WPF实现一个撤销重做栈

博主： gyro永不抽风
发布时间：2021 年 11 月 22 日
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8788字数
分类：技术

最近在做编辑器相关的项目，看起来都很好，但当我用的时候，下意识按了 Ctrl + Z 想要撤销，这才发现撤销重做完全没做。

撤销重做的几种方式

Deep Copy

这是最简单也是最暴力的一种办法，即，比方说我们在操作一个文件的数据结构，我们每对它进行一步操作，就 Deep copy 整个对象 (即包括内部的 List, Array, Map 等)。维护一个栈，回退就是 head_pointer 减一，重做就是 head_pointer 加一 (如果可以的话)。

优点:

写起来简单又暴力
不用进行大规模的重构

缺点:

需要在所以数据改变的地方都进行修改，费力
耗时、耗内存
无法解决循环引用的问题，即：
```
A.object_B = B;
B.object_A = A;
```

Command Pattern 命令模式

这是设计模式的一种，我们需要将所有操作数据的代码全部改写。定义一个 Action 类，所有的操作全部继承这个类，并实现 Perform，Undo，Redo

有人会说，这样无法进行一些不可逆操作的编写，比方说高斯模糊，但是其实也是有解决办法的，比方说在执行 Action 之前便复制一份对象，在 Undo 时取回来即可。

Command Pattern 无疑是实现撤消重做的最好的方法，因为我们只需要实现一个 Manager 类进行管理，然后对于每个 Action 实现相应的子类即可。

Command Pattern 带来的问题

不可置否，Command Pattern 非常好，但是，对于已经写了几千行代码的项目很不友好。新的设计模式代表所有东西全部需要进行重构，需要把原来写在一个 Class 里的东西全部抽象成 Action 类，工作量惊人。

此外，对于 MVVM 项目，特别是使用了双向数据绑定时，我们甚至需要修改 UI 代码，把原先的 Data Binding 替换为 Command，否则是无法由 Manager 进行管理的。

折中的方案？

综上所述，我的诉求便是不需要抽象成 Action，同时又不需要把 Data Binding 进行重构的方案，这个时候，下面这套黑魔法应运而生！

Lambda
直接在 setter 里写 UndoRedo

看！这样的黑魔法可以完美满足上面的要求，只要你敢想，什么都能实现！

操作数据结构的设计

根据上面所说，我们需要设计一种数据结构来记录操作，其应该具有四个必要的成分：

存放临时数据的对象
Undo 行为 (delegate function)
Redo 行为 (delegate function)
Perform 行为 (delegate function)

然而，在实践的过程中，我们不难发现 Redo 和 Perform 在很多情况下都有很大的重叠，所以我们其实可以合并起来，而区分是否是 Redo 还是 Perform 只需要 delegate (lambda) 传入的参数是否是 null 即可，这里还可以使用 C# 的语法糖 ??= 来进行判断 + 赋值。这些技巧后文都会分别讨论。

此外，由于我的业务层还涉及到了需要手动 Dispose 的 object (OpenCVSharp 的 Mat 和 UMat)，所以我还需要一个 Dispose 的 delegate function。

下面是数据结构的设计：

public class UndoRedoRecord
{
    public object Value;

    public delegate void DelegateActionWithValue(object value);

    public delegate object DelegateActionWithAndReturnValue(object value);

    public DelegateActionWithValue DisposeAction;

    public DelegateActionWithAndReturnValue UndoAction, RedoAction;

    public UndoRedoRecord(
        DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        UndoAction = undoAction;
        RedoAction = redoAction;
        DisposeAction = disposeAction;
    }
}

撤回重做栈的设计

考虑到我们可能会需要同时撤回多个操作，同时重做多个操作，这里使用双层的 List 来实现。

List<List<UndoRedoRecord>> UndoStack

此外，我们需要管理：

当前处在栈的什么位置
栈最远什么地方是可达的（如果在撤销后有新的操作覆盖那么更远的元素就不可达了）

所以我们引入了 head 和 max 两个指针。

Manager 的操作讲解

注意：本节不考虑双层 List，那个只是代码抽象的问题，工程上动点手脚就能实现，这里主要讲解流程问题。

入栈（以修改数据为例）

图中 val_A ~ val_G 是 7 个不同的属性，我们想让他们支持撤消重做，蓝色的 step 标出了操作的顺序，我们需要在执行操作前就把当前状态 (和操作的 lambda) 记录下来，入栈。

数据流动（以修改数据为例）

修改数据记录的 lambda demo

上上一节讲了入栈是数据的记录，上一节讲了数据流动，但是都和我们定义的 UndoAction, RedoAction 无关，本节给出一种具体实现。

普通的属性：

private string _text;

public string Text {
    get => _text;
    set => UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
    {
        // Undo 操作：把之前存好的数据和现在的数据互相替换
        var nowValue = Text;
        _text = o;
        return nowValue;
    }, o =>
    {
        // Redo 操作：把之前存好的数据和现在的数据互相替换 (其实这个例子和 Undo 差不多)
        var nowValue = Text;
        o ??= value; // 检查 o 是否是 null，若是则代表是第一次执行，赋值为输入的 value
        _text = o;
        return nowValue;
    });
}

如果是 Dependency Object (SetProperty 怎么写这里就不给了，具体可以去看微软的文档):

private string _text;

public string Text
{
    get => _text;
    set => UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
    {
        var nowValue = Text;
        SetProperty(ref _text, (string)o);
        return nowValue;
    }, o =>
    {
        var nowValue = Text;
        o ??= value;
        SetProperty(ref _text, (string)o);
        return nowValue;
    });
}

撤销后数据覆盖

将 head 到 max 的 record 全部进行 Dispose，然后将指针都设置为入栈位置。

清空

几个指针全部归零 (-1)，然后对于所有还在栈里的元素进行 Dispose，我这里共用了 Stack，如果想要进行垃圾回收的话可以新建 List 对象。

让 Manager 支持多个记录同时撤销重做

说难其实不难，但是有个坑点：

Redo 是正序、Undo 是反序

Manager 的一些 Flag

IgnoreOtherRecording
- 在进行 Undo 和 Redo 的过程中，不应该产生其他的记录，否则会引起栈的混乱，所以需要打开这个 Flag
- 用户如果想要进行一些刷新操作可以手动开启这个 Flag，注意开启规范：必须要先暂存开启前的值，结束后再回复，这是个坑。即：
```
var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
IgnoreOtherRecording = true;
// ...
IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
```
ContinuousRecording：开启此 Flag 后之后知道再次关闭前的操作都会被并入一组，在以后同时 Undo 或 Redo。这是工程问题，不多讨论。

Manager 实现

public static class UndoRedoManager
{
    private static int _head = -1;
    private static int _max = -1;

    public static bool IgnoreOtherRecording = false;

    public static bool ContinuousRecording = false;

    public static List<List<UndoRedoRecord>> UndoStack = new List<List<UndoRedoRecord>>();
    public static void StartRecording()
    {
        IgnoreOtherRecording = false;
    }
    public static void StopRecording()
    {
        IgnoreOtherRecording = true;
    }

    public static void PushRecord(List<UndoRedoRecord> records)
    {
        if (IgnoreOtherRecording) return;
        var tempHead = _head;
        while (tempHead < _max)
        {
            tempHead ++;
            foreach (var redoRecord in UndoStack[tempHead])
                redoRecord.DisposeAction?.Invoke(redoRecord.Value);
        }
        _max = ++ _head;
        if (_head >= UndoStack.Count)
            UndoStack.Add(records);
        else UndoStack[_head] = records;
    }
    public static void PushAndPerformRecord(List<UndoRedoRecord> records)
    {
        PushRecord(records);
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        foreach (var record in records)
            record.Value = record.RedoAction(null);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void PushRecord(UndoRedoRecord record)
    {
        if (IgnoreOtherRecording) return;
        if (ContinuousRecording)
            UndoStack[_head].Add(record);
        else PushRecord(new List<UndoRedoRecord> { record });
    }
    public static void PushAndPerformRecord(UndoRedoRecord record)
    {
        PushRecord(record);
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        record.Value = record.RedoAction(null);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void PushRecord(
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        PushRecord(new UndoRedoRecord(undoAction, redoAction, disposeAction));
    }
    public static void PushAndPerformRecord(
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        PushAndPerformRecord(new UndoRedoRecord(undoAction, redoAction, disposeAction));
    }

    public static void StartContinuousRecording()
    {
        ContinuousRecording = true;
        PushRecord(new List<UndoRedoRecord>());
    }
    public static void StopContinuousRecording()
    {
        ContinuousRecording = false;
    }
    public static void Undo()
    {
        if (_head < 0) return;
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        for (var i = UndoStack[_head].Count - 1; i >= 0; i --)
            UndoStack[_head][i].Value = UndoStack[_head][i].UndoAction?.Invoke(UndoStack[_head][i].Value);
        _head --;
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void Redo()
    {
        if (_head == _max) return;
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        _head ++;
        foreach (var record in UndoStack[_head])
            record.Value = record.RedoAction?.Invoke(record.Value);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void Clear()
    {
        for (var i = 0; i < _max; i ++)
            foreach (var record in UndoStack[i])
                record.DisposeAction?.Invoke(record.Value);
        _head = _max = -1;
    }
}

有多个值需要被同时记录的情形

注意：这里讨论的问题和前面所说的多条记录一起撤消重做不同，而是一条记录需要保存多个数据。之所以会产生这样的问题，是因为我们的数据结构设计的只有一个 Value 对象。解决这个问题非常简单，有多种方式，比方说自定义一个 class / struct，甚至可以定义一个 List<object>，把东西暴力塞进去，下面是一个例子:

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
{
    var removedItem = ((List<object>)o)[0] as YuzuNotationGroup;
    var removedIndex = ((List<object>)o)[1] as int? ?? 0;
    removedItem?.Load();
    NotationGroups.Insert(removedIndex, removedItem);
    RefreshImageList();
    return o;
}, o =>
{
    o ??= new List<object>
    {
        SelectedNotationGroupItem,
        NotationGroups.IndexOf(SelectedNotationGroupItem)
    };
    var removedItem = ((List<object>)o)[0] as YuzuNotationGroup;
    removedItem?.Unload();
    NotationGroups.Remove(removedItem);
    RefreshImageList();
    return o;
});

撤销重做产生中间值的情形

例子：

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(message =>
{
    message = Manager.YuzuMarkerManager.PopMessage(ViewModel);
    return message;
}, message =>
{
    message ??= "按住 Ctrl + 鼠标左键选择工作区域，点击画布外侧区域取消，Enter键确认区域";
    Manager.YuzuMarkerManager.PushMessage(ViewModel, message as string);
    return message;
});

撤销重做和值无关的情形

下面是一个撤销重做 List 内元素顺序的例子：

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
{
    NotationGroups.Move(index - 1, index);
    RefreshImageList();
    return null;
}, o =>
{
    NotationGroups.Move(index, index - 1);
    RefreshImageList();
    return null;
});

最后修改：2021 年 11 月 29 日 09 : 56 PM

真的不买杯奶茶嘛....qwq

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WPF实现一个撤销重做栈

gyro永不抽风 • 2021 年 11 月 22 日

最近在做编辑器相关的项目，看起来都很好，但当我用的时候，下意识按了 Ctrl + Z 想要撤销，这才发现撤销重做完全没做。

撤销重做的几种方式

Deep Copy

优点:

写起来简单又暴力
不用进行大规模的重构

缺点:

需要在所以数据改变的地方都进行修改，费力
耗时、耗内存
无法解决循环引用的问题，即：
```
A.object_B = B;
B.object_A = A;
```

Command Pattern 命令模式

这是设计模式的一种，我们需要将所有操作数据的代码全部改写。定义一个 Action 类，所有的操作全部继承这个类，并实现 Perform，Undo，Redo

Command Pattern 无疑是实现撤消重做的最好的方法，因为我们只需要实现一个 Manager 类进行管理，然后对于每个 Action 实现相应的子类即可。

Command Pattern 带来的问题

折中的方案？

综上所述，我的诉求便是不需要抽象成 Action，同时又不需要把 Data Binding 进行重构的方案，这个时候，下面这套黑魔法应运而生！

Lambda
直接在 setter 里写 UndoRedo

看！这样的黑魔法可以完美满足上面的要求，只要你敢想，什么都能实现！

操作数据结构的设计

根据上面所说，我们需要设计一种数据结构来记录操作，其应该具有四个必要的成分：

存放临时数据的对象
Undo 行为 (delegate function)
Redo 行为 (delegate function)
Perform 行为 (delegate function)

此外，由于我的业务层还涉及到了需要手动 Dispose 的 object (OpenCVSharp 的 Mat 和 UMat)，所以我还需要一个 Dispose 的 delegate function。

下面是数据结构的设计：

public class UndoRedoRecord
{
    public object Value;

    public delegate void DelegateActionWithValue(object value);

    public delegate object DelegateActionWithAndReturnValue(object value);

    public DelegateActionWithValue DisposeAction;

    public DelegateActionWithAndReturnValue UndoAction, RedoAction;

    public UndoRedoRecord(
        DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        UndoAction = undoAction;
        RedoAction = redoAction;
        DisposeAction = disposeAction;
    }
}

撤回重做栈的设计

考虑到我们可能会需要同时撤回多个操作，同时重做多个操作，这里使用双层的 List 来实现。

List<List<UndoRedoRecord>> UndoStack

此外，我们需要管理：

当前处在栈的什么位置
栈最远什么地方是可达的（如果在撤销后有新的操作覆盖那么更远的元素就不可达了）

所以我们引入了 head 和 max 两个指针。

Manager 的操作讲解

注意：本节不考虑双层 List，那个只是代码抽象的问题，工程上动点手脚就能实现，这里主要讲解流程问题。

入栈（以修改数据为例）

数据流动（以修改数据为例）

修改数据记录的 lambda demo

上上一节讲了入栈是数据的记录，上一节讲了数据流动，但是都和我们定义的 UndoAction, RedoAction 无关，本节给出一种具体实现。

普通的属性：

private string _text;

public string Text {
    get => _text;
    set => UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
    {
        // Undo 操作：把之前存好的数据和现在的数据互相替换
        var nowValue = Text;
        _text = o;
        return nowValue;
    }, o =>
    {
        // Redo 操作：把之前存好的数据和现在的数据互相替换 (其实这个例子和 Undo 差不多)
        var nowValue = Text;
        o ??= value; // 检查 o 是否是 null，若是则代表是第一次执行，赋值为输入的 value
        _text = o;
        return nowValue;
    });
}

如果是 Dependency Object (SetProperty 怎么写这里就不给了，具体可以去看微软的文档):

private string _text;

public string Text
{
    get => _text;
    set => UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
    {
        var nowValue = Text;
        SetProperty(ref _text, (string)o);
        return nowValue;
    }, o =>
    {
        var nowValue = Text;
        o ??= value;
        SetProperty(ref _text, (string)o);
        return nowValue;
    });
}

撤销后数据覆盖

将 head 到 max 的 record 全部进行 Dispose，然后将指针都设置为入栈位置。

清空

几个指针全部归零 (-1)，然后对于所有还在栈里的元素进行 Dispose，我这里共用了 Stack，如果想要进行垃圾回收的话可以新建 List 对象。

让 Manager 支持多个记录同时撤销重做

说难其实不难，但是有个坑点：

Redo 是正序、Undo 是反序

Manager 的一些 Flag

IgnoreOtherRecording
- 在进行 Undo 和 Redo 的过程中，不应该产生其他的记录，否则会引起栈的混乱，所以需要打开这个 Flag
- 用户如果想要进行一些刷新操作可以手动开启这个 Flag，注意开启规范：必须要先暂存开启前的值，结束后再回复，这是个坑。即：
```
var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
IgnoreOtherRecording = true;
// ...
IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
```
ContinuousRecording：开启此 Flag 后之后知道再次关闭前的操作都会被并入一组，在以后同时 Undo 或 Redo。这是工程问题，不多讨论。

Manager 实现

public static class UndoRedoManager
{
    private static int _head = -1;
    private static int _max = -1;

    public static bool IgnoreOtherRecording = false;

    public static bool ContinuousRecording = false;

    public static List<List<UndoRedoRecord>> UndoStack = new List<List<UndoRedoRecord>>();
    public static void StartRecording()
    {
        IgnoreOtherRecording = false;
    }
    public static void StopRecording()
    {
        IgnoreOtherRecording = true;
    }

    public static void PushRecord(List<UndoRedoRecord> records)
    {
        if (IgnoreOtherRecording) return;
        var tempHead = _head;
        while (tempHead < _max)
        {
            tempHead ++;
            foreach (var redoRecord in UndoStack[tempHead])
                redoRecord.DisposeAction?.Invoke(redoRecord.Value);
        }
        _max = ++ _head;
        if (_head >= UndoStack.Count)
            UndoStack.Add(records);
        else UndoStack[_head] = records;
    }
    public static void PushAndPerformRecord(List<UndoRedoRecord> records)
    {
        PushRecord(records);
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        foreach (var record in records)
            record.Value = record.RedoAction(null);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void PushRecord(UndoRedoRecord record)
    {
        if (IgnoreOtherRecording) return;
        if (ContinuousRecording)
            UndoStack[_head].Add(record);
        else PushRecord(new List<UndoRedoRecord> { record });
    }
    public static void PushAndPerformRecord(UndoRedoRecord record)
    {
        PushRecord(record);
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        record.Value = record.RedoAction(null);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void PushRecord(
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        PushRecord(new UndoRedoRecord(undoAction, redoAction, disposeAction));
    }
    public static void PushAndPerformRecord(
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue undoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithAndReturnValue redoAction, 
        UndoRedoRecord.DelegateActionWithValue disposeAction = null)
    {
        PushAndPerformRecord(new UndoRedoRecord(undoAction, redoAction, disposeAction));
    }

    public static void StartContinuousRecording()
    {
        ContinuousRecording = true;
        PushRecord(new List<UndoRedoRecord>());
    }
    public static void StopContinuousRecording()
    {
        ContinuousRecording = false;
    }
    public static void Undo()
    {
        if (_head < 0) return;
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        for (var i = UndoStack[_head].Count - 1; i >= 0; i --)
            UndoStack[_head][i].Value = UndoStack[_head][i].UndoAction?.Invoke(UndoStack[_head][i].Value);
        _head --;
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void Redo()
    {
        if (_head == _max) return;
        var lastIgnoreStatus = IgnoreOtherRecording;
        IgnoreOtherRecording = true;
        _head ++;
        foreach (var record in UndoStack[_head])
            record.Value = record.RedoAction?.Invoke(record.Value);
        IgnoreOtherRecording = lastIgnoreStatus;
    }
    public static void Clear()
    {
        for (var i = 0; i < _max; i ++)
            foreach (var record in UndoStack[i])
                record.DisposeAction?.Invoke(record.Value);
        _head = _max = -1;
    }
}

有多个值需要被同时记录的情形

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
{
    var removedItem = ((List<object>)o)[0] as YuzuNotationGroup;
    var removedIndex = ((List<object>)o)[1] as int? ?? 0;
    removedItem?.Load();
    NotationGroups.Insert(removedIndex, removedItem);
    RefreshImageList();
    return o;
}, o =>
{
    o ??= new List<object>
    {
        SelectedNotationGroupItem,
        NotationGroups.IndexOf(SelectedNotationGroupItem)
    };
    var removedItem = ((List<object>)o)[0] as YuzuNotationGroup;
    removedItem?.Unload();
    NotationGroups.Remove(removedItem);
    RefreshImageList();
    return o;
});

撤销重做产生中间值的情形

例子：

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(message =>
{
    message = Manager.YuzuMarkerManager.PopMessage(ViewModel);
    return message;
}, message =>
{
    message ??= "按住 Ctrl + 鼠标左键选择工作区域，点击画布外侧区域取消，Enter键确认区域";
    Manager.YuzuMarkerManager.PushMessage(ViewModel, message as string);
    return message;
});

撤销重做和值无关的情形

下面是一个撤销重做 List 内元素顺序的例子：

UndoRedoManager.PushAndPerformRecord(o =>
{
    NotationGroups.Move(index - 1, index);
    RefreshImageList();
    return null;
}, o =>
{
    NotationGroups.Move(index, index - 1);
    RefreshImageList();
    return null;
});

撤销重做的几种方式

Deep Copy

Command Pattern 命令模式

Command Pattern 带来的问题

折中的方案？

操作数据结构的设计

撤回重做栈的设计

Manager 的操作讲解

入栈（以修改数据为例）

数据流动（以修改数据为例）

修改数据记录的 lambda demo

撤销后数据覆盖

清空

让 Manager 支持多个记录同时撤销重做

Manager 的一些 Flag

Manager 实现

有多个值需要被同时记录的情形

撤销重做产生中间值的情形

撤销重做和值无关的情形

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WPF实现一个撤销重做栈

撤销重做的几种方式

Deep Copy

Command Pattern 命令模式

Command Pattern 带来的问题

折中的方案？

操作数据结构的设计

撤回重做栈的设计

Manager 的操作讲解

入栈（以修改数据为例）

数据流动（以修改数据为例）

修改数据记录的 lambda demo

撤销后数据覆盖

清空

让 Manager 支持多个记录同时撤销重做

Manager 的一些 Flag

Manager 实现

有多个值需要被同时记录的情形

撤销重做产生中间值的情形

撤销重做和值无关的情形

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