69、支持撤销操作的可扩展 XML 协同编辑

支持撤销操作的可扩展 XML 协同编辑

1. 引言

在云或对等网络等大规模基础设施中，数据会被复制以确保可用性、效率和容错性。数据作为信息系统的核心，副本的一致性是关键问题。传统确保强一致性（如线性或原子一致性）的机制扩展性不佳，因此现代大规模基础设施依赖最终一致性。

可交换复制数据类型（CRDT）是一种新算法，能确保复制数据的可扩展一致性，无需复杂的并发控制，已成功应用于文本协同编辑，但尚未用于半结构化数据类型。可扩展标记语言（XML）广泛用于信息系统，是数据交换的标准格式。

协同编辑有诸多优势，如获取不同观点、缩短任务完成时间、得到更准确的最终结果。如今，协同编辑已成为日常生活的一部分，例如维基百科用户在几年内生成了 1500 万篇文章。

撤销操作是协同编辑的重要特性，可帮助用户从错误和破坏行为中恢复，解决编辑冲突。然而，设计撤销功能并非易事，它需支持全局选择性撤销，且从用户角度看应是正确的，即系统要回到未执行该操作的状态。

我们提出一种用于协同编辑的 XML CRDT，能处理 XML 树的元素子节点和属性。元素子节点列表的顺序处理方式与线性结构 CRDT 相同，元素属性采用最后写入者获胜规则。通过记录属性的先前值和元素上的操作，并计算并发撤销和重做操作来实现撤销功能，同时还提出了垃圾回收机制来清理旧操作。

2. 技术现状

• 操作转换（OT）方法 ：是一种基于操作的复制机制，依赖通用集成算法和特定于复制数据类型的转换函数。一些集成机制使用状态向量（存在撤销时使用上下文向量）来检测操作间的并发，不适合大规模基础设施。
• Ignat 等人的方法 ：将使用反熵的集成机制与特定转换函数结合以实现 P2P XML 协作，但该方法用墓碑替换编辑文档中删除的元素以确保一致性，导致文档无限制增长，且不支持撤销。
• Martin 等人的方法 ：提出的 XML 树协调机制与 CRDT 类似，并发操作无需转换即可交换，但不处理 XML 元素属性，使用状态向量限制了可扩展性，且无撤销功能。
• 数据管理领域的相关工作 ：部分工作假定存在确保复制内容一致性的协议，但未明确定义；还有工作提出的并发修改合并算法仅适用于集中式环境。

3. 无撤销功能的 XML CRDT

在协同编辑器中，为确保本地修改的可扩展性和高响应性，数据需复制。这种复制是乐观的，本地修改会立即执行，允许副本在短时间内出现差异，但系统最终要保证一致性，即所有修改交付后，副本内容相同。

CRDT 是一种数据类型，所有并发操作可交换，无论操作交付顺序如何，结果文档都相同，从而确保最终一致性。

我们将 XML 协同编辑器视为一组网络节点，每个节点最多托管一个共享 XML 文档的副本。本地修改立即执行并传播到其他副本，假设每个副本最终都会收到所有修改。

将 XML 树视为边 e，包含三个元素：
- e.identifier ：边的唯一标识符（时间戳）。
- e.children ：边的子节点（边的集合）。
- e.attributes ：边的属性（字符串到值的映射）。映射的键是属性名，值 av 包含 av.value （属性的当前值）和 av.timestamp （属性的当前时间戳）。

影响 XML 树的基本操作如下：
- Add(idp,id) ：在边 idp 下添加标识符为 id 的边，该边为空，无标签名、子节点或属性。
- Del(id) ：删除标识符为 id 的边。
- SetAttr(id,attr,val,ts) ：将值 val 和时间戳 ts 设置到标识符为 id 的边的属性 attr 上，将属性值设置为 nil 表示删除该属性。

为使 Add 和 Del 操作可交换，使用唯一时间戳标识符。每个副本由唯一标识符 s 标识，每个操作由时钟 hs （逻辑时钟或挂钟）标识，标识符 id 是对 (hs : s) 。

为使 SetAttr 操作可交换，采用最后写入者获胜技术，为每个属性关联时间戳 ts ，仅当远程 SetAttr 的时间戳高于属性关联的时间戳时才应用。时间戳是全序的，时钟松散同步。

特殊属性：
- @tag 和 @position ：包含边的标签名和位置，不能为 nil ， @position 用于对节点的子节点排序，需唯一、全序且密集。
- @text ：用于建模文本边，若该属性有值 v ，则边被视为内容为 v 的文本边。

相关算法如下：

deliver (Add(idp,id),t) :
    edge p = find(idp,t), e = new edge(id);
    if p ̸= nil then p.children = p.children ∪{e};
end
deliver (Del(id),t) :
    edge p = findFather(id,t), e = find(id, p);
    if p ̸= nil then p.children = p.children\{e};
end
deliver (SetAttr(id,attr,val,ts),t) :
    edge e = find(id,t);
    if e ̸= nil and (e.attributes[attr] = nil or e.attributes[attr].timestamp < ts) then
        e.attributes[attr].value = val;
        e.attributes[attr].timestamp = ts;
    endif
end

4. 支持撤销功能的 XML CRDT

从用户角度实现正确的撤销功能并非易事。例如，用户添加元素，然后删除该元素，接着撤销添加操作，同时有两个不同用户撤销删除操作。最终，由于添加和删除操作都被撤销，节点应不可见，且在每个副本上无论操作交付顺序如何都应如此。若使用 Del 撤销 Add ，根据操作接收顺序会得到不同结果，这违反了最终一致性。

为实现满意的撤销功能，我们记录每个边的所有操作信息，并计算操作的效果计数器：1 减去撤销次数加上重做次数。若效果计数器大于 0，则操作有效果。元素可见的条件是添加操作的效果计数器大于 0，且没有效果计数器大于 0 的删除操作。属性的值由效果计数器大于 0 的最近值决定。

有撤销功能时，边属性 e.attributes[attr] 变为值 v 的有序列表，每个值包含三个元素：
- v.value ：属性的值（字符串）。
- v.timestamp ：与该值关联的时间戳。
- v.effect ：该值的效果计数器（整数）。

列表按时间戳排序， @add 特殊属性只有一个与边标识符相等的时间戳关联的值， @del 特殊属性存储应用于边的删除操作的时间戳列表。

相关算法如下：

deliver (Add(idp,id),t) :
    edge p = find(t,idp), e = new edge(id);
    p.children = p.children ∪{e}
    add(e.attributes[@add], new value (nil,id,1));
end
deliver (Del(id,ts),t) :
    edge e = find(t,id);
    add(e.attributes[@del], new value (nil,ts,1));
end
deliver (SetAttr(id,attr,val,ts),t) :
    edge e = find(t,id);
    add(e.attributes[attr], new value (val,ts,1));
end
deliver (Undo(Add(idp,id)),t) :
    increment(t,id,@add,id,−1);
end
deliver (Undo(Del(id,ts)),t) :
    increment(t,id,@del,ts,−1);
end
deliver (Undo(SetAttr(id,attr,val,ts)),t) :
    increment(t,id,attr,ts,−1);
end
function increment(t,id,attr,ts,delta)
    edge e = find(t,id);
    value v = get(e.attributes[attr],ts);
    v. effect += delta;
end

在示例中，每个副本上添加和删除操作的效果计数器都小于等于 0，因此这些操作对 XML 树无影响，边不可见。

由于上述模型包含墓碑和操作信息，不能直接供应用程序使用。应用程序不应看到墓碑，每个属性只能有一个值。节点可见的条件是效果计数器满足一定要求。

以下是一个简单的流程图，展示了基本操作的处理流程：

graph TD;
    A[开始] --> B{操作类型};
    B -->|Add| C[查找父节点];
    B -->|Del| D[查找父节点和边];
    B -->|SetAttr| E[查找边];
    C --> F[添加边到父节点];
    D --> G[从父节点移除边];
    E --> H{属性条件};
    H -->|满足| I[更新属性值和时间戳];
    F --> J[结束];
    G --> J;
    I --> J;
    H -->|不满足| J;

下面是一个表格，总结了不同方法的特点：
| 方法 | 并发检测方式 | 处理元素属性 | 支持撤销 | 扩展性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| OT 方法 | 状态向量或上下文向量 | 可能支持 | 可能不支持 | 不佳 |
| Ignat 等人的方法 | 反熵 | 可能支持 | 不支持 | 一般 |
| Martin 等人的方法 | 状态向量 | 不支持 | 不支持 | 受限 |
| 我们的方法 | 唯一时间戳 | 支持 | 支持 | 较好 |

5. 撤销操作的详细分析

撤销操作在协同编辑中起着至关重要的作用，它能够帮助用户纠正错误、解决冲突，提升编辑体验。为了更深入地理解撤销操作的实现机制，我们对其进行详细分析。

5.1 效果计数器的作用

效果计数器是实现撤销操作的核心概念。它记录了每个操作的实际影响，通过计算“1 减去撤销次数加上重做次数”来确定操作是否生效。以下是不同操作效果计数器的具体影响：
- 添加操作（Add） ：当添加操作的效果计数器大于 0 时，元素才会在 XML 树中可见。例如，若添加操作的效果计数器初始为 1，执行一次撤销操作后，效果计数器变为 0，此时元素将不再可见。
- 删除操作（Del） ：若删除操作的效果计数器大于 0，且添加操作的效果计数器不大于 0，元素将被从 XML 树中移除。
- 属性设置操作（SetAttr） ：属性的值由效果计数器大于 0 的最近值决定。这意味着，若一个属性有多个设置操作，只有效果计数器大于 0 的最新操作所设置的值才会生效。

5.2 撤销操作的执行流程

撤销操作的执行流程主要包括以下几个步骤：
1. 识别操作 ：根据操作的类型（Add、Del、SetAttr）和相关标识符（id、attr、ts 等），确定要撤销的具体操作。
2. 更新效果计数器 ：调用 increment 函数，将对应操作的效果计数器减 1。例如，撤销添加操作时，调用 increment(t,id,@add,id,−1) 。
3. 重新计算元素可见性和属性值 ：根据更新后的效果计数器，重新判断元素是否可见以及属性的值。若添加操作的效果计数器变为 0，元素将不可见；若属性设置操作的效果计数器变为 0，需根据其他效果计数器大于 0 的操作来确定属性值。

以下是撤销操作执行流程的 mermaid 流程图：

graph TD;
    A[开始] --> B{操作类型};
    B -->|Add| C[识别添加操作];
    B -->|Del| D[识别删除操作];
    B -->|SetAttr| E[识别属性设置操作];
    C --> F[更新添加操作效果计数器];
    D --> G[更新删除操作效果计数器];
    E --> H[更新属性设置操作效果计数器];
    F --> I[重新计算元素可见性];
    G --> I;
    H --> J[重新计算属性值];
    I --> K[结束];
    J --> K;

6. 垃圾回收机制

在支持撤销操作的系统中，随着操作的不断进行，会产生大量的历史操作信息，这些信息会占用大量的存储空间。为了优化系统性能，我们引入了垃圾回收机制，用于清理旧的操作信息。

6.1 垃圾回收的触发条件

垃圾回收机制在以下情况下触发：
- 存储空间达到阈值 ：当系统的存储空间使用量达到预设的阈值时，触发垃圾回收操作，以释放空间。
- 操作历史记录过长 ：当某个边的操作历史记录数量超过一定限制时，对该边的操作记录进行清理。

6.2 垃圾回收的执行步骤

垃圾回收的执行步骤如下：
1. 遍历操作记录 ：对每个边的操作记录进行遍历，检查每个操作的效果计数器。
2. 筛选无效操作 ：将效果计数器为 0 的操作标记为无效操作，这些操作对当前 XML 树的状态没有影响。
3. 删除无效操作 ：从操作记录中删除标记为无效的操作，释放存储空间。

以下是垃圾回收机制的伪代码：

function garbageCollection(t)
    for each edge e in t
        for each attr in e.attributes
            for each value v in e.attributes[attr]
                if v.effect == 0
                    remove v from e.attributes[attr];
                end
            end
        end
    end
end

7. 总结与展望

本文提出了一种支持撤销操作的可扩展 XML 协同编辑方法，通过引入 CRDT 数据类型和效果计数器机制，实现了高效的协同编辑和正确的撤销功能。以下是对本文方法的总结：
- 创新性 ：采用唯一时间戳标识符和最后写入者获胜技术，确保操作的可交换性和最终一致性；引入效果计数器机制，实现了满意的撤销功能。
- 优势 ：具有良好的扩展性，适用于大规模基础设施；支持全局选择性撤销，满足用户的多样化需求。

未来的研究方向可以包括：
- 性能优化 ：进一步优化算法，减少存储空间的使用和操作的处理时间，提高系统的性能。
- 安全性增强 ：加强系统的安全性，防止数据泄露和恶意操作，保障协同编辑的可靠性。
- 多模态支持 ：支持更多类型的协同编辑操作，如多媒体数据的编辑和共享，提升系统的功能和适用性。

以下是一个列表，总结了本文方法的主要特点和未来研究方向：
- 主要特点
- 可扩展的协同编辑
- 支持撤销操作
- 最终一致性保证
- 未来研究方向
- 性能优化
- 安全性增强
- 多模态支持

通过不断的研究和改进，我们相信这种支持撤销操作的可扩展 XML 协同编辑方法将在实际应用中发挥更大的作用，为用户提供更加高效、便捷的协同编辑体验。