Frontend Vector Clock у реальному часі: Розподілений порядок подій

У все більш взаємопов’язаному світі веб-додатків забезпечення узгодженого порядку подій між кількома клієнтами має вирішальне значення для підтримки цілісності даних і забезпечення безперебійної роботи користувачів. Це особливо важливо в програмах для спільної роботи, таких як онлайн-редактори документів, платформи чатів у реальному часі та багатокористувацькі ігрові середовища. Потужним способом досягнення цього є реалізація векторного годинника.

Що таке векторний годинник?

Векторний годинник — це логічний годинник, який використовується в розподілених системах для визначення часткового порядку подій, не покладаючись на глобальний фізичний годинник. На відміну від фізичних годинників, які схильні до дрейфу годинника та проблем із синхронізацією, векторні годинники забезпечують узгоджений і надійний метод відстеження причинно-наслідкового зв’язку.

Уявіть собі кількох користувачів, які співпрацюють над спільним документом. Дії кожного користувача (наприклад, введення, видалення, форматування) вважаються подіями. Векторний годинник дозволяє визначити, чи сталася дія одного користувача до, після або одночасно з дією іншого користувача, незалежно від їхнього фізичного розташування чи затримки в мережі.

Ключові концепції

• Вектор: Кожен процес (наприклад, сеанс браузера користувача) підтримує вектор, який є масивом або об’єктом, де кожен елемент відповідає процесу в системі. Значення кожного елемента представляє логічний час цього процесу, як відомо поточному процесу.
• Інкремент: Коли процес виконує внутрішню подію (подія, видима лише для цього процесу), він збільшує власний запис у векторі.
• Надіслати: Коли процес надсилає повідомлення, він включає значення свого поточного векторного годинника в повідомлення.
• Отримати: Коли процес отримує повідомлення, він оновлює свій власний вектор, беручи поелементний максимум свого поточного вектора та вектора, отриманого в повідомленні. Він *також* збільшує власний запис у векторі, відображаючи саму подію отримання.

Як векторні годинники працюють на практиці

Проілюструємо простим прикладом за участю трьох користувачів (A, B і C), які спільно працюють над документом:

Початковий стан: Кожен користувач ініціалізує свій векторний годинник до [0, 0, 0].

Дія користувача A: Користувач A вводить літеру «H». A збільшує власний запис у векторі, що призводить до [1, 0, 0].

Користувач A надсилає: Користувач A надсилає символ «H» і векторний годинник [1, 0, 0] на сервер, який потім передає його користувачам B і C.

Користувач B отримує: Користувач B отримує повідомлення та векторний годинник [1, 0, 0]. B оновлює свій векторний годинник, беручи поелементний максимум: max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. Потім B збільшує власний запис, що призводить до [1, 1, 0].

Користувач C отримує: Користувач C отримує повідомлення та векторний годинник [1, 0, 0]. C оновлює свій векторний годинник: max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. Потім C збільшує власний запис, що призводить до [1, 0, 1].

Дія користувача B: Користувач B вводить літеру «i». B збільшує власний запис у векторному годиннику: [1, 2, 0].

Порівняння подій:

Тепер ми можемо порівняти векторні годинники, пов’язані з цими подіями, щоб визначити їхні зв’язки:

• «H» користувача A ([1, 0, 0]) сталася до «i» користувача B ([1, 2, 0]): Оскільки [1, 0, 0] <= [1, 2, 0] і принаймні один елемент суворо менший.

Порівняння векторних годинників

Щоб визначити зв’язок між двома подіями, представленими векторними годинниками V1 і V2:

• V1 сталася до V2 (V1 < V2): Кожен елемент у V1 менший або дорівнює відповідному елементу у V2, і принаймні один елемент суворо менший.
• V2 сталася до V1 (V2 < V1): Кожен елемент у V2 менший або дорівнює відповідному елементу у V1, і принаймні один елемент суворо менший.
• V1 і V2 одночасні: Ні V1 < V2, ні V2 < V1. Це означає, що між подіями немає причинно-наслідкового зв’язку.
• V1 і V2 рівні (V1 = V2): Кожен елемент у V1 дорівнює відповідному елементу у V2. Це означає, що обидва вектори представляють один і той самий стан.

Реалізація векторного годинника у Frontend JavaScript

Ось базовий приклад того, як реалізувати векторний годинник у JavaScript, придатний для frontend-додатку:

            
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
              
            
          

Пояснення

• Конструктор: Ініціалізує векторний годинник ідентифікатором процесу та загальною кількістю процесів. Масив `clock` ініціалізується всіма нулями.
• increment(): Збільшує значення годинника за індексом, що відповідає ідентифікатору процесу.
• merge(): Об’єднує отриманий годинник з поточним, беручи поелементний максимум. Це гарантує, що годинник відображає найвищий відомий логічний час для кожного процесу. Після об’єднання він збільшує власний годинник, відображаючи отримання повідомлення.
• getClock(): Повертає копію поточного годинника, щоб запобігти зовнішнім змінам.
• happenedBefore(): Порівнює два годинники та повертає `true`, якщо поточний годинник стався до іншого годинника, `false` в іншому випадку.

Виклики та міркування

Хоча векторні годинники пропонують надійне рішення для розподіленого впорядкування подій, є деякі виклики, які слід враховувати:

• Масштабованість: Розмір векторного годинника лінійно зростає зі збільшенням кількості процесів у системі. У великих програмах це може стати значним накладним навантаженням. Для пом’якшення цього можна використовувати такі методи, як усічені векторні годинники, де безпосередньо відстежується лише підмножина процесів.
• Керування ідентифікаторами процесів: Призначення та керування унікальними ідентифікаторами процесів має вирішальне значення. Для цього можна використовувати центральний орган або алгоритм розподіленого консенсусу.
• Втрачені повідомлення: Векторні годинники припускають надійну доставку повідомлень. Якщо повідомлення втрачено, векторні годинники можуть стати неузгодженими. Необхідні механізми виявлення та відновлення після втрачених повідомлень. Такі методи, як додавання порядкових номерів до повідомлень і реалізація протоколів повторної передачі, можуть допомогти.
• Збирання сміття/Видалення процесів: Коли процеси залишають систему, їхні відповідні записи у векторних годинниках потрібно керувати. Просте залишення запису може призвести до необмеженого зростання вектора. Підходи включають позначення записів як «мертвих» (але все ще зберігаючи їх) або реалізацію більш складних методів для перепризначення ідентифікаторів і стиснення вектора.

Реальні програми

Векторні годинники використовуються в різноманітних реальних програмах, зокрема:

• Програми для спільної роботи з документами (наприклад, Google Docs, Microsoft Office Online): Забезпечення застосування змін від кількох користувачів у правильному порядку, запобігання пошкодженню даних і підтримка узгодженості.
• Програми чатів у реальному часі (наприклад, Slack, Discord): Правильне впорядкування повідомлень для забезпечення узгодженого потоку розмови. Це особливо важливо при обробці повідомлень, надісланих одночасно від різних користувачів.
• Багатокористувацькі ігрові середовища: Синхронізація станів гри між кількома гравцями, забезпечення справедливості та запобігання неузгодженостям. Наприклад, забезпечення того, щоб дії, виконані одним гравцем, правильно відображалися на екранах інших гравців.
• Розподілені бази даних: Підтримка узгодженості даних і вирішення конфліктів у розподілених системах баз даних. Векторні годинники можна використовувати для відстеження причинно-наслідкового зв’язку оновлень і забезпечення їх застосування в правильному порядку в кількох репліках.
• Системи керування версіями: Відстеження змін у файлах у розподіленому середовищі (хоча часто використовуються більш складні алгоритми).

Альтернативні рішення

Хоча векторні годинники є потужними, вони не є єдиним рішенням для розподіленого впорядкування подій. Інші методи включають:

• Відмітки часу Лампорта: Простіший підхід, який призначає єдину логічну відмітку часу кожній події. Однак відмітки часу Лампорта забезпечують лише повний порядок, який може неточно відображати причинно-наслідковий зв’язок у всіх випадках.
• Вектори версій: Подібні до векторних годинників, але використовуються в системах баз даних для відстеження різних версій даних.
• Операційне перетворення (OT): Більш складний метод, який перетворює операції для забезпечення узгодженості в середовищах спільного редагування. OT часто використовується в поєднанні з векторними годинниками або іншими механізмами керування паралельністю.
• Репліковані типи даних без конфліктів (CRDT): Структури даних, які призначені для реплікації на кількох вузлах без необхідності координації. CRDT гарантують остаточну узгодженість і особливо добре підходять для програм для спільної роботи.

Реалізація з фреймворками (React, Angular, Vue)

Інтеграція векторних годинників у frontend-фреймворки, такі як React, Angular і Vue, передбачає керування станом годинника в життєвому циклі компонента та використання можливостей прив’язки даних фреймворка для відповідного оновлення інтерфейсу користувача.

Приклад React (концептуальний)

            
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
              
            
          

Основні міркування щодо інтеграції фреймворка

• Керування станом: Використовуйте механізми керування станом фреймворка (наприклад, `useState` у React, сервіси в Angular, реактивні властивості у Vue) для керування векторним годинником і даними програми.
• Прив’язка даних: Використовуйте прив’язку даних для автоматичного оновлення інтерфейсу користувача, коли векторний годинник або дані програми змінюються.
• Асинхронний зв’язок: Обробляйте асинхронний зв’язок із сервером (наприклад, за допомогою WebSockets або HTTP-запитів) для надсилання та отримання оновлень.
• Обробка подій: Правильно обробляйте події (наприклад, введення користувача, вхідні повідомлення), щоб оновити векторний годинник і дані програми.

За рамки основ: Розширені методи векторного годинника

Для більш складних сценаріїв розгляньте ці розширені методи:

• Вектори версій для вирішення конфліктів: Використовуйте вектори версій (варіант векторних годинників) у базах даних для виявлення та вирішення конфліктних оновлень.
• Векторні годинники зі стисненням: Реалізуйте методи стиснення, щоб зменшити розмір векторних годинників, особливо у великих системах.
• Гібридні підходи: Об’єднайте векторні годинники з іншими механізмами керування паралельністю (наприклад, операційним перетворенням) для досягнення оптимальної продуктивності та узгодженості.

Висновок

Векторні годинники реального часу забезпечують цінний механізм для досягнення узгодженого порядку подій у розподілених frontend-додатках. Розуміючи принципи векторних годинників і ретельно враховуючи виклики та компроміси, розробники можуть створювати надійні програми для спільної роботи, які забезпечують безперебійну роботу користувачів. Хоча векторні годинники складніші за прості рішення, їх надійна природа робить їх ідеальними для систем, які потребують гарантованої узгодженості даних між розподіленими клієнтами по всьому світу.