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JS `CRDT` (Conflict-Free Replicated Data Types)：构建离线优先、多端同步应用

各位老铁，大家好！我是你们今天的主讲人，一个在代码海洋里摸爬滚打多年的老水手。今天咱们不聊虚的，直接上干货，聊聊JS CRDT，也就是Conflict-Free Replicated Data Types，中文名叫“无冲突复制数据类型”。这玩意儿听起来高大上，其实就是帮你搞定离线优先、多端同步应用的秘密武器。

为啥我们需要CRDT？

想象一下，你正在做一个多人协作的文档编辑器，或者一个需要离线使用的TODO list应用。如果没有CRDT，你的数据同步过程可能长这样：

  1. 小明在线修改了文档。
  2. 小红离线修改了文档。
  3. 小红上线，尝试同步数据。
  4. 冲突！ 怎么办？让用户手动解决？用户体验直接爆炸！

传统的解决方案通常是使用锁或者中心服务器来协调数据修改，但这会导致性能瓶颈和单点故障。而CRDT的核心思想是：让每个客户端都可以独立地修改数据，而无需协调，最终所有客户端的数据会自动合并成一致的状态。 听起来是不是像魔法？

CRDT的两种主要类型：

CRDT主要分为两种类型：基于操作的（Operation-based）CRDT和基于状态的（State-based）CRDT。

  • 基于操作的CRDT（Op-based CRDT）： 客户端广播它们执行的操作，而不是整个状态。所有副本按相同的顺序应用这些操作，从而达到一致性。

    • 优点: 通常更高效，因为只传输操作，而不是整个状态。
    • 缺点: 需要可靠的广播机制，保证操作的顺序和传递。

  • 基于状态的CRDT（State-based CRDT）： 客户端广播它们的完整状态。接收到状态的副本将其与自身的状态合并。

    • 优点: 不需要可靠的广播机制，只需要最终一致性。
    • 缺点: 传输的数据量可能比较大，尤其是对于大型数据集。

常用CRDT类型及其JS实现：

接下来，我们来深入了解几种常用的CRDT类型，并给出相应的JS实现。注意，这些实现只是为了演示概念，生产环境可能需要更完善的库。

  1. 计数器（Counter）：

    • 场景： 记录点赞数、浏览量等。
    • 类型： 通常是基于操作的CRDT。
    class Counter {
  constructor(id, value = 0) {
    this.id = id; // 客户端唯一ID
    this.value = value;
  }

  increment(amount = 1) {
    return {
      type: 'increment',
      id: this.id,
      amount: amount,
    };
  }

  decrement(amount = 1) {
    return {
      type: 'decrement',
      id: this.id,
      amount: amount,
    };
  }

  apply(operation) {
    if (operation.type === 'increment' && operation.id === this.id) {
      this.value += operation.amount;
    } else if (operation.type === 'decrement' && operation.id === this.id) {
      this.value -= operation.amount;
    }
  }

  getValue() {
    return this.value;
  }
}

// 示例
const counter1 = new Counter('client1');
const counter2 = new Counter('client2');

const op1 = counter1.increment(5);
const op2 = counter2.increment(3);

counter1.apply(op2);
counter2.apply(op1);

console.log('Counter1 value:', counter1.getValue()); // Counter1 value: 8
console.log('Counter2 value:', counter2.getValue()); // Counter2 value: 8

  2. 最后写入胜出集合（Last Write Wins Element Set, LWWES）：

    • 场景： 维护一个集合，其中每个元素都有一个时间戳，最后写入的元素胜出。
    • 类型： 基于状态的CRDT。
    class LWWElementSet {
  constructor() {
    this.adds = new Map(); // { element: timestamp }
    this.removes = new Map(); // { element: timestamp }
  }

  add(element, timestamp = Date.now()) {
    this.adds.set(element, timestamp);
  }

  remove(element, timestamp = Date.now()) {
    this.removes.set(element, timestamp);
  }

  has(element) {
    const addTimestamp = this.adds.get(element) || 0;
    const removeTimestamp = this.removes.get(element) || 0;
    return addTimestamp > removeTimestamp;
  }

  merge(other) {
    // Merge adds
    for (const [element, timestamp] of other.adds) {
      if (!this.adds.has(element) || timestamp > this.adds.get(element)) {
        this.adds.set(element, timestamp);
      }
    }

    // Merge removes
    for (const [element, timestamp] of other.removes) {
      if (!this.removes.has(element) || timestamp > this.removes.get(element)) {
        this.removes.set(element, timestamp);
      }
    }
  }

  getElements() {
    const elements = [];
    for (const element of this.adds.keys()) {
      if (this.has(element)) {
        elements.push(element);
      }
    }
    return elements;
  }
}

// 示例
const set1 = new LWWElementSet();
const set2 = new LWWElementSet();

set1.add('apple', 1);
set2.remove('apple', 2); // 后写入的remove胜出

set1.merge(set2);
set2.merge(set1);

console.log('Set1 has apple:', set1.has('apple')); // Set1 has apple: false
console.log('Set2 has apple:', set2.has('apple')); // Set2 has apple: false

  3. 增长-仅添加集合（Grow-Only Set, G-Set）：

    • 场景： 维护一个只允许添加元素的集合。
    • 类型： 基于状态的CRDT。
    class GrowOnlySet {
  constructor() {
    this.elements = new Set();
  }

  add(element) {
    this.elements.add(element);
  }

  has(element) {
    return this.elements.has(element);
  }

  merge(other) {
    for (const element of other.elements) {
      this.elements.add(element);
    }
  }

  getElements() {
    return Array.from(this.elements);
  }
}

// 示例
const set1 = new GrowOnlySet();
const set2 = new GrowOnlySet();

set1.add('apple');
set2.add('banana');

set1.merge(set2);
set2.merge(set1);

console.log('Set1 elements:', set1.getElements()); // Set1 elements: [ 'apple', 'banana' ]
console.log('Set2 elements:', set2.getElements()); // Set2 elements: [ 'apple', 'banana' ]

  4. 增加/移除集合 (Add/Remove Set, Two-Phase Set 2P-Set):

    • 场景: 允许添加和删除元素，但删除操作一旦发生就无法撤销。
    • 类型: 基于状态的CRDT。
    class TwoPhaseSet {
    constructor() {
        this.added = new Set();
        this.removed = new Set();
    }

    add(element) {
        if(!this.removed.has(element)) {
            this.added.add(element);
        }
    }

    remove(element) {
        if(this.added.has(element)) {
            this.removed.add(element);
        }
    }

    has(element) {
        return this.added.has(element) && !this.removed.has(element);
    }

    merge(other) {
        for (const element of other.added) {
            this.added.add(element);
        }

        for (const element of other.removed) {
            this.removed.add(element);
        }
    }

    getElements() {
        const elements = [];
        for (const element of this.added) {
            if (!this.removed.has(element)) {
                elements.push(element);
            }
        }
        return elements;
    }
}

// 示例
const set1 = new TwoPhaseSet();
const set2 = new TwoPhaseSet();

set1.add('apple');
set2.remove('apple'); // 删除操作发生

set1.merge(set2);
set2.merge(set1);

console.log('Set1 has apple:', set1.has('apple')); // Set1 has apple: false
console.log('Set2 has apple:', set2.has('apple')); // Set2 has apple: false

  5. 有偏向的增加/移除集合 (Bias Add/Remove Set, Observed-Remove Set OR-Set)

    • 场景: 允许添加和删除元素，并且删除操作可以被撤销。它维护了一个添加和删除的集合，每个添加和删除操作都带有一个唯一的标识符（例如，时间戳或 UUID）。
    • 类型: 基于状态的CRDT。
    class ORSet {
    constructor() {
        this.adds = new Map(); // { element: Set<UUID> }
        this.removes = new Set(); // Set<UUID>
    }

    generateUUID() {
        return crypto.randomUUID(); // 需要crypto API，浏览器或Node.js环境
    }

    add(element) {
        const uuid = this.generateUUID();
        if (!this.adds.has(element)) {
            this.adds.set(element, new Set());
        }
        this.adds.get(element).add(uuid);
        return uuid; // 返回uuid，用于后续删除
    }

    remove(element, uuid) { // 移除需要知道添加时的uuid
        if (this.adds.has(element) && this.adds.get(element).has(uuid)) {
            this.adds.get(element).delete(uuid);
            this.removes.add(uuid);
        }
    }

    has(element) {
        if (!this.adds.has(element)) {
            return false;
        }
        for (const uuid of this.adds.get(element)) {
            if (!this.removes.has(uuid)) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    merge(other) {
        // Merge adds
        for (const [element, uuids] of other.adds) {
            if (!this.adds.has(element)) {
                this.adds.set(element, new Set());
            }
            for (const uuid of uuids) {
                this.adds.get(element).add(uuid);
            }
        }

        // Merge removes
        for (const uuid of other.removes) {
            this.removes.add(uuid);
        }
    }

    getElements() {
        const elements = [];
        for (const element of this.adds.keys()) {
            if (this.has(element)) {
                elements.push(element);
            }
        }
        return elements;
    }
}

// 示例 (需要crypto API)
const set1 = new ORSet();
const set2 = new ORSet();

const uuid1 = set1.add('apple');
set2.remove('apple', uuid1); // 删除操作

set1.merge(set2);
set2.merge(set1);

console.log('Set1 has apple:', set1.has('apple')); // Set1 has apple: false

const uuid2 = set2.add('apple'); // 重新添加
set1.merge(set2);
set2.merge(set1);

console.log('Set1 has apple:', set1.has('apple')); // Set1 has apple: true

  6. 文本CRDT (基于链表的 CRDT):

    • 场景: 实现协同文本编辑。
    • 类型: 基于操作的CRDT。

    文本CRDT比较复杂，通常使用链表结构来表示文本，并使用特殊的算法来处理插入和删除操作。这里提供一个简化的概念示例，实际应用中需要更复杂的算法。

    class TextCRDT {
  constructor(siteId) {
    this.siteId = siteId;
    this.text = []; // 存储文本字符
    this.counter = 0; // 操作计数器
    this.operations = []; // 存储操作
  }

  generateId() {
    this.counter++;
    return {
      siteId: this.siteId,
      counter: this.counter,
    };
  }

  insert(index, char) {
    const id = this.generateId();
    const operation = {
      type: 'insert',
      index: index,
      char: char,
      id: id,
    };
    this.operations.push(operation);
    this.applyOperation(operation);
    return operation;
  }

  delete(index) {
    const operation = {
      type: 'delete',
      index: index,
    };
    this.operations.push(operation);
    this.applyOperation(operation);
    return operation;
  }

  applyOperation(operation) {
    if (operation.type === 'insert') {
      this.text.splice(operation.index, 0, operation.char);
    } else if (operation.type === 'delete') {
      this.text.splice(operation.index, 1);
    }
  }

  merge(operations) {
    operations.forEach(op => {
      if (!this.operations.find(existingOp => existingOp.id && existingOp.id.siteId === op.id.siteId && existingOp.id.counter === op.id.counter)) {
        this.applyOperation(op);
        this.operations.push(op);
      }
    });
    this.operations.sort((a, b) => {
      if (a.id && b.id) {
        if (a.id.counter !== b.id.counter) {
          return a.id.counter - b.id.counter;
        } else {
          return a.id.siteId - b.id.siteId;
        }
      }
      return 0;
    });
  }

  getText() {
    return this.text.join('');
  }
}

// 示例
const text1 = new TextCRDT(1);
const text2 = new TextCRDT(2);

const insertOp1 = text1.insert(0, 'A');
const insertOp2 = text2.insert(0, 'B');

text1.merge([insertOp2]);
text2.merge([insertOp1]);

console.log('Text1:', text1.getText()); // Text1: BA
console.log('Text2:', text2.getText()); // Text2: BA

const deleteOp = text1.delete(0);
text2.merge([deleteOp]);
text1.merge([deleteOp]);

console.log('Text1:', text1.getText()); // Text1: A
console.log('Text2:', text2.getText()); // Text2: A

选择合适的CRDT：

选择哪种CRDT取决于你的具体需求。以下是一些建议：

CRDT类型 适用场景 优点 缺点
计数器 点赞数、浏览量等 简单易用 只能进行增减操作
LWWES 维护一个集合，最后写入胜出 简单，易于理解 依赖于时间戳，时钟同步问题可能导致不一致
G-Set 只允许添加元素的集合 简单，永远不会出现删除冲突 只能添加元素
2P-Set 允许添加和删除元素，但删除操作不可撤销 简单，删除操作明确 删除操作不可撤销
OR-Set 允许添加和删除元素，且删除操作可以被撤销 允许撤销删除操作，更灵活 复杂性较高，需要生成和维护UUID
文本CRDT (链表结构) 协同文本编辑 支持细粒度的文本操作，适用于多人协作 实现复杂，性能可能成为瓶颈

CRDT的局限性：

CRDT并非万能药。它也有一些局限性：

  • 复杂性： 实现CRDT可能比较复杂，需要仔细考虑数据结构和合并策略。
  • 性能： 对于大型数据集，合并操作可能会比较耗时。
  • 并非所有数据类型都适用： 有些数据类型很难找到合适的CRDT实现。

JS CRDT库：

幸运的是，你不需要从头开始实现CRDT。有很多成熟的JS CRDT库可以使用，例如：

  • Automerge: 一个流行的库，提供了强大的对象和文档CRDT支持。
  • Yjs: 另一个强大的库，专注于协同编辑场景。
  • Crdts: 一个轻量级的库，提供了多种CRDT类型的实现。

总结：

CRDT是构建离线优先、多端同步应用的强大工具。通过选择合适的CRDT类型和JS库，你可以轻松地解决数据冲突问题，提升用户体验。记住，没有银弹，选择最适合你需求的方案才是王道。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获，也欢迎大家多多交流，一起在CRDT的世界里探索更多可能性！

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