【文档协同编辑】(二) CRDT数据结构

历史

CRDT (Conflict-free Replicated Data Type)，即“无冲突复制数据类型”，它主要被应用在分布式系统中，保证分布式应用的数据一致性。文档协同编辑可以理解为分布式应用的一种。CRDT的本质是数据结构，通过数据结构的设计保证并发操作数据的最终一致性。

CRDT 于 2011 年正式被提出，而目前最知名的基于CRDT的框架Yjs在2015年开源，在此基础上构建了许多Web应用项目，包括Monaco，Tiptap等。

CRDT的核心思想

大多数的CRDT在文档中为每个字符分配一个独一无二的ID，为了保证文档始终能够收敛，已删除的数据仍然保留元数据，只是在页面上不显示。[1]

CRDT支持各个主机副本之间数据修改的直接同步，而且数据修改的同步顺序以及同步的次数不影响最终结果，只要修改操作一致，数据的最终状态就是一致的，也就是通常大家说的 CRDT 数据的满足交换性和幂等性。

由此CRDT满足了去中心化的最终一致性。每个主机只要知道相同的操作序列，就可以得到相同的结果。

CRDT的分类：

1. 基于操作的CRDT: 也称为交换性(commutative)复制数据类型或 CmRDT。 CmRDT 副本通过仅传输更新操作来传播状态。例如，一个单个整数的 CmRDT 可能会广播操作 (+10) 或 (−20)。副本收到更新并在本地应用它们。这些操作是可交换的。然而它们不是必然幂等的（多次同步）。因此，此时必须确保所有一个副本上的操作被传递给其他副本，没有重复，但可以是任意顺序[3]。

2. 基于状态的 CRDT: 称为convergent replicated data types或 CvRDT。与 CmRDT 相比，CvRDT 将其完整的本地状态发送到其他副本，其中状态由必须具有交换性、关联性和幂等性的函数合并。merge函数为任何一对副本状态提供关联，因此所有状态的集合形成一个半格（semilattice）。根据与半格相同的偏序规则，更新函数必须单调增加内部状态。

注：半格是一个数学上的概念，简单理解是满足运算幂等和交换的一个集合。这里不重要。

场景

以下内容主要来自[1], 有删节

用 CRDT 的思想解决脏路径问题

对于脏路径问题：

序列若不经过转换，在A客户端与B客户端得到的结果不一致。

我们使用类似于 CRDT 的方式描述数组：

左边操作：

在 Index=2 的位置插入 Access -> 在 111 之后插入 Access

右边操作：

在 Index=4 的位置插入 Testhub -> 在 333 之后插入 Testhub

冲突问题即得到解决。

CRDT 解决并发冲突

这里还是以图片设置 align 属性为例介绍，首先看看CRDT如何描述对象属性及属性修改：

左边是图片数据模型，右边是模拟 CRDT 对应的数据结构，图片对象中的每一个字段都使用结构对象去描述内容及内容的修改，这里以 align 字段的代表看它的表达

操作 ①：

最上面蓝色部分表示 align 的初始值是 center ，（140, 20）是这个初始数据结构的标识，它也是基于某一个用户的操作产生的。

这个时候一个用户执行了操作 ①，把 align 属性修改为 left，产生了一个新的结构对象，就是图中橙色部分的表示。操作完成后，Map 中的 align 字段指向了新产生的结构对象上，标识符是（141,0），因为（141,0）这个结构对象是基于（140,20）的修改，所以它的 left 指向（140,20）这个结构对象。

这个示例会有一些歧义，就是链表的数据结构本身会有 left、right 两个指针（在结构对象左右两边），然后中间部分其实是内容，但是我的内容存储的是图片的 align 属性，它的值可能是 left、center、right，跟链表在 left、right 指针在一起可能产生混淆。

操作②：

这个时候另外一个用户基于刚刚产生的结构对象（141,0）进行了操作 ②，把 align 属性修改为right，产生了一个新的结构对象，就是图中橙红色部分的表示。

图片下半部分是这两个操作之后最终的数据结构，它是一个双向链表的表达（这种表达已经很接近 Yjs 真实的数据结构了），它不仅可以描述最终的数据状态（right），还可以表达出数据修改的顺序：center -> left -> right。

这个示例其实描述的是顺序操作，每一个操作基于的状态都是最新状态，两个用户执行的操作是有确定先后顺序的。

下面看看两个用户并发的执行属性修改时产生的数据结构：

与前面最大的不同就是执行操作 ② 和执行操作 ① 所基于的状态是一致的，都是基于 align = 'center' 进行修改的，这种情况表达的就是并发数据的修改。接下来就是并发处理的逻辑了，跟前面介绍的一致，这个时候操作 ① 的对应的用户标识 141 小于操作 ② 对应用户标识 142，所以先应用操作 ①，后应用操作 ②，所以最终图片的 align 属性状态是 right。[1]

CRDT 解决 undso/redos问题

CRDT 可以理解为完全没有「脏路径」问题，然后并发冲突问题也完全可以基于 CRDT 的标识符（时间戳）去解决，那么基于 CRDT 的方案中，实现 undos/redos 应该就比较简单了，只需要根据 CRDT 的数据结构的新增或者删除去实现 undos/redos 栈就可以有效解决问题。假如进行了一个生成结构对象的操作，那么撤回的时候可能就把它标记删除。

假如进行一个删除结构对象的操作，在执行撤回操作时可能就对应于重新执行结构对象的插入操作。

CRDT 算法说明

与 OT 不同，CRDT是一种全新的解决方案，它不依赖于编辑器实现，对于任何的编辑器数据模型都可以使用一套 CRDT 数据结构去处理冲突，也是因为数据结构的性质，它也可以不依赖中心化的服务器，而且稳定性非常高，这区别于 OT，OT可以理解为是通过算法控制保证数据一致性，CRDT 通过数据结构设计保证数据一致性，它在复杂的网络环境中的处理是更稳健的，CRDT 的代价就是要保存更多的元数据，这会带来一定内存消耗，但是这是可优化的，事实证明这个代价在协同编辑场景是完全可忽略不计的。