ساعت برداری همزمان فرانت‌اند: مرتب‌سازی رویدادهای توزیع‌شده

در دنیای به‌هم‌پیوسته روزافزون برنامه‌های وب، اطمینان از مرتب‌سازی سازگار رویدادها در چندین کلاینت برای حفظ یکپارچگی داده‌ها و ارائه یک تجربه کاربری یکپارچه بسیار مهم است. این امر به‌ویژه در برنامه‌های مشارکتی مانند ویرایشگرهای اسناد آنلاین، پلتفرم‌های چت همزمان و محیط‌های بازی چندکاربره مهم است. یک تکنیک قدرتمند برای دستیابی به این هدف، پیاده‌سازی یک ساعت برداری است.

ساعت برداری چیست؟

ساعت برداری یک ساعت منطقی است که در سیستم‌های توزیع‌شده برای تعیین ترتیب جزئی رویدادها بدون تکیه بر یک ساعت فیزیکی سراسری استفاده می‌شود. برخلاف ساعت‌های فیزیکی که مستعد رانش ساعت و مسائل همگام‌سازی هستند، ساعت‌های برداری یک روش سازگار و قابل اعتماد برای ردیابی علیت ارائه می‌دهند.

تصور کنید چند کاربر در حال همکاری در یک سند مشترک هستند. اقدامات هر کاربر (به عنوان مثال، تایپ کردن، حذف کردن، قالب‌بندی) رویداد در نظر گرفته می‌شود. یک ساعت برداری به ما امکان می‌دهد تعیین کنیم که آیا عمل یک کاربر قبل، بعد یا همزمان با عمل کاربر دیگر رخ داده است یا خیر، صرف‌نظر از موقعیت فیزیکی یا تأخیر شبکه آنها.

مفاهیم کلیدی

• بردار: هر فرآیند (به عنوان مثال، جلسه مرورگر یک کاربر) یک بردار را نگهداری می‌کند که یک آرایه یا شی است که هر عنصر آن مربوط به یک فرآیند در سیستم است. مقدار هر عنصر نشان‌دهنده زمان منطقی آن فرآیند است که توسط فرآیند فعلی شناخته می‌شود.
• افزایش: وقتی یک فرآیند یک رویداد داخلی را اجرا می‌کند (رویدادی که فقط برای آن فرآیند قابل مشاهده است)، ورودی خود را در بردار افزایش می‌دهد.
• ارسال: وقتی یک فرآیند یک پیام ارسال می‌کند، مقدار ساعت برداری فعلی خود را در پیام قرار می‌دهد.
• دریافت: وقتی یک فرآیند یک پیام دریافت می‌کند، بردار خود را با در نظر گرفتن حداکثر عنصر به عنصر بردار فعلی خود و بردار دریافت شده در پیام به‌روز می‌کند. همچنین ورودی خود را در بردار افزایش می‌دهد که نشان‌دهنده خود رویداد دریافت است.

ساعت‌های برداری در عمل چگونه کار می‌کنند

بیایید با یک مثال ساده شامل سه کاربر (A، B و C) که در یک سند همکاری می‌کنند، توضیح دهیم:

حالت اولیه: هر کاربر ساعت برداری خود را روی [0, 0, 0] مقداردهی اولیه می‌کند.

عمل کاربر A: کاربر A حرف 'H' را تایپ می‌کند. A ورودی خود را در بردار افزایش می‌دهد و نتیجه [1, 0, 0] می‌شود.

ارسال کاربر A: کاربر A کاراکتر 'H' و ساعت برداری [1, 0, 0] را به سرور ارسال می‌کند، که سپس آن را به کاربران B و C منتقل می‌کند.

دریافت کاربر B: کاربر B پیام و ساعت برداری [1, 0, 0] را دریافت می‌کند. B ساعت برداری خود را با در نظر گرفتن حداکثر عنصر به عنصر به‌روز می‌کند: max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. سپس، B ورودی خود را افزایش می‌دهد و نتیجه [1, 1, 0] می‌شود.

دریافت کاربر C: کاربر C پیام و ساعت برداری [1, 0, 0] را دریافت می‌کند. C ساعت برداری خود را به‌روز می‌کند: max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. سپس، C ورودی خود را افزایش می‌دهد و نتیجه [1, 0, 1] می‌شود.

عمل کاربر B: کاربر B حرف 'i' را تایپ می‌کند. B ورودی خود را در ساعت برداری افزایش می‌دهد: [1, 2, 0].

مقایسه رویدادها:

اکنون می‌توانیم ساعت‌های برداری مرتبط با این رویدادها را برای تعیین روابط آنها مقایسه کنیم:

• 'H' کاربر A ([1, 0, 0]) قبل از 'i' کاربر B ([1, 2, 0]) اتفاق افتاده است: زیرا [1, 0, 0] <= [1, 2, 0] است و حداقل یک عنصر اکیداً کمتر است.

مقایسه ساعت‌های برداری

برای تعیین رابطه بین دو رویداد که توسط ساعت‌های برداری V1 و V2 نشان داده می‌شوند:

• V1 قبل از V2 اتفاق افتاده است (V1 < V2): هر عنصر در V1 کمتر یا مساوی عنصر متناظر در V2 است و حداقل یک عنصر اکیداً کمتر است.
• V2 قبل از V1 اتفاق افتاده است (V2 < V1): هر عنصر در V2 کمتر یا مساوی عنصر متناظر در V1 است و حداقل یک عنصر اکیداً کمتر است.
• V1 و V2 همزمان هستند: نه V1 < V2 و نه V2 < V1. این بدان معنی است که هیچ رابطه علّی بین رویدادها وجود ندارد.
• V1 و V2 برابر هستند (V1 = V2): هر عنصر در V1 برابر با عنصر متناظر در V2 است. این نشان می‌دهد که هر دو بردار نشان دهنده یک حالت هستند.

پیاده‌سازی یک ساعت برداری در فرانت‌اند جاوا اسکریپت

در اینجا یک مثال اساسی از نحوه پیاده‌سازی یک ساعت برداری در جاوا اسکریپت، مناسب برای یک برنامه فرانت‌اند آورده شده است:

            
class VectorClock {
  constructor(processId, totalProcesses) {
    this.processId = processId;
    this.clock = new Array(totalProcesses).fill(0);
  }

  increment() {
    this.clock[this.processId]++;
  }

  merge(receivedClock) {
    for (let i = 0; i < this.clock.length; i++) {
      this.clock[i] = Math.max(this.clock[i], receivedClock[i]);
    }
    this.increment(); // Increment after merging, representing the receive event
  }

  getClock() {
    return [...this.clock]; // Return a copy to avoid modification issues
  }

  happenedBefore(otherClock) {
    let lessThanOrEqual = true;
    let strictlyLessThan = false;

    for (let i = 0; i < this.clock.length; i++) {
      if (this.clock[i] > otherClock[i]) {
        return false; //Not less than or equal
      }
      if (this.clock[i] < otherClock[i]) {
        strictlyLessThan = true;
      }
    }

    return strictlyLessThan && lessThanOrEqual;
  }

}

// Example Usage:
const totalProcesses = 3; // Number of collaborating users
const userA = new VectorClock(0, totalProcesses);
const userB = new VectorClock(1, totalProcesses);
const userC = new VectorClock(2, totalProcesses);

userA.increment(); // A does something
const clockA = userA.getClock();

userB.merge(clockA); // B receives A's event
userB.increment();   // B does something
const clockB = userB.getClock();

console.log("A's Clock:", clockA);
console.log("B's Clock:", clockB);

console.log("A happened before B:", userA.happenedBefore(clockB));

            

              
                Copy
              
            
          

توضیح

• سازنده: ساعت برداری را با شناسه فرآیند و تعداد کل فرآیندها مقداردهی اولیه می‌کند. آرایه `clock` با تمام صفرهای مقداردهی اولیه می‌شود.
• افزایش(): مقدار ساعت را در اندیس مربوط به شناسه فرآیند افزایش می‌دهد.
• ادغام(): ساعت دریافت شده را با ساعت فعلی با در نظر گرفتن حداکثر عنصر به عنصر ادغام می‌کند. این تضمین می‌کند که ساعت بالاترین زمان منطقی شناخته شده برای هر فرآیند را منعکس می‌کند. پس از ادغام، ساعت خود را افزایش می‌دهد که نشان‌دهنده دریافت پیام است.
• گرفتن ساعت(): یک کپی از ساعت فعلی را برای جلوگیری از اصلاح خارجی برمی‌گرداند.
• قبل از اتفاق افتادن(): دو ساعت را مقایسه می‌کند و اگر ساعت فعلی قبل از ساعت دیگر اتفاق افتاده باشد، `true` و در غیر این صورت `false` را برمی‌گرداند.

چالش‌ها و ملاحظات

در حالی که ساعت‌های برداری یک راه حل قوی برای مرتب‌سازی رویدادهای توزیع‌شده ارائه می‌دهند، برخی چالش‌ها وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند:

• مقیاس‌پذیری: اندازه ساعت برداری به طور خطی با تعداد فرآیندها در سیستم افزایش می‌یابد. در برنامه‌های کاربردی در مقیاس بزرگ، این می‌تواند سربار قابل توجهی شود. تکنیک‌هایی مانند ساعت‌های برداری کوتاه شده می‌توانند برای کاهش این مشکل استفاده شوند، جایی که فقط زیرمجموعه‌ای از فرآیندها مستقیماً ردیابی می‌شوند.
• مدیریت شناسه فرآیند: تخصیص و مدیریت شناسه‌های فرآیند منحصر به فرد بسیار مهم است. یک مرجع مرکزی یا یک الگوریتم اجماع توزیع‌شده می‌تواند برای این منظور استفاده شود.
• پیام‌های از دست رفته: ساعت‌های برداری تحویل مطمئن پیام را فرض می‌کنند. اگر پیام‌ها از دست بروند، ساعت‌های برداری ممکن است ناسازگار شوند. مکانیسم‌هایی برای شناسایی و بازیابی از پیام‌های از دست رفته ضروری است. تکنیک‌هایی مانند افزودن شماره ترتیب به پیام‌ها و پیاده‌سازی پروتکل‌های ارسال مجدد می‌تواند کمک کند.
• جمع‌آوری زباله/حذف فرآیند: هنگامی که فرآیندها سیستم را ترک می‌کنند، ورودی‌های مربوطه آنها در ساعت‌های برداری باید مدیریت شوند. به سادگی گذاشتن ورودی می‌تواند منجر به رشد نامحدود بردار شود. رویکردها شامل علامت‌گذاری ورودی‌ها به عنوان 'مرده' (اما همچنان نگه داشتن آنها) یا پیاده‌سازی تکنیک‌های پیچیده‌تر برای تخصیص مجدد شناسه‌ها و فشرده‌سازی بردار است.

برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی

ساعت‌های برداری در انواع برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی استفاده می‌شوند، از جمله:

• ویرایشگرهای اسناد مشارکتی (به عنوان مثال، Google Docs، Microsoft Office Online): اطمینان از اینکه ویرایش‌های چندین کاربر به ترتیب صحیح اعمال می‌شوند، از خراب شدن داده‌ها جلوگیری می‌کند و سازگاری را حفظ می‌کند.
• برنامه‌های چت همزمان (به عنوان مثال، Slack، Discord): مرتب‌سازی صحیح پیام‌ها برای ارائه یک جریان مکالمه منسجم. این امر به ویژه هنگام برخورد با پیام‌هایی که همزمان از کاربران مختلف ارسال می‌شوند مهم است.
• محیط‌های بازی چندکاربره: همگام‌سازی حالت‌های بازی در بین چندین بازیکن، اطمینان از انصاف و جلوگیری از ناهماهنگی. به عنوان مثال، اطمینان از اینکه اقدامات انجام شده توسط یک بازیکن به درستی در صفحه نمایش بازیکنان دیگر منعکس می‌شود.
• پایگاه داده‌های توزیع‌شده: حفظ سازگاری داده‌ها و رفع تعارضات در سیستم‌های پایگاه داده توزیع‌شده. از ساعت‌های برداری می‌توان برای ردیابی علیت به‌روزرسانی‌ها و اطمینان از اینکه آنها به ترتیب صحیح در بین چندین تکرار اعمال می‌شوند، استفاده کرد.
• سیستم‌های کنترل نسخه: ردیابی تغییرات در فایل‌ها در یک محیط توزیع‌شده (اگرچه اغلب الگوریتم‌های پیچیده‌تری استفاده می‌شوند).

راه حل‌های جایگزین

در حالی که ساعت‌های برداری قدرتمند هستند، اما تنها راه حل برای مرتب‌سازی رویدادهای توزیع‌شده نیستند. تکنیک‌های دیگر عبارتند از:

• برچسب‌های زمانی لامپورت: یک رویکرد ساده‌تر که یک برچسب زمانی منطقی واحد را به هر رویداد اختصاص می‌دهد. با این حال، برچسب‌های زمانی لامپورت فقط یک ترتیب کلی را ارائه می‌دهند که ممکن است در همه موارد به طور دقیق علیت را منعکس نکند.
• بردارهای نسخه: مشابه ساعت‌های برداری، اما در سیستم‌های پایگاه داده برای ردیابی نسخه‌های مختلف داده استفاده می‌شود.
• تبدیل عملیاتی (OT): یک تکنیک پیچیده‌تر که عملیات را تغییر می‌دهد تا از سازگاری در محیط‌های ویرایش مشارکتی اطمینان حاصل شود. OT اغلب در رابطه با ساعت‌های برداری یا سایر مکانیسم‌های کنترل همروندی استفاده می‌شود.
• انواع داده‌های تکراری بدون تعارض (CRDT): ساختارهای داده‌ای که برای تکرار در چندین گره بدون نیاز به هماهنگی طراحی شده‌اند. CRDTها سازگاری نهایی را تضمین می‌کنند و به ویژه برای برنامه‌های مشارکتی مناسب هستند.

پیاده‌سازی با چارچوب‌ها (React, Angular, Vue)

ادغام ساعت‌های برداری در چارچوب‌های فرانت‌اند مانند React، Angular و Vue شامل مدیریت حالت ساعت در چرخه عمر کامپوننت و استفاده از قابلیت‌های اتصال داده چارچوب برای به‌روزرسانی رابط کاربری بر اساس آن است.

مثال React (مفهومی)

            
import React, { useState, useEffect } from 'react';

function CollaborativeEditor() {
  const [text, setText] = useState('');
  const [vectorClock, setVectorClock] = useState(new VectorClock(0, 3)); // Assuming process ID 0

  const handleTextChange = (event) => {
    vectorClock.increment();
    const newClock = vectorClock.getClock();
    const newText = event.target.value;

    // Send newText and newClock to the server

    setText(newText);
    setVectorClock(newClock); //Update react state
  };


  useEffect(() => {
    // Simulate receiving updates from other users
    const receiveUpdate = (incomingText, incomingClock) => {
      vectorClock.merge(incomingClock);
      setText(incomingText);
      setVectorClock(vectorClock.getClock());
    }

    //Example of how you might receive data, this would likely be handled by a websocket or similar.
    //receiveUpdate("New Text from another user", [2,1,0]);

  }, []);

  return (
    <div>
      <textarea value={text} onChange={handleTextChange} />
    </div>
  );
}

export default CollaborativeEditor;

            

              
                Copy
              
            
          

ملاحظات کلیدی برای ادغام چارچوب

• مدیریت حالت: از مکانیسم‌های مدیریت حالت چارچوب (به عنوان مثال، `useState` در React، سرویس‌ها در Angular، ویژگی‌های واکنش‌گرا در Vue) برای مدیریت ساعت برداری و داده‌های برنامه استفاده کنید.
• اتصال داده: از اتصال داده برای به‌روزرسانی خودکار رابط کاربری هنگام تغییر ساعت برداری یا داده‌های برنامه استفاده کنید.
• ارتباط ناهمزمان: ارتباط ناهمزمان با سرور را مدیریت کنید (به عنوان مثال، با استفاده از WebSockets یا درخواست‌های HTTP) برای ارسال و دریافت به‌روزرسانی‌ها.
• مدیریت رویداد: رویدادها را به درستی مدیریت کنید (به عنوان مثال، ورودی کاربر، پیام‌های ورودی) برای به‌روزرسانی ساعت برداری و داده‌های برنامه.

فراتر از اصول اولیه: تکنیک‌های پیشرفته ساعت برداری

برای سناریوهای پیچیده‌تر، این تکنیک‌های پیشرفته را در نظر بگیرید:

• بردارهای نسخه برای رفع تعارض: از بردارهای نسخه (نوعی از ساعت‌های برداری) در پایگاه‌های داده برای شناسایی و رفع به‌روزرسانی‌های متضاد استفاده کنید.
• ساعت‌های برداری با فشرده‌سازی: تکنیک‌های فشرده‌سازی را برای کاهش اندازه ساعت‌های برداری، به ویژه در سیستم‌های بزرگ، پیاده‌سازی کنید.
• رویکردهای ترکیبی: ساعت‌های برداری را با سایر مکانیسم‌های کنترل همروندی (به عنوان مثال، تبدیل عملیاتی) ترکیب کنید تا به عملکرد و سازگاری مطلوب برسید.

نتیجه‌گیری

ساعت‌های برداری همزمان یک مکانیسم ارزشمند برای دستیابی به مرتب‌سازی سازگار رویدادها در برنامه‌های فرانت‌اند توزیع‌شده ارائه می‌دهند. توسعه‌دهندگان با درک اصول پشت ساعت‌های برداری و در نظر گرفتن دقیق چالش‌ها و مصالحه‌ها، می‌توانند برنامه‌های وب قوی و مشارکتی ایجاد کنند که یک تجربه کاربری یکپارچه را ارائه می‌دهند. در حالی که پیچیده‌تر از راه‌حل‌های ساده هستند، ماهیت قوی ساعت‌های برداری آنها را برای سیستم‌هایی که به سازگاری داده‌های تضمین‌شده در بین مشتریان توزیع‌شده در سراسر جهان نیاز دارند، ایده‌آل می‌کند.