JS `Operational Transforms (OT)`：协同编辑的底层算法

嘿，大家好！我是你们今天的OT向导。系好安全带，我们要潜入协同编辑的幕后英雄——Operational Transformation (OT) 的世界了！

第一幕：协同编辑的烦恼——数据同步的“罗生门”

想象一下，你和你的小伙伴们正在用同一个在线文档写小说。你输入了一句：“太阳缓缓升起”，与此同时，你的朋友删掉了第一段。如果没有协调，你们最终看到的可能是“缓缓升起”，或者更糟，直接冲突爆炸！

这就是协同编辑要解决的核心问题：当多个用户同时修改同一份文档时，如何保证最终的数据一致性，避免数据丢失或者错乱？

第二幕：OT 登场——“时间旅行”般的变换

OT 就像一个聪明的交通警察，它能理解每一个用户的操作，并将其转换成适用于当前文档状态的“指令”。 简单来说，OT的核心思想就是把用户的编辑操作（例如插入、删除）定义为“操作 (Operation)”，然后通过“变换 (Transform)”操作，使得这些操作在不同的文档版本上依然有效。

关键概念：

• Operation (操作)： 用户对文档所做的具体修改，例如插入一段文本、删除一段文本、替换一段文本等。
• Transform (变换)： OT 的核心所在，它定义了当两个操作同时发生时，如何调整它们，使它们可以互相兼容，保证最终结果的一致性。
• Document Version (文档版本)： 文档的每一次修改都会产生一个新的版本，版本号递增。

第三幕：OT 的基本操作类型——插入和删除的舞蹈

我们先来看最基本的操作：插入 (Insert) 和删除 (Delete)。

• Insert(position, text): 在文档的 position 位置插入 text 字符串。
• Delete(position, length): 从文档的 position 位置开始删除 length 个字符。

举个例子：

初始文档： "hello"

用户 A 执行： Insert(2, "XX") -> "heXXllo"
用户 B 执行： Delete(1, 2) -> "llo"

如果没有 OT，直接应用这两个操作，结果可能完全错误。

第四幕：Transform 的魔法——让操作“适应”环境

现在，我们来定义 transform 函数，它接受两个操作 op1 和 op2 作为输入，返回一个新的操作 op1'，这个 op1' 相当于对 op1 进行了调整，使其可以应用在 op2 执行之后的新文档版本上。

我们来考虑几种情况：

1. Insert vs. Insert:

如果两个用户都在同一个位置插入文本，我们通常让先到达服务器的操作优先，后面的操作向后移动。

function transformInsertInsert(op1, op2) {
  // op1: Insert(pos1, text1)
  // op2: Insert(pos2, text2)

  const pos1 = op1.position;
  const pos2 = op2.position;
  const text1 = op1.text;

  if (pos1 <= pos2) {
    // op1 在 op2 之前或同一位置插入，无需调整
    return { ...op1 };
  } else {
    // op1 在 op2 之后插入，需要将 op1 的位置向后移动 text2.length
    return { type: 'insert', position: pos1 + op2.text.length, text: text1 };
  }
}

情况	op1 (Insert)	op2 (Insert)	op1′ (Transform 后的 Insert)
位置相同	Insert(2, "XX")	Insert(2, "YY")	Insert(2, "XX")
op1 在前	Insert(1, "XX")	Insert(3, "YY")	Insert(1, "XX")
op1 在后	Insert(3, "XX")	Insert(1, "YY")	Insert(5, "XX")

2. Insert vs. Delete:

如果插入操作发生在删除操作之前，删除操作的位置需要根据插入操作的位置进行调整。

function transformInsertDelete(op1, op2) {
  // op1: Insert(pos1, text1)
  // op2: Delete(pos2, length2)

  const pos1 = op1.position;
  const pos2 = op2.position;
  const length2 = op2.length;
  const text1 = op1.text;

  if (pos1 <= pos2) {
    // op1 在 op2 之前插入，无需调整
    return { ...op1 };
  } else if (pos1 >= pos2 + length2) {
    // op1 在 op2 之后插入，需要将 op1 的位置向前移动 length2
    return { type: 'insert', position: pos1 - length2, text: text1 };
  } else {
    // op1 插入的位置在 op2 删除的范围内，这个比较复杂，通常直接拒绝本次操作，或进行更复杂的操作拆分，这里我们简化处理，返回null表示冲突。
    return null;
  }
}

情况	op1 (Insert)	op2 (Delete)	op1′ (Transform 后的 Insert)
op1 在前	Insert(1, "XX")	Delete(3, 2)	Insert(1, "XX")
op1 在后	Insert(5, "XX")	Delete(1, 2)	Insert(3, "XX")
op1 在删除范围内	Insert(2, "XX")	Delete(1, 3)	null (冲突)

3. Delete vs. Insert:

如果删除操作发生在插入操作之前，删除操作的位置和长度都需要根据插入操作的位置进行调整。

function transformDeleteInsert(op1, op2) {
  // op1: Delete(pos1, length1)
  // op2: Insert(pos2, text2)

  const pos1 = op1.position;
  const length1 = op1.length;
  const pos2 = op2.position;
  const text2 = op2.text;

  if (pos1 <= pos2) {
    // 删除操作在插入操作之前
    return { ...op1, position: pos1 };
  } else {
    // 删除操作在插入操作之后，需要将删除操作的位置向后移动 text2.length
    return { type: 'delete', position: pos1 + text2.length, length: length1 };
  }
}

情况	op1 (Delete)	op2 (Insert)	op1′ (Transform 后的 Delete)
op1 在前	Delete(1, 2)	Insert(3, "XX")	Delete(1, 2)
op1 在后	Delete(3, 2)	Insert(1, "XX")	Delete(5, 2)

4. Delete vs. Delete:

如果两个用户都删除了文本，需要考虑删除的位置和长度。

function transformDeleteDelete(op1, op2) {
  // op1: Delete(pos1, length1)
  // op2: Delete(pos2, length2)

  const pos1 = op1.position;
  const length1 = op1.length;
  const pos2 = op2.position;
  const length2 = op2.length;

  if (pos1 < pos2) {
    // op1 在 op2 之前，无需调整
    return { ...op1 };
  } else if (pos1 > pos2) {
    // op1 在 op2 之后，需要调整位置
    return { type: 'delete', position: pos1 - length2, length: length1 };
  } else {
    // op1 和 op2 在相同位置，需要根据长度调整
    const newLength = Math.max(0, length1 - length2);
    if (newLength > 0) {
       return { type: 'delete', position: pos1, length: newLength };
    } else {
       return null; // op1 已经被完全删除
    }
  }
}

情况	op1 (Delete)	op2 (Delete)	op1′ (Transform 后的 Delete)
op1 在前	Delete(1, 2)	Delete(4, 2)	Delete(1, 2)
op1 在后	Delete(4, 2)	Delete(1, 2)	Delete(2, 2)
位置相同	Delete(1, 3)	Delete(1, 2)	Delete(1, 1)

第五幕：OT 的核心流程——同步的交响曲

1. 用户发起操作： 用户在本地编辑器进行修改，生成一个操作 op。
2. 发送到服务器： 用户将 op 发送到服务器。
3. 服务器存储： 服务器接收到 op，将其放入操作队列。
4. Transform： 服务器从操作队列中取出 op，并将其与之前已经应用过的所有操作进行 transform，生成新的操作 op'。
5. 应用操作： 服务器将 op' 应用到当前文档版本，更新文档状态，并生成新的文档版本。
6. 广播： 服务器将 op' 广播给所有客户端。
7. 客户端应用： 客户端接收到 op'，将其应用到本地文档，保持本地文档与服务器文档的同步。

代码示例：一个简化版的 OT 实现

这是一个非常简化的 OT 实现，仅包含 Insert 和 Delete 操作，以及它们之间的 transform。

// 定义操作类型
const OP_TYPE = {
    INSERT: 'insert',
    DELETE: 'delete',
};

// 变换函数
function transform(op1, op2) {
    if (op1.type === OP_TYPE.INSERT && op2.type === OP_TYPE.INSERT) {
        return transformInsertInsert(op1, op2);
    } else if (op1.type === OP_TYPE.INSERT && op2.type === OP_TYPE.DELETE) {
        return transformInsertDelete(op1, op2);
    } else if (op1.type === OP_TYPE.DELETE && op2.type === OP_TYPE.INSERT) {
        return transformDeleteInsert(op1, op2);
    } else if (op1.type === OP_TYPE.DELETE && op2.type === OP_TYPE.DELETE) {
        return transformDeleteDelete(op1, op2);
    } else {
        return op1; // 未知的操作类型，直接返回
    }
}

// 应用操作到文档
function applyOperation(doc, op) {
    if (op.type === OP_TYPE.INSERT) {
        return doc.slice(0, op.position) + op.text + doc.slice(op.position);
    } else if (op.type === OP_TYPE.DELETE) {
        return doc.slice(0, op.position) + doc.slice(op.position + op.length);
    } else {
        return doc;
    }
}

// 示例
let document = "hello";

// 用户 A 插入
let opA = { type: OP_TYPE.INSERT, position: 2, text: "XX" };

// 用户 B 删除
let opB = { type: OP_TYPE.DELETE, position: 1, length: 2 };

// 服务器先收到 A 的操作
document = applyOperation(document, opA); // "heXXllo"
console.log("服务器应用 A 的操作后:", document);

// 服务器收到 B 的操作，需要对 B 进行 transform
let opBTransformed = transform(opB, opA);
if (opBTransformed) {
    document = applyOperation(document, opBTransformed);
    console.log("服务器应用 B 的操作后:", document); // "heXXllo" -> "eXXllo"
} else {
    console.log("操作冲突！");
}

第六幕：OT 的挑战——复杂性与优化

OT 并非银弹，它也面临着一些挑战：

• 复杂性： transform 函数的实现非常复杂，需要考虑各种操作组合，容易出错。
• 性能： 当并发用户很多时，transform 操作的计算量会很大，影响性能。
• 冲突解决： 某些情况下，无法通过 transform 解决冲突，需要更复杂的冲突解决机制。

为了应对这些挑战，可以采取以下优化手段：

• 细粒度操作： 将操作分解成更小的单元，例如单个字符的插入和删除，可以提高 transform 的精度。
• 操作合并： 将多个连续的操作合并成一个操作，减少 transform 的次数。
• 异步处理： 将 transform 操作放在后台异步执行，避免阻塞主线程。
• 基于锁的并发控制： 对于高并发的场景，可以引入锁机制，避免多个线程同时修改文档状态。

第七幕：OT 的替代方案——CRDT 的崛起

除了 OT，还有一种新兴的协同编辑算法叫做 CRDT (Conflict-free Replicated Data Type)。 CRDT 的核心思想是设计一种数据结构，使得所有的操作都是可交换的，即使操作顺序不同，最终结果也是一致的。

CRDT 的优点是无需 transform 操作，简化了算法的复杂度，提高了性能。 但 CRDT 的缺点是需要设计特定的数据结构，不如 OT 通用。

第八幕：总结——协同编辑的未来

OT 作为协同编辑的底层算法，在保证数据一致性方面发挥了重要作用。虽然 OT 存在一些挑战，但通过各种优化手段，依然可以构建高性能的协同编辑系统。 随着 CRDT 等新兴算法的崛起，协同编辑的未来将更加充满想象力。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 OT。 记住，协同编辑不仅仅是技术，更是一种协作精神！ 感谢大家的参与，我们下次再见！