Front-end reāllaika sadarbība: Operāciju transformācijas apgūšana

Mūsdienu savstarpēji saistītajā digitālajā vidē pieprasījums pēc netraucētas reāllaika sadarbības pieredzes tīmekļa lietojumprogrammās nekad nav bijis lielāks. Neatkarīgi no tā, vai tā ir kopīga dokumentu rediģēšana, sadarbīga saskarņu projektēšana vai kopīgu projektu dēļu pārvaldība, lietotāji sagaida, ka izmaiņas tiks atspoguļotas nekavējoties, neatkarīgi no viņu ģeogrāfiskās atrašanās vietas. Šāda sarežģīta interaktivitātes līmeņa sasniegšana rada ievērojamas tehniskas problēmas, jo īpaši front-end daļā. Šajā rakstā aplūkoti operāciju transformācijas (OT) pamatjēdzieni un ieviešanas stratēģijas – jaudīga tehnika, kas nodrošina stabilu reāllaika sadarbību.

Vienlaicīgas rediģēšanas izaicinājums

Iedomājieties, ka vairāki lietotāji vienlaikus rediģē vienu un to pašu teksta daļu vai kopīgu dizaina elementu. Bez sarežģīta mehānisma, kas apstrādātu šīs vienlaicīgās operācijas, neatbilstības un datu zudumi ir gandrīz neizbēgami. Ja lietotājs A izdzēš rakstzīmi 5. pozīcijā, un lietotājs B tajā pašā laikā ievieto rakstzīmi 7. pozīcijā, kā sistēmai būtu jāsaskaņo šīs darbības? Šī ir fundamentālā problēma, ko OT cenšas atrisināt.

Tradicionālie klients-serveris modeļi, kur izmaiņas tiek piemērotas secīgi, reāllaika sadarbības vidēs nedarbojas labi. Katrs klients darbojas neatkarīgi, ģenerējot operācijas, kas jānosūta uz centrālo serveri un pēc tam jāizplata visiem pārējiem klientiem. Secība, kādā šīs operācijas nonāk pie dažādiem klientiem, var atšķirties, radot konfliktējošus stāvokļus, ja tās netiek pareizi apstrādātas.

Kas ir operāciju transformācija?

Operāciju transformācija ir algoritms, ko izmanto, lai nodrošinātu, ka vienlaicīgas operācijas ar kopīgu datu struktūru tiek piemērotas konsekventā secībā visās replikās, pat ja tās tiek ģenerētas neatkarīgi un potenciāli ārpus secības. Tā darbojas, transformējot operācijas, pamatojoties uz iepriekš izpildītām operācijām, tādējādi uzturot konverģenci – garantiju, ka visas replikas galu galā sasniegs vienu un to pašu stāvokli.

OT pamatideja ir definēt transformācijas funkciju kopu. Kad operācija OpB nonāk pie klienta, kurš jau ir piemērojis operāciju OpA, un OpB tika ģenerēta, pirms klientam bija zināma OpA, OT definē, kā OpB būtu jātransformē attiecībā pret OpA, lai, piemērojot OpB, tā sasniegtu tādu pašu efektu, it kā tā būtu piemērota pirms OpA.

Galvenie jēdzieni OT

• Operācijas: Tās ir fundamentālās izmaiņu vienības, kas tiek piemērotas kopīgajiem datiem. Teksta rediģēšanai operācija varētu būt ievietošana (rakstzīme, pozīcija) vai dzēšana (pozīcija, rakstzīmju skaits).
• Replikās: Katra lietotāja vietējā kopīgo datu kopija tiek uzskatīta par repliku.
• Konverģence: Īpašība, ka visas replikas galu galā sasniedz vienu un to pašu stāvokli, neatkarīgi no secības, kādā operācijas tiek saņemtas un piemērotas.
• Transformācijas funkcijas: OT sirds, šīs funkcijas pielāgo ienākošo operāciju, pamatojoties uz iepriekšējām operācijām, lai saglabātu konsekvenci. Divām operācijām, OpA un OpB, mēs definējam:
• OpA' = OpA.transform(OpB): Transformē OpA attiecībā pret OpB.
• OpB' = OpB.transform(OpA): Transformē OpB attiecībā pret OpA.
• Kauzalitāte: Izpratne par atkarību starp operācijām ir ļoti svarīga. Ja OpB cēloniski ir atkarīga no OpA (t.i., OpB tika ģenerēta pēc OpA), to secība parasti tiek saglabāta. Tomēr OT galvenokārt nodarbojas ar konfliktu risināšanu, kad operācijas ir vienlaicīgas.

Kā OT darbojas: Vienkāršots piemērs

Apskatīsim vienkāršu teksta rediģēšanas scenāriju ar diviem lietotājiem, Alisi un Bobu, kas rediģē dokumentu, kurā sākotnēji ir "Sveiki".

Sākotnējais stāvoklis: "Sveiki"

Scenārijs:

1. Alise vēlas ievietot ' ' 5. pozīcijā. Operācija OpA: insert(' ', 5).
2. Bobs vēlas ievietot '!' 6. pozīcijā. Operācija OpB: insert('!', 6).

Pieņemsim, ka šīs operācijas tiek ģenerētas gandrīz vienlaicīgi un sasniedz Boba klientu, pirms Alises klients apstrādā OpA, bet Alises klients apstrādā OpB, pirms tas saņem OpA.

Alises skatījums:

• Saņem OpB: insert('!', 6). Dokuments kļūst par "Sveiki!".
• Saņem OpA: insert(' ', 5). Tā kā '!' tika ievietota 6. pozīcijā, Alisei ir jātransformē OpA. Ievietošanai 5. pozīcijā tagad jānotiek 5. pozīcijā (jo Boba ievietošana bija 6. pozīcijā, pēc Alises paredzētā ievietošanas punkta).
• OpA' = insert(' ', 5). Alise piemēro OpA'. Dokuments kļūst par "Sveiki !".

Boba skatījums:

• Saņem OpA: insert(' ', 5). Dokuments kļūst par "Sveiki ".
• Saņem OpB: insert('!', 6). Bobam ir jātransformē OpB attiecībā pret OpA. Alise ievietoja ' ' 5. pozīcijā. Boba ievietošanai 6. pozīcijā tagad jābūt 6. pozīcijā (jo Alises ievietošana bija 5. pozīcijā, pirms Boba paredzētā ievietošanas punkta).
• OpB' = insert('!', 6). Bobs piemēro OpB'. Dokuments kļūst par "Sveiki !".

Šajā vienkāršotajā gadījumā abi lietotāji nonāk pie viena un tā paša stāvokļa: "Sveiki !". Transformācijas funkcijas nodrošināja, ka vienlaicīgas operācijas, pat ja tās lokāli tika piemērotas citā secībā, rezultējās konsekventā globālā stāvoklī.

Operāciju transformācijas ieviešana front-end

OT ieviešana front-end ietver vairākas galvenās sastāvdaļas un apsvērumus. Lai gan galvenā loģika bieži atrodas serverī vai īpašā sadarbības servisā, front-end spēlē kritisku lomu operāciju ģenerēšanā, transformēto operāciju piemērošanā un lietotāja saskarnes pārvaldībā, lai atspoguļotu reāllaika izmaiņas.

1. Operāciju attēlošana un serializācija

Operācijām ir nepieciešama skaidra, nepārprotama attēlošana. Tekstam tas bieži ietver:

• Tips: 'insert' (ievietot) vai 'delete' (dzēst).
• Pozīcija: Indekss, kurā operācijai jānotiek.
• Saturs (ievietošanai): Ievietojamā rakstzīme(s).
• Garums (dzēšanai): Dzēšamo rakstzīmju skaits.
• Klienta ID: Lai atšķirtu operācijas no dažādiem lietotājiem.
• Secības numurs/Laikspiedols: Lai izveidotu daļēju secību.

Šīs operācijas parasti tiek serializētas (piemēram, izmantojot JSON) tīkla pārraidei.

2. Transformācijas loģika

Šī ir vissarežģītākā OT daļa. Teksta rediģēšanai transformācijas funkcijām ir jāapstrādā mijiedarbība starp ievietošanu un dzēšanu. Bieži sastopama pieeja ietver definēšanu, kā ievietošana mijiedarbojas ar citu ievietošanu, ievietošana ar dzēšanu un dzēšana ar dzēšanu.

Apskatīsim ievietošanas (InsX) transformāciju attiecībā pret citu ievietošanu (InsY).

• InsX.transform(InsY):
• Ja InsX pozīcija ir mazāka nekā InsY pozīcija, InsX pozīcija netiek ietekmēta.
• Ja InsX pozīcija ir lielāka nekā InsY pozīcija, InsX pozīcija tiek palielināta par InsY ievietotā satura garumu.
• Ja InsX pozīcija ir vienāda ar InsY pozīciju, secība ir atkarīga no tā, kura operācija tika ģenerēta pirmā, vai no neizšķirta rezultāta risināšanas noteikuma (piemēram, klienta ID). Ja InsX ir agrāka, tās pozīcija netiek ietekmēta. Ja InsY ir agrāka, InsX pozīcija tiek palielināta.

Līdzīga loģika attiecas uz citām operāciju kombinācijām. Pareiza to ieviešana visos robežgadījumos ir ļoti svarīga un bieži prasa rūpīgu testēšanu.

3. Servera puses vs. klienta puses OT

Lai gan OT algoritmus var ieviest pilnībā klienta pusē, bieži tiek izmantots modelis, kurā centrālais serveris darbojas kā starpnieks:

• Centralizēta OT: Katrs klients sūta savas operācijas uz serveri. Serveris piemēro OT loģiku, transformējot ienākošās operācijas pret operācijām, kuras tas jau ir apstrādājis vai redzējis. Pēc tam serveris pārraida transformētās operācijas visiem pārējiem klientiem. Tas vienkāršo klienta loģiku, bet padara serveri par vājo posmu un vienīgo atteices punktu.
• Decentralizēta/Klienta puses OT: Katrs klients uztur savu stāvokli un piemēro ienākošās operācijas, transformējot tās pret savu vēsturi. To var būt sarežģītāk pārvaldīt, bet tas piedāvā lielāku noturību un mērogojamību. Bibliotēkas, piemēram, ShareDB, vai pielāgotas implementācijas var to atvieglot.

Front-end implementācijām bieži tiek izmantota hibrīda pieeja, kur front-end pārvalda vietējās operācijas un lietotāja mijiedarbību, bet aizmugures serviss organizē operāciju transformāciju un izplatīšanu.

4. Front-end ietvaru integrācija

OT integrēšana modernajos front-end ietvaros, piemēram, React, Vue vai Angular, prasa rūpīgu stāvokļa pārvaldību. Kad pienāk transformēta operācija, front-end stāvoklis ir attiecīgi jāatjaunina. Tas bieži ietver:

• Stāvokļa pārvaldības bibliotēkas: Izmantojot tādus rīkus kā Redux, Zustand, Vuex vai NgRx, lai pārvaldītu lietojumprogrammas stāvokli, kas attēlo kopīgo dokumentu vai datus.
• Nemainīgas datu struktūras: Izmantojot nemainīgas datu struktūras, var vienkāršot stāvokļa atjauninājumus un atkļūdošanu, jo katra izmaiņa rada jaunu stāvokļa objektu.
• Efektīvi lietotāja saskarnes atjauninājumi: Nodrošināt, ka lietotāja saskarnes atjauninājumi ir veiktspējīgi, īpaši, ja tiek strādāts ar biežām, nelielām izmaiņām lielos dokumentos. Var izmantot tādas tehnikas kā virtuālā ritināšana vai atšķirību noteikšana.

5. Savienojamības problēmu risināšana

Reāllaika sadarbībā tīkla sadalījumi un atvienošanās ir bieži sastopamas. OT jābūt noturīgai pret tām:

• Bezsaistes rediģēšana: Klientiem jāspēj turpināt rediģēšanu bezsaistē. Bezsaistē ģenerētās operācijas jāuzglabā lokāli un jāsinhronizē, kad savienojums tiek atjaunots.
• Saskaņošana: Kad klients atjauno savienojumu, tā lokālais stāvoklis var būt atšķirīgs no servera stāvokļa. Ir nepieciešams saskaņošanas process, lai atkārtoti piemērotu gaidošās operācijas un transformētu tās pret jebkurām operācijām, kas notikušas, kamēr klients bija bezsaistē.
• Konfliktu risināšanas stratēģijas: Lai gan OT mērķis ir novērst konfliktus, robežgadījumi vai ieviešanas nepilnības joprojām var tos izraisīt. Ir svarīgi definēt skaidras konfliktu risināšanas stratēģijas (piemēram, pēdējais rakstītājs uzvar, apvienošana, pamatojoties uz konkrētiem kritērijiem).

OT alternatīvas un papildinājumi: CRDT

Lai gan OT gadu desmitiem ir bijis reāllaika sadarbības stūrakmens, to ir bēdīgi grūti pareizi ieviest, īpaši neteksta datu struktūrām vai sarežģītiem scenārijiem. Alternatīva un arvien populārāka pieeja ir bezkonfliktu replicēto datu tipu (CRDT) izmantošana.

CRDT ir datu struktūras, kas ir izstrādātas, lai garantētu galīgo konsekvenci, neprasot sarežģītas transformācijas funkcijas. Tās to panāk, izmantojot specifiskas matemātiskas īpašības, kas nodrošina, ka operācijas ir komutatīvas vai pašapvienojošas.

OT un CRDT salīdzinājums

Operāciju transformācija (OT):

• Priekšrocības: Var piedāvāt smalku kontroli pār operācijām, potenciāli efektīvāka noteiktiem datu veidiem, plaši izprotama teksta rediģēšanai.
• Trūkumi: Īpaši sarežģīti pareizi ieviest, īpaši neteksta datiem vai sarežģītiem operāciju veidiem. Pakļauta smalkām kļūdām.

Bezkonfliktu replicētie datu tipi (CRDT):

• Priekšrocības: Vienkāršāk ieviest daudziem datu tipiem, dabiski labāk tiek galā ar vienlaicības un tīkla problēmām, var vieglāk atbalstīt decentralizētas arhitektūras.
• Trūkumi: Dažkārt var būt mazāk efektīvi konkrētos lietošanas gadījumos, matemātiskie pamati var būt abstrakti, dažas CRDT implementācijas var prasīt vairāk atmiņas vai joslas platuma.

Daudzām mūsdienu lietojumprogrammām, īpaši tām, kas pārsniedz vienkāršu teksta rediģēšanu, CRDT kļūst par vēlamo izvēli to relatīvās vienkāršības un robustuma dēļ. Bibliotēkas, piemēram, Yjs un Automerge, nodrošina robustas CRDT implementācijas, kuras var integrēt front-end lietojumprogrammās.

Ir iespējams arī apvienot abu elementus. Piemēram, sistēma var izmantot CRDT datu attēlošanai, bet izmantot OT līdzīgus konceptus specifiskām, augsta līmeņa operācijām vai lietotāja saskarnes mijiedarbībām.

Praktiski apsvērumi globālai ieviešanai

Veidojot reāllaika sadarbības funkcijas globālai auditorijai, spēkā stājas vairāki faktori, kas pārsniedz galveno algoritmu:

• Latentums: Lietotāji dažādās ģeogrāfiskajās vietās piedzīvos dažādas latentuma pakāpes. Jūsu OT implementācijai (vai CRDT izvēlei) būtu jāsamazina uztveramā latentuma ietekme. Var palīdzēt tādas tehnikas kā optimistiski atjauninājumi (operāciju tūlītēja piemērošana un atcelšana, ja tās konfliktē).
• Laika joslas un sinhronizācija: Lai gan OT galvenokārt nodarbojas ar operāciju secību, laikspiedolu vai secības numuru attēlošana veidā, kas ir konsekvents visās laika joslās (piemēram, izmantojot UTC), ir svarīga auditēšanai un atkļūdošanai.
• Internacionalizācija un lokalizācija: Teksta rediģēšanai ir ļoti svarīgi nodrošināt, ka operācijas pareizi apstrādā dažādas rakstzīmju kopas, rakstības (piemēram, valodas, kas rakstītas no labās uz kreiso pusi, piemēram, arābu vai ebreju valoda) un šķirošanas noteikumus. OT uz pozīciju balstītajām operācijām jābūt informētām par grafēmu kopām, nevis tikai par baitu indeksiem.
• Mērogojamība: Pieaugot lietotāju skaitam, aizmugures infrastruktūrai, kas atbalsta jūsu reāllaika sadarbību, ir jāmērogojas. Tas var ietvert izkliedētās datu bāzes, ziņojumu rindas un slodzes līdzsvarošanu.
• Lietotāja pieredzes dizains: Ir ļoti svarīgi skaidri informēt lietotājus par sadarbīgo rediģēšanas statusu. Vizuālas norādes par to, kurš rediģē, kad tiek piemērotas izmaiņas un kā tiek atrisināti konflikti, var ievērojami uzlabot lietojamību.

Rīki un bibliotēkas

OT vai CRDT ieviešana no nulles ir nozīmīgs uzdevums. Par laimi, vairākas nobriedušas bibliotēkas var paātrināt izstrādi:

• ShareDB: Populāra atvērtā koda izkliedētā datu bāze un reāllaika sadarbības dzinējs, kas izmanto operāciju transformāciju. Tam ir klientu bibliotēkas dažādām JavaScript vidēm.
• Yjs: CRDT implementācija, kas ir ļoti veiktspējīga un elastīga, atbalstot plašu datu tipu un sadarbības scenāriju klāstu. Tā ir labi piemērota front-end integrācijai.
• Automerge: Vēl viena jaudīga CRDT bibliotēka, kas koncentrējas uz to, lai atvieglotu sadarbības lietojumprogrammu veidošanu.
• ProseMirror: Rīkkopa bagātināta teksta redaktoru veidošanai, kas izmanto operāciju transformāciju sadarbīgai rediģēšanai.
• Tiptap: Bezgalvas redaktora ietvars, kas balstīts uz ProseMirror un arī atbalsta reāllaika sadarbību.

Izvēloties bibliotēku, apsveriet tās briedumu, kopienas atbalstu, dokumentāciju un piemērotību jūsu konkrētajam lietošanas gadījumam un datu struktūrām.

Noslēgums

Front-end reāllaika sadarbība ir sarežģīta, bet atalgojoša mūsdienu tīmekļa izstrādes joma. Operāciju transformācija, lai gan to ir grūti ieviest, nodrošina stabilu ietvaru datu konsekvences nodrošināšanai starp vairākiem vienlaicīgiem lietotājiem. Izprotot operāciju transformācijas pamatprincipus, rūpīgi ieviešot transformācijas funkcijas un nodrošinot stabilu stāvokļa pārvaldību, izstrādātāji var veidot ļoti interaktīvas un sadarbīgas lietojumprogrammas.

Jauniem projektiem vai tiem, kas meklē vienkāršāku pieeju, ir ļoti ieteicams izpētīt CRDT. Neatkarīgi no izvēlētā ceļa, dziļa izpratne par vienlaicības kontroli un izkliedētām sistēmām ir vissvarīgākā. Mērķis ir radīt netraucētu, intuitīvu pieredzi lietotājiem visā pasaulē, veicinot produktivitāti un iesaisti, izmantojot kopīgas digitālās telpas.

Galvenās atziņas:

• Reāllaika sadarbībai ir nepieciešami stabili mehānismi, lai apstrādātu vienlaicīgas operācijas un uzturētu datu konsekvenci.
• Operāciju transformācija (OT) to panāk, transformējot operācijas, lai nodrošinātu konverģenci.
• OT ieviešana ietver operāciju definēšanu, transformācijas funkcijas un stāvokļa pārvaldību starp klientiem.
• CRDT piedāvā modernu alternatīvu OT, bieži ar vienkāršāku ieviešanu un lielāku robustumu.
• Globālām lietojumprogrammām jāņem vērā latentums, internacionalizācija un mērogojamība.
• Izmantojiet esošās bibliotēkas, piemēram, ShareDB, Yjs vai Automerge, lai paātrinātu izstrādi.

Tā kā pieprasījums pēc sadarbības rīkiem turpina pieaugt, šo tehniku apgūšana būs būtiska, lai veidotu nākamās paaudzes interaktīvās tīmekļa pieredzes.