はじめに

react-redux と redux と @reduxjs/toolkit のソースコードの主要部分を読んだので、redux と react-redux の内部動作について自分なりに解説してみようと思います。
また、redux を使わなくても少しコードを追加するだけで react-redux を動かせると思ったので試してみました。

注意・前提

本稿は hooks API を前提にしており、connect API のことは考慮しておりません。¹

前提とするバージョンは以下の通りです。

react-redux: 7.2.3
redux: 4.0.4

対象読者

「Redux の基本的な動作（react-redux と関係する部分のみ解説）」まで

redux と react-redux（hooks API）は使ったことがあるけど、redux と react-redux の内部的な動作は分からないという方

「“Reduxもどき” を作成して動かしてみる」以降

Redux Toolkit Quick Start のソースコードを読んだことのある方

[^linked list]: react-redux では Array ではなく、linked list が使われています

react-redux の Provier が store（createStore の戻り値）に求めているプロパティ【必須３メソッド】

Provider.js の PropTypes を見てみると、store インスタンスのプロパティとして subscribe、dispatch、getState （以下、「必須３メソッド」と呼称）が必要であることが分かります。「必須３メソッド」についての概要は後述します。

Provider.js（一部抜粋）

if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
  Provider.propTypes = {
    store: PropTypes.shape({
      subscribe: PropTypes.func.isRequired,
      dispatch: PropTypes.func.isRequired,
      getState: PropTypes.func.isRequired,
    }),
    context: PropTypes.object,
    children: PropTypes.any,
  }
}

Redux の基本的な動作（react-redux と関係する部分のみ解説）

State (Store内部) の変化の様子

redux では reducer（(B, A) => B）を使って store 内で保持している state （以下 currentState と記載）を更新します。
単に reducer と言った時には、A、B は任意の型ですが、redux では B は currentState、A は Action です。
currentState が reducer と Action によって initialState -> State1 -> State2 と変遷する様子を図示します。

[^mermaid 1]
[^mermaid 1]: mermaidを利用 graph TD
S0[B: initialState]-->R1((reducer: B, A => B))
A1[A: Action1] -- type:x1 payload: y1 -->R1
R1 --> S1[B: State1]
S1-->R2((reducer: B, A => B))
A2[A: Action2] -- type:x2 payload: y2 -->R2
R2 --> S2[B: State2]

必須３メソッド（getState、subscribe、dispatch）の概要

※ 分かりやすさ優先のため、説明で用いる変数名は実際の変数名とは異なる場合があります。すべてのパターンを網羅した完全な説明ではなく、あくまでも概要です。

`getState`

store の内部変数 currentState を取得します。

Redux Toolkit Quick Start においては、currentState は { counter: { value: number } } です。

`subscribe`

store の内部変数²listeners³ に notify関数（後述）を“登録”（※）します。
最初に実行される useSelector hook にて実行されます。⁴

※ redux の listeners は Array なので、“登録”というのは、listeners.push(notify関数) を意味します。

なお、戻り値は subscribe で登録した notify関数を listenersから除去する unsubscribe関数です。

`notify`関数について

redux には Observer パターンが用いられていますが、redux-react にも Observer パターンが用いられていて[^Observer パターン]、redux-react は内部に lisners をもっています。 redux-react 内の lisners には useSelector hook にて checkForUpdates関数が登録されます⁴ （checkForUpdates関数については後述）。react-redux 内の lisners（checkForUpdates関数の配列[^正確には linked list]）を全て実行する関数が notify関数です。

[^正確には linked list]: 正確には linked list。

`dispatch`

useDispatch hook で取得する、dispatch です。
大きく分けて以下の２つのことを行います。

currentState = reducer(currentState, action) ³
store 内部変数 lisners³ に登録された全ての関数を実行（※）
(3. 引数の action をそのまま return)

※ redux(store)内のlisteners には、基本的には notify関数の１つしか登録されないため、実際に実行される関数は notify関数だけです。（ただし、react-redux 以外のコードが subscribe を使用している場合はこの限りではありません。）

（useSelector 内の）checkForUpdates 関数の概要

store.getState() で currentState を取得（store はレンダー時に Provider（Contex）から取得）
useSelector 第一引数の selector を用いて currentState から対象データを取得し、latestSelectedState.current に保存
前回保存対象データ（※１）と最新対象データ(2.) を比較（デフォルト：Strict equality (===) で比較／第二引数 equalityFn が渡されていれば、それを利用して比較）
(3.) の比較結果が false なら（対象データが前回と異なるデータなら） forceRender（※２）で強制的にコンポーネントを再レンダーする

※１前回実行時、(2.)にて latestSelectedState.current に保存したデータ
※２ forceRender: const [, forceRender] = useReducer((s) => s + 1, 0)

必須３メソッドまとめ

	redux (store)	react-redux
lisners に登録される関数	notify（react-redux 内の listeners（checkForUpdatesたち）を全て実行する関数）	checkForUpdates
lisners に登録される関数の数	１つ（Provider につき１つ）	useSelector 等の個数
lisners に登録された関数が実行されるタイミング	dispatch 実行時	dispatch 実行時
dispatchの実行 -> listenrs(redux)の実行 -> `notify`関数の実行 -> lisners(react-redux)の実行 -> 全てのcheckForUpdatesの実行という流れになります。
つまり、`useSelector` 等で登録された `checkForUpdates` 関数たちが `dispatch` で全部実行されるということになります。
`dispatch` を実行すると、useSelector の数だけ⁴、「selectorによるデータ取得及びデータの比較」が実行されます。

“Reduxもどき” を作成して動かしてみる

「Redux の基本的な動作（react-redux と関係する部分のみ解説）」を踏まえて Redux を模倣した簡単なソースコードを書いてみます。

State (Store内部) の更新方針

“Reduxもどき” では、簡略化のため、(prevState: S) => S という形の関数（以下、modifier と呼称）で store の内部変数 currentState を更新します。
currentState を変更させる関数として、
(B, A) => B⁵ (reducer)
ではなく、

const [count, setCount] = React.useState(0);
const add = (a) => (b) => a + b // modifierCreator: (A) => (B) => B
const inclement = add(1) // 👈 modifier: (B) => B （ここでは、(number) => number）
// modifier の使い方： setCount(inclement)

currentState が modifier によって initialState -> State1 -> State2 と変遷する様子を図示します。

[^mermaid 2]
[^mermaid 2]: mermaidを利用 graph TD
S0[B: initialState]-->R1((modifier : B => B))
R1 --> S1[B: State1]
S1-->R2((modifier : B => B))
R2 --> S2[B: State2]

必須３メソッド（getState、subscribe、dispatch）の動作方針

`getState`

redux と同じです。（store の内部変数² currentState を取得します。）

`subscribe`

notify関数をlisteners配列に push するのではなく、listener変数に代入します。
listeners に登録されるものが基本的には notify関数だけであることを示すためです。

戻り値は notify関数を listener変数から破棄する unsubscribe関数です。

`dispatch`

引数として Action ではなく、modifier （(B)=>Bの関数）を渡します。
大きく分けて２つのことを行います。

currentState = modifier(currentState)
listener変数に代入された notify関数を実行

必須３メソッドにおける主な相違点まとめ

redux との一番の違いは dispatch における currentState の変更方法が
reducer（(B, A) => B）から modifier（(B) => B）になっている部分です。

	redux	reduxもどき
getState	（`currentState`の取得）	（相違点なし）
subscribe	`listeners`配列に `notify`関数を push	`listener`変数に `notify`関数を代入
dispatch	currentState = reducer(currentState, action)	currentState = modifier(currentState)

ソースコードの変更

以上を踏まえて redux の createStore を自作してみます。

src/app/store.js の変更（createStore の自作）

変更前のソース（Github）

src/app/store.js

import { configureStore } from '@reduxjs/toolkit'; // redux の `createStore` を内部で利用
import counterReducer from '../features/counter/counterSlice';

export default configureStore({
  reducer: {
    counter: counterReducer,
  },
});

変更後のソース（Github）

src/app/store.js

import initialState from '../features/counter/counterSlice'; // counterSlice は後述

// 前述の「必須３メソッド（getState、subscribe、dispatch）の動作方針」通りに実装
const createStore = initialValue => {
  let currentState = initialValue; // state を初期化
  let listener; //  notify関数 の代入先内部変数
  const store = {
    getState: () => currentState,
    subscribe: notify => {
      listener = notify; // notify関数 を代入
      return function unsubscribe() {
        listener = undefined; // notify関数 を破棄
      };
    },
    dispatch: modifier => {
      currentState = modifier(currentState); // state を更新
      listener && listener(); // notify関数 を実行
    },
  };
  return store;
};

export default createStore(initialState);

src/features/counter/counterSlice.js の変更

変更前のソース（Github）

src/features/counter/counterSlice.js（コメントは省略）

import { createSlice } from '@reduxjs/toolkit';

export const slice = createSlice({
  name: 'counter',
  initialState: {
    value: 0,
  },
  reducers: {
    increment: state => {
      state.value += 1;
    },
    decrement: state => {
      state.value -= 1;
    },
    incrementByAmount: (state, action) => {
      state.value += action.payload;
    },
  },
});

export const { increment, decrement, incrementByAmount } = slice.actions;

export const incrementAsync = amount => dispatch => {
  setTimeout(() => {
    dispatch(incrementByAmount(amount));
  }, 1000);
};

export const selectCount = state => state.counter.value;

export default slice.reducer;

変更後のソース（Github）

src/features/counter/counterSlice.js

// import { createSlice } from '@reduxjs/toolkit'; // -
import produce from 'immer';                       // + 
// immer は redux toolkit 内部で利用されているライブラリ

export const entier = {
  // initialState: B = { counter: { value: number } }  slice ではなく、state 全体
  initialState: { 
    counter: { value: 0 },
  },
  // modifierCreator: A => B => B
  modifierCreators: {
    //         A => B     => B          (immer なしの場合 / A は不要)
    increment: _ => state => ({ 
      ...state,
      counter: {
        ...state.counter,
        value: state.counter.value + 1,
      },
    }),
    //         A =>         B     => B  (immer ありの場合 / A は不要)
    decrement: _ => produce(state => {
        state.counter.value -= 1;
      }),
    //                 A      =>         B     => B     （ A は number ）
    incrementByAmount: amount => produce(state => {
        state.counter.value += amount;
      }),
  },
};

// dispatch には action creator の戻り値ではなく、modifier creator の戻り値を渡す
// export const { increment, decrement, incrementByAmount } = slice.actions;        // -
export const { increment, decrement, incrementByAmount } = entier.modifierCreators; // +  

// incrementAsync  変更なし

// selectCount  変更なし

// export default slice.reducer;    // -
export default entier.initialState; // +

src/features/counter/Counter.js の変更

@reduxjs/toolkit の configureStore が返す store の dispatch は redux-thunk を含む middleware が合成された dispatch です（※）。今回実装した dispatch にはそのような合成を行っていないので、redux-thunk の合成なしで動くような書き方に変更します。

src/features/counter/Counter.js

-  onClick={() => dispatch(incrementAsync(Number(incrementAmount) || 0))}
+  onClick={() => incrementAsync(Number(incrementAmount) || 0)(dispatch)}

※ この説明では知ってる人にしか分からないと思いますが、本稿では Async を扱うロジックの詳細な説明は割愛させていただきます。

デモおよびオリジナルとの差分

以上３つのファイルの修正で redux なしで react-redux が動くようになりました。
デモはこちら（CodeSandbox）を参照ください。
オリジナルとの差分はこちらを参照ください。

おまけ： ramda ライブラリを利用した場合

JavaScript プログラマのための関数型ライブラリである ramda を使うと
変更後の src/features/counter/counterSlice.js をスッキリ記述することができます。

src/features/counter/counterSlice.js

import * as R from 'ramda';

const lens = R.lensPath(['counter', 'value']); 

export const entier = {
  // initialState: B = { counter: { value: number } }
  initialState: {
    counter: { value: 0 },
  },
  // modifierCreator: A => B => B
  modifierCreators: {
    increment: _ => R.over(lens, R.inc),
    decrement: _ => R.over(lens, R.dec),
    incrementByAmount: amount => R.over(lens, R.add(amount)),
  },
};

export const { increment, decrement, incrementByAmount } = entier.modifierCreators;

// incrementAsync 変更なし

export const selectCount = R.view(lens);

export default entier.initialState;

変更後ソースコード（immer 利用バージョン）と変更後ソースコード（ramda 利用バージョン）との差分はこちらを参照ください。
デモはこちら（CodeSandbox）を参照ください。

ramda のススメ

ramda のドキュメントは検索性に優れ、全ての関数に説明と例が記載されており、しかも「Run it here」ですぐに動作を試せるという至れり尽くせりなドキュメントです。
ramda の全ての関数は破壊的な変更を行わないので、React の state の更新にもってこいです。
例えば evolve を使えば下記の increment1 のような書き方をせずに react の state を更新できます。

import * as R from 'ramda';

const increment1 = state => ({
  ...state,
  counter: {
    ...state.counter,
    value: state.counter.value + 1,
  },
});

const increment2 = state =>
  R.evolve({ counter: { value: value => value + 1 } }, state); // 通常利用ver

const increment3 = R.evolve({ counter: { value: value => value + 1 } }); // カリー化利用ver

const increment4 = R.evolve({ counter: { value: R.inc } }); // ramda フル活用ver

// console.log(incrementX({ counter: { value: 0 } })  ->  { counter: { value: 1 }}

ramda の関数は全てカリー化されていますが、通常の関数と同様に（カリー化された関数であることを意識せずに）使えるので、カリー化を知らない人も利用できます。

[^Observer パターン]: 参考: The Observer Pattern In JavaScript as Implemented By Redux 及び An Obsession with Design Patterns: Redux。react-redux が Observer パターンを使っていると明言している記事は見つかりませんでしたが、Observer パターンに近い実装であることは間違いないと思います。

公式サイト(💡TIP)では「React-Redux hooks APIをデフォルトとして使用すること」が勧められているので hooks API の理解を優先しました。 ↩
内部変数は「クロージャ内に存在するアクセスを制限された変数」という意味合いで用いています。 ↩ ↩²
実際の変数名とは異なります。ここでは理解しやすさを優先しています。 ↩ ↩² ↩³
「はじめに > 注意」でお断りを入れた通り、connect API は説明対象外にしています。 ↩ ↩² ↩³
TypeScript表記: type Reducer<A, B> = (b: B, a: A) => B;
(A) => (B) => B ⁶ (modifierCreator) ↩
TypeScript表記: type CreateEndomorphism<A, B> = (a: A) => (b: B) => B;
という形の関数を使います。
A は任意の型であり、Action（{type: "name", payload: something}のようなオブジェクト）である必要はありません。
B は currentState です。
以下は modifier の例です。 ↩