Reaalajas koostöötlus frontendis: sügav sukeldumine operatsioonide transformatsiooni (OT)

Reaalajas koostöötlus on revolutsioneerinud viisi, kuidas meeskonnad koos töötavad, õpivad ja loovad. Alates Google Docsist kuni Figmani on võimekus mitmel kasutajal samaaegselt ühist dokumenti või disaini redigeerida muutunud standardseks ootuseks. Nende sujuvate kogemuste keskmes on võimas algoritm nimega Operatsioonide transformatsioon (OT). See blogipostitus pakub põhjaliku ülevaate OT-st, keskendudes selle rakendamisele front-end arenduses.

Mis on operatsioonide transformatsioon (OT)?

Kujutage ette kahte kasutajat, Alice ja Bob, kes mõlemad redigeerivad sama dokumenti samaaegselt. Alice lisab algusesse sõna "hello", samal ajal kui Bob kustutab esimese sõna. Kui neid operatsioone rakendatakse järjestikku ilma koordineerimiseta, on tulemused ebajärjepidevad. OT lahendab selle probleemi, transformeerides operatsioone vastavalt juba täidetud operatsioonidele. Sisuliselt pakub OT mehhanismi, mis tagab, et samaaegsed operatsioonid rakendatakse kõigis klientides järjepideval ja ennustataval viisil.

OT on keeruline valdkond, millel on erinevaid algoritme ja lähenemisviise. See postitus keskendub lihtsustatud näitele, et illustreerida põhikontseptsioone. Keerukamad rakendused tegelevad rikkalikumate tekstivormingute ja keerulisemate stsenaariumitega.

Miks kasutada operatsioonide transformatsiooni?

Kuigi koostöötluseks on olemas ka teisi lähenemisviise, nagu näiteks konfliktivabad replikeeritud andmetüübid (CRDT-d), pakub OT spetsiifilisi eeliseid:

• Väljakujunenud tehnoloogia: OT on eksisteerinud kauem kui CRDT-d ja seda on lahingus testitud erinevates rakendustes.
• Peeneteraline kontroll: OT võimaldab suuremat kontrolli operatsioonide rakendamise üle, mis võib teatud stsenaariumides olla kasulik.
• Järjestikune ajalugu: OT säilitab operatsioonide järjestikuse ajaloo, mis võib olla kasulik funktsioonide, nagu tagasivõtmine/uuesti tegemine (undo/redo), jaoks.

Operatsioonide transformatsiooni põhimõisted

Järgmiste mõistete mõistmine on OT rakendamiseks ülioluline:

1. Operatsioonid

Operatsioon tähistab ühte redigeerimistoimingut, mille kasutaja teostab. Levinumad operatsioonid on järgmised:

• Lisamine (Insert): Lisab teksti kindlasse asukohta.
• Kustutamine (Delete): Kustutab teksti kindlast asukohast.
• Säilitamine (Retain): Jätab teatud arvu märke vahele. Seda kasutatakse kursori liigutamiseks teksti muutmata.

Näiteks "hello" lisamist positsioonile 0 saab esitada kui `Insert` operatsiooni parameetritega `position: 0` ja `text: "hello"`.

2. Transformatsioonifunktsioonid

OT süda peitub selle transformatsioonifunktsioonides. Need funktsioonid määratlevad, kuidas kahte samaaegset operatsiooni tuleks järjepidevuse säilitamiseks transformeerida. On kaks peamist transformatsioonifunktsiooni:

• `transform(op1, op2)`: Transformeerib operatsiooni `op1` operatsiooni `op2` suhtes. See tähendab, et `op1` kohandatakse, et arvestada `op2` poolt tehtud muudatusi. Funktsioon tagastab operatsiooni `op1` uue, transformeeritud versiooni.
• `transform(op2, op1)`: Transformeerib operatsiooni `op2` operatsiooni `op1` suhtes. See tagastab operatsiooni `op2` transformeeritud versiooni. Kuigi funktsiooni signatuur on identne, võib implementatsioon olla erinev, et tagada algoritmi vastavus OT omadustele.

Need funktsioonid on tavaliselt implementeeritud maatriksitaolise struktuuri abil, kus iga lahter määratleb, kuidas kahte spetsiifilist tüüpi operatsiooni tuleks üksteise suhtes transformeerida.

3. Operatsiooniline kontekst

Operatsiooniline kontekst hõlmab kogu teavet, mis on vajalik operatsioonide korrektseks rakendamiseks, näiteks:

• Dokumendi olek: Dokumendi hetkeseis.
• Operatsioonide ajalugu: Dokumendile rakendatud operatsioonide jada.
• Versiooninumbrid: Mehhanism operatsioonide järjekorra jälgimiseks.

Lihtsustatud näide: lisamisoperatsioonide transformeerimine

Vaatleme lihtsustatud näidet ainult `Insert` operatsioonidega. Oletame, et meil on järgmine stsenaarium:

• Algolek: "" (tühi string)
• Alice: Lisab "hello" positsioonile 0. Operatsioon: `insert_A = { type: 'insert', position: 0, text: 'hello' }`
• Bob: Lisab "world" positsioonile 0. Operatsioon: `insert_B = { type: 'insert', position: 0, text: 'world' }`

Ilma OT-ta, kui Alice'i operatsioon rakendatakse esimesena, millele järgneb Bobi operatsioon, oleks tulemuseks tekst "worldhello". See on vale. Peame transformeerima Bobi operatsiooni, et arvestada Alice'i lisamisega.

Transformatsioonifunktsioon `transform(insert_B, insert_A)` kohandaks Bobi positsiooni, et arvestada Alice'i poolt lisatud teksti pikkusega. Sel juhul oleks transformeeritud operatsioon:

`insert_B_transformed = { type: 'insert', position: 5, text: 'world' }`

Nüüd, kui rakendatakse Alice'i operatsioon ja transformeeritud Bobi operatsioon, oleks tulemuseks tekst "helloworld", mis on õige tulemus.

Operatsioonide transformatsiooni rakendamine frontendis

OT rakendamine frontendis hõlmab mitut olulist sammu:

1. Operatsioonide esitusviis

Määratlege selge ja järjepidev vorming operatsioonide esitamiseks. See vorming peaks sisaldama operatsiooni tüüpi (insert, delete, retain), positsiooni ja kõiki asjakohaseid andmeid (nt lisatav või kustutatav tekst). Näide JavaScripti objektide abil:

            
{
  type: 'insert', // or 'delete', or 'retain'
  position: 5,    // Index where the operation takes place
  text: 'example' // Text to insert (for insert operations)
}

            

              
                Copy
              
            
          

2. Transformatsioonifunktsioonid

Implementeerige transformatsioonifunktsioonid kõigi toetatud operatsioonitüüpide jaoks. See on implementatsiooni kõige keerulisem osa, kuna see nõuab kõigi võimalike stsenaariumite hoolikat kaalumist. Näide (lihtsustatud Insert/Delete operatsioonide jaoks):

            
function transform(op1, op2) {
  if (op1.type === 'insert' && op2.type === 'insert') {
    if (op1.position <= op2.position) {
      return { ...op1, position: op1.position }; // No change needed
    } else {
      return { ...op1, position: op1.position + op2.text.length }; // Adjust position
    }
  } else if (op1.type === 'delete' && op2.type === 'insert') {
    if (op1.position <= op2.position) {
      return { ...op1, position: op1.position }; // No change needed
    } else {
      return { ...op1, position: op1.position + op2.text.length }; // Adjust position
    }
  } else if (op1.type === 'insert' && op2.type === 'delete') {
    if (op1.position <= op2.position) {
      return { ...op1, position: op1.position }; // No change needed
    } else if (op1.position >= op2.position + op2.text.length) {
      return { ...op1, position: op1.position - op2.text.length }; // Adjust position
    } else {
      // The insertion happens within the deleted range, it could be split or discarded depending on the use case
      return null; // Operation is invalid
    }
  } else if (op1.type === 'delete' && op2.type === 'delete') {
    if (op1.position <= op2.position) {
      return { ...op1, position: op1.position };
    } else if (op1.position >= op2.position + op2.text.length) {
      return { ...op1, position: op1.position - op2.text.length };
    } else {
      // The deletion happens within the deleted range, it could be split or discarded depending on the use case
      return null; // Operation is invalid
    }
  } else {
    // Handle retain operations (not shown for brevity)
    return op1;
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tähtis: See on demonstreerimise eesmärgil väga lihtsustatud transformatsioonifunktsioon. Tootmisvalmis implementatsioon peaks käsitlema laiemat hulka juhtumeid ja äärmuslikke tingimusi.

3. Kliendi-serveri kommunikatsioon

Looge sidekanal front-end kliendi ja back-end serveri vahel. WebSocketid on reaalajas suhtlemiseks levinud valik. Seda kanalit kasutatakse operatsioonide edastamiseks klientide vahel.

4. Operatsioonide sünkroniseerimine

Implementeerige mehhanism operatsioonide sünkroniseerimiseks klientide vahel. See hõlmab tavaliselt keskserverit, mis toimib vahendajana. Protsess toimib üldiselt järgmiselt:

1. Klient genereerib operatsiooni.
2. Klient saadab operatsiooni serverile.
3. Server transformeerib operatsiooni kõigi nende operatsioonide suhtes, mis on dokumendile juba rakendatud, kuid mida klient pole veel kinnitanud.
4. Server rakendab transformeeritud operatsiooni oma dokumendi lokaalsele koopiale.
5. Server edastab transformeeritud operatsiooni kõigile teistele klientidele.
6. Iga klient transformeerib vastuvõetud operatsiooni kõigi nende operatsioonide suhtes, mille ta on juba serverile saatnud, kuid mida pole veel kinnitatud.
7. Iga klient rakendab transformeeritud operatsiooni oma dokumendi lokaalsele koopiale.

5. Versioonihaldus

Säilitage iga operatsiooni jaoks versiooninumbrid, et tagada operatsioonide rakendamine õiges järjekorras. See aitab vältida konflikte ja tagab järjepidevuse kõigi klientide vahel.

6. Konfliktide lahendamine

Vaatamata OT parimatele pingutustele võivad konfliktid siiski tekkida, eriti keerulistes stsenaariumides. Rakendage nende olukordade käsitlemiseks konfliktide lahendamise strateegia. See võib hõlmata eelmisele versioonile naasmist, vastuoluliste muudatuste ühendamist või kasutajalt konflikti käsitsi lahendamise palumist.

Frontendi koodilõigu näide (kontseptuaalne)

See on lihtsustatud näide, mis kasutab JavaScripti ja WebSocketeid põhimõistete illustreerimiseks. Pange tähele, et see ei ole täielik ega tootmisvalmis implementatsioon.

            
// Client-side JavaScript

const socket = new WebSocket('ws://example.com/ws');
let documentText = '';
let localOperations = []; // Operations sent but not yet acknowledged
let serverVersion = 0;

socket.onmessage = (event) => {
  const operation = JSON.parse(event.data);
  // Transform received operation against local operations
  let transformedOperation = operation;
  localOperations.forEach(localOp => {
    transformedOperation = transform(transformedOperation, localOp);
  });

  // Apply the transformed operation
  if (transformedOperation) {
    documentText = applyOperation(documentText, transformedOperation);
    serverVersion++;
    updateUI(documentText); // Function to update the UI
  }
};

function sendOperation(operation) {
  localOperations.push(operation);
  socket.send(JSON.stringify(operation));
}

function handleUserInput(userInput) {
  const operation = createOperation(userInput, documentText.length); // Function to create operation from user input
  sendOperation(operation);
}

//Helper functions (example implementations)
function applyOperation(text, op){
    if (op.type === 'insert') {
        return text.substring(0, op.position) + op.text + text.substring(op.position);
    } else if (op.type === 'delete') {
        return text.substring(0, op.position) + text.substring(op.position + op.text.length);
    }
    return text; //For retain, we do nothing
}

            

              
                Copy
              
            
          

Väljakutsed ja kaalutlused

OT rakendamine võib selle olemusliku keerukuse tõttu olla väljakutse. Siin on mõned peamised kaalutlused:

• Keerukus: Transformatsioonifunktsioonid võivad muutuda üsna keeruliseks, eriti rikkalike tekstivormingute ja keerukate operatsioonidega tegelemisel.
• Jõudlus: Operatsioonide transformeerimine ja rakendamine võib olla arvutuslikult kulukas, eriti suurte dokumentide ja suure samaaegsuse korral. Optimeerimine on ülioluline.
• Vigade käsitlemine: Tugev vigade käsitlemine on andmekao vältimiseks ja järjepidevuse tagamiseks hädavajalik.
• Testimine: Põhjalik testimine on ülioluline, et tagada OT implementatsiooni korrektsus ja kõigi võimalike stsenaariumite käsitlemine. Kaaluge omaduspõhise testimise kasutamist.
• Turvalisus: Turvake sidekanal, et vältida volitamata juurdepääsu ja dokumendi muutmist.

Alternatiivsed lähenemised: CRDT-d

Nagu varem mainitud, pakuvad konfliktivabad replikeeritud andmetüübid (CRDT-d) alternatiivset lähenemist koostöötlusele. CRDT-d on andmestruktuurid, mis on loodud ühendamiseks ilma koordineerimist nõudmata. See muudab need hästi sobivaks hajutatud süsteemidele, kus võrgu latentsus ja usaldusväärsus võivad olla probleemiks.

CRDT-del on oma kompromissid. Kuigi nad välistavad vajaduse transformatsioonifunktsioonide järele, võivad nad olla keerulisemad implementeerida ja ei pruugi sobida igat tüüpi andmete jaoks.

Kokkuvõte

Operatsioonide transformatsioon on võimas algoritm reaalajas koostöötluse võimaldamiseks frontendis. Kuigi selle rakendamine võib olla keeruline, on sujuvate, samaaegse redigeerimise kogemuste eelised märkimisväärsed. Mõistes OT põhimõisteid ja kaaludes hoolikalt väljakutseid, saavad arendajad luua tugevaid ja skaleeritavaid koostöörakendusi, mis annavad kasutajatele võimaluse tõhusalt koos töötada, olenemata nende asukohast või ajavööndist. Ükskõik, kas ehitate koostöödokumendi redaktorit, disainitööriista või mis tahes muud tüüpi koostöörakendust, pakub OT kindla aluse tõeliselt kaasahaaravate ja produktiivsete kasutajakogemuste loomiseks.

Ärge unustage hoolikalt kaaluda oma rakenduse spetsiifilisi nõudeid ja valida sobiv algoritm (OT või CRDT) vastavalt oma vajadustele. Edu omaenda koostöötluskogemuse loomisel!