが絡むと履歴とスクロール位置の紐付けが壊れて、復元に失敗してしまうケースがあるのを修正したPRを出しているんですが、なかなかマージされません。

2022/05/23 追記 こちらマージされました。リアクションなどいただいた方ありがとうございました。

そこそこケース的に気付きづらいというのもあるのでしょうが、おそらくレビューアーの中で優先度が低いのでしょう。。。このPRで議論してることとして、「historyのkeyを公開したい」という話があります。keyを公開するとhistoryのエントリを一意に識別することができるので、Browser historyなStateをNext.jsでも実装できるようになります。RemixのLocation やWICGで検討されてるnavigation-api ではkeyは公開されていますし、個人的にはやはり公開したいところなんですが、以前出したPRでもなかなかレスが得られませんでした。Browser historyなライフタイムのStateの実装にはkeyは必須なので、賛同いただける方上記PRにリアクションやコメント下さるとありがたいです🙇‍

まとめ

少し長くなってしまいましたが、大きく主張したいこととしては大きく以下のみです。

Stateはスコープやライフタイムによって分類され、分類ごとに実装方針を検討するのが良さそう
Stateごとにあるべきライフタイムを考えて実装しよう

ご覧いただき、ありがとうございました。

参考

Rustにおけるライフタイム

単語の借用元であるRustのライフタイムについても軽く触れておきます。興味のある方はRustのThe Book と呼ばれる入門サイトがあるので、こちらを参照ください。

Rustのライフタイムは簡単にいうと、変数の生存期間を管理し生存期間を抜けた変数はメモリ的に解放されます。例えばJavascriptでは以下のコードが成り立ちます。

let r = 0

{
  let x = 5
  r = x
}

console.log(r) // output: 5

一方Rustではほぼ似たようなコードを書くと、コンパイルエラーがおきます。

{
    let r;

    {
        let x = 5;
        r = &x;
    }

    println!("r: {}", r);
}

$ cargo run
   Compiling chapter10 v0.1.0 (file:///projects/chapter10)
error[E0597]: `x` does not live long enough
（エラー[E0597]: `x`の生存期間が短すぎます）
  --> src/main.rs:7:17
   |
7  |             r = &x;
   |                 ^^ borrowed value does not live long enough
   |                   (借用された値の生存期間が短すぎます)
8  |         }
   |         - `x` dropped here while still borrowed
   |          (`x`は借用されている間にここでドロップされました)
9  | 
10 |         println!("r: {}", r);
   |                           - borrow later used here
   |                            (その後、借用はここで使われています)

error: aborting due to previous error

For more information about this error, try `rustc --explain E0597`.
error: could not compile `chapter10`.

To learn more, run the command again with --verbose.

&xは変数xの参照を表しており、このエラーは変数xの生存期間が短すぎる旨を表しています。Rustでは変数がスコープを抜ける時にその変数のメモリを解放します。解放したメモリに対する参照が残ってしまうと、簡単にバグの温床となるでしょう。Rustではこれを防ぐために、コンパイラが変数にライフタイムという注釈をつけて生存期間を管理しているわけです。先の例のライフタイムは以下のように、変数rには'a、変数xには'bというライフタイム注釈が付与されて、'bの枠を超えてxは生存できない決まりになっています。

{
    let r;                // ---------+-- 'a
                          //          |
    {                     //          |
        let x = 5;        // -+-- 'b  |
        r = &x;           //  |       |
    }                     // -+       |
                          //          |
    println!("r: {}", r); //          |
}                         // ---------+

関数の戻り値などでライフタイムをコンパイラに明示するために、<'a>のようにライフタイムを明示することもできますが、本稿では触れないので気になる方は前述のThe Book を参照ください。

Discussion

ki504178

@akfm.sato
細かい点ですが、こちらの書き出しの部分でタイポしているようなのでご報告です。
Component mount　⇨ Component unmount

akfm_sato

@ki504178 ご指摘ありがとうございます！