مساعدات المكررات غير المتزامنة في JavaScript: إتقان التخزين المؤقت للتدفقات

البرمجة غير المتزامنة هي حجر الزاوية في تطوير JavaScript الحديث. إن التعامل مع تدفقات البيانات، ومعالجة الملفات الكبيرة، وإدارة التحديثات في الوقت الفعلي، كلها تعتمد على عمليات غير متزامنة فعالة. توفر المكررات غير المتزامنة (Async Iterators)، التي تم تقديمها في ES2018، آلية قوية للتعامل مع تسلسلات البيانات غير المتزامنة. ومع ذلك، تحتاج أحيانًا إلى مزيد من التحكم في كيفية معالجة هذه التدفقات. وهنا يصبح التخزين المؤقت للتدفقات، الذي غالبًا ما يتم تسهيله بواسطة مساعدات المكررات غير المتزامنة المخصصة، ذا قيمة لا تقدر بثمن.

ما هي المكررات والمولدات غير المتزامنة؟

قبل الخوض في التخزين المؤقت، دعنا نلخص بإيجاز المكررات والمولدات غير المتزامنة:

• المكررات غير المتزامنة (Async Iterators): كائن يتوافق مع بروتوكول المكرر غير المتزامن، الذي يحدد طريقة next() تُرجع وعدًا (promise) يتم حله إلى كائن IteratorResult ({ value: any, done: boolean }).
• المولدات غير المتزامنة (Async Generators): دوال يتم تعريفها باستخدام الصيغة async function*. تقوم هذه الدوال بتنفيذ بروتوكول المكرر غير المتزامن تلقائيًا وتسمح لك بإنتاج (yield) قيم غير متزامنة.

إليك مثال بسيط لمولد غير متزامن:

            
async function* generateNumbers(count) {
  for (let i = 0; i < count; i++) {
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 500)); // Simulate async operation
    yield i;
  }
}

(async () => {
  for await (const number of generateNumbers(5)) {
    console.log(number);
  }
})();

            

              
                Copy
              
            
          

ينشئ هذا الكود أرقامًا من 0 إلى 4، مع تأخير قدره 500 مللي ثانية بين كل رقم. تستهلك حلقة for await...of التدفق غير المتزامن.

الحاجة إلى التخزين المؤقت للتدفقات

بينما توفر المكررات غير المتزامنة طريقة لاستهلاك البيانات غير المتزامنة، إلا أنها لا تقدم بطبيعتها إمكانيات التخزين المؤقت. يصبح التخزين المؤقت ضروريًا في سيناريوهات مختلفة:

• تحديد المعدل (Rate Limiting): تخيل جلب البيانات من واجهة برمجة تطبيقات (API) خارجية لها حدود للمعدل. يسمح لك التخزين المؤقت بتجميع الطلبات وإرسالها على دفعات، مع احترام قيود واجهة برمجة التطبيقات. على سبيل المثال، قد تحد واجهة برمجة تطبيقات لوسائل التواصل الاجتماعي من عدد طلبات ملفات تعريف المستخدمين في الدقيقة.
• تحويل البيانات: قد تحتاج إلى تجميع عدد معين من العناصر قبل إجراء تحويل معقد. على سبيل المثال، تتطلب معالجة بيانات أجهزة الاستشعار تحليل نافذة من القيم لتحديد الأنماط.
• معالجة الأخطاء: يتيح لك التخزين المؤقت إعادة محاولة العمليات الفاشلة بفعالية أكبر. إذا فشل طلب شبكة، يمكنك إعادة جدولة البيانات المخزنة مؤقتًا لمحاولة لاحقة.
• تحسين الأداء: غالبًا ما يمكن أن تؤدي معالجة البيانات في أجزاء أكبر إلى تحسين الأداء عن طريق تقليل الحمل الزائد للعمليات الفردية. فكر في معالجة بيانات الصور؛ يمكن أن تكون قراءة ومعالجة أجزاء أكبر أكثر كفاءة من معالجة كل بكسل على حدة.
• تجميع البيانات في الوقت الفعلي: في التطبيقات التي تتعامل مع البيانات في الوقت الفعلي (مثل مؤشرات الأسهم، قراءات مستشعرات إنترنت الأشياء)، يسمح التخزين المؤقت بتجميع البيانات عبر نوافذ زمنية للتحليل والتصور.

تنفيذ التخزين المؤقت للتدفقات غير المتزامنة

هناك عدة طرق لتنفيذ التخزين المؤقت للتدفقات غير المتزامنة في JavaScript. سنستكشف بعض الأساليب الشائعة، بما في ذلك إنشاء مساعد مكرر غير متزامن مخصص.

1. مساعد مكرر غير متزامن مخصص

يتضمن هذا النهج إنشاء دالة قابلة لإعادة الاستخدام تغلف مكررًا غير متزامن موجود وتوفر وظيفة التخزين المؤقت. إليك مثال أساسي:

            
async function* bufferAsyncIterator(source, bufferSize) {
  let buffer = [];
  for await (const item of source) {
    buffer.push(item);
    if (buffer.length >= bufferSize) {
      yield buffer;
      buffer = [];
    }
  }
  if (buffer.length > 0) {
    yield buffer;
  }
}

// Example Usage
(async () => {
  const numbers = generateNumbers(15); // Assuming generateNumbers from above
  const bufferedNumbers = bufferAsyncIterator(numbers, 3);

  for await (const chunk of bufferedNumbers) {
    console.log("Chunk:", chunk);
  }
})();

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال:

• تأخذ الدالة bufferAsyncIterator مكررًا غير متزامن (source) وحجم المخزن المؤقت (bufferSize) كمدخلات.
• تقوم بالتكرار عبر source، وتجميع العناصر في مصفوفة buffer.
• عندما يصل حجم buffer إلى bufferSize، فإنها تُنتج (yield) الـ buffer كقطعة واحدة وتعيد تعيين الـ buffer.
• أي عناصر متبقية في الـ buffer بعد استنفاد المصدر يتم إنتاجها كقطعة أخيرة.

شرح الأجزاء الهامة:

• async function* bufferAsyncIterator(source, bufferSize): تُعرّف هذه الدالة مولدًا غير متزامن يسمى `bufferAsyncIterator`. تقبل وسيطتين: `source` (مكرر غير متزامن) و`bufferSize` (الحجم الأقصى للمخزن المؤقت).
• let buffer = [];: تهيئة مصفوفة فارغة للاحتفاظ بالعناصر المخزنة مؤقتًا. يتم إعادة تعيينها كلما تم إنتاج قطعة.
• for await (const item of source) { ... }: هذه الحلقة `for...await...of` هي قلب عملية التخزين المؤقت. تتكرر عبر المكرر غير المتزامن `source`، وتسترجع عنصرًا واحدًا في كل مرة. نظرًا لأن `source` غير متزامن، تضمن الكلمة المفتاحية `await` أن تنتظر الحلقة حتى يتم حل كل عنصر قبل المتابعة.
• buffer.push(item);: يتم إضافة كل `item` يتم استرداده من `source` إلى مصفوفة `buffer`.
• if (buffer.length >= bufferSize) { ... }: يتحقق هذا الشرط مما إذا كان `buffer` قد وصل إلى حجمه الأقصى `bufferSize`.
• yield buffer;: إذا كان المخزن المؤقت ممتلئًا، يتم إنتاج مصفوفة `buffer` بأكملها كقطعة واحدة. توقف الكلمة المفتاحية `yield` تنفيذ الدالة مؤقتًا وتعيد `buffer` إلى المستهلك (حلقة `for await...of` في مثال الاستخدام). الأهم من ذلك، أن `yield` لا تنهي الدالة؛ بل تتذكر حالتها وتستأنف التنفيذ من حيث توقفت عند طلب القيمة التالية.
• buffer = [];: بعد إنتاج المخزن المؤقت، يتم إعادة تعيينه إلى مصفوفة فارغة لبدء تجميع القطعة التالية من العناصر.
• if (buffer.length > 0) { yield buffer; }: بعد اكتمال حلقة `for await...of` (مما يعني أن `source` لم يعد به المزيد من العناصر)، يتحقق هذا الشرط مما إذا كانت هناك أي عناصر متبقية في `buffer`. إذا كان الأمر كذلك، يتم إنتاج هذه العناصر المتبقية كقطعة أخيرة. هذا يضمن عدم فقدان أي بيانات.

2. استخدام مكتبة (مثل RxJS)

توفر مكتبات مثل RxJS عوامل تشغيل قوية للعمل مع التدفقات غير المتزامنة، بما في ذلك التخزين المؤقت. بينما تقدم RxJS المزيد من التعقيد، إلا أنها توفر مجموعة أغنى من الميزات لمعالجة التدفقات.

            
const { from, interval } = require('rxjs');
const { bufferCount } = require('rxjs/operators');

// Example using RxJS
(async () => {
  const numbers = from(generateNumbers(15));
  const bufferedNumbers = numbers.pipe(bufferCount(3));

  bufferedNumbers.subscribe(chunk => {
    console.log("Chunk:", chunk);
  });
})();

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال:

• نستخدم from لإنشاء كائن RxJS Observable من المكرر غير المتزامن generateNumbers.
• يقوم عامل التشغيل bufferCount(3) بتخزين التدفق مؤقتًا في قطع بحجم 3.
• تستهلك طريقة subscribe التدفق المخزن مؤقتًا.

3. تنفيذ مخزن مؤقت زمني

في بعض الأحيان، تحتاج إلى تخزين البيانات مؤقتًا ليس بناءً على عدد العناصر، ولكن بناءً على نافذة زمنية. إليك كيفية تنفيذ مخزن مؤقت زمني:

            
async function* timeBasedBufferAsyncIterator(source, timeWindowMs) {
  let buffer = [];
  let lastEmitTime = Date.now();

  for await (const item of source) {
    buffer.push(item);
    const currentTime = Date.now();
    if (currentTime - lastEmitTime >= timeWindowMs) {
      yield buffer;
      buffer = [];
      lastEmitTime = currentTime;
    }
  }

  if (buffer.length > 0) {
    yield buffer;
  }
}

// Example Usage:
(async () => {
  const numbers = generateNumbers(10);
  const timeBufferedNumbers = timeBasedBufferAsyncIterator(numbers, 1000); // Buffer for 1 second

  for await (const chunk of timeBufferedNumbers) {
    console.log("Time-based Chunk:", chunk);
  }
})();

            

              
                Copy
              
            
          

يخزن هذا المثال العناصر مؤقتًا حتى انقضاء نافذة زمنية محددة (timeWindowMs). إنه مناسب للسيناريوهات التي تحتاج فيها إلى معالجة البيانات على دفعات تمثل فترة معينة (على سبيل المثال، تجميع قراءات أجهزة الاستشعار كل دقيقة).

اعتبارات متقدمة

1. معالجة الأخطاء

تعتبر معالجة الأخطاء القوية أمرًا بالغ الأهمية عند التعامل مع التدفقات غير المتزامنة. ضع في اعتبارك ما يلي:

• آليات إعادة المحاولة: نفذ منطق إعادة المحاولة للعمليات الفاشلة. يمكن للمخزن المؤقت الاحتفاظ بالبيانات التي تحتاج إلى إعادة معالجتها بعد حدوث خطأ. يمكن أن تكون مكتبات مثل `p-retry` مفيدة.
• نشر الأخطاء: تأكد من نشر الأخطاء من التدفق المصدر بشكل صحيح إلى المستهلك. استخدم كتل try...catch داخل مساعد المكرر غير المتزامن لالتقاط الاستثناءات وإعادة رميها أو الإشارة إلى حالة خطأ.
• نمط قاطع الدائرة (Circuit Breaker): إذا استمرت الأخطاء، ففكر في تنفيذ نمط قاطع الدائرة لمنع الفشل المتتالي. يتضمن ذلك إيقاف العمليات مؤقتًا للسماح للنظام بالتعافي.

2. الضغط العكسي (Backpressure)

يشير الضغط العكسي إلى قدرة المستهلك على إبلاغ المنتج بأنه مثقل ويحتاج إلى إبطاء معدل إصدار البيانات. توفر المكررات غير المتزامنة بطبيعتها بعض الضغط العكسي من خلال الكلمة المفتاحية await، والتي توقف المنتج مؤقتًا حتى يقوم المستهلك بمعالجة العنصر الحالي. ومع ذلك، في السيناريوهات ذات خطوط أنابيب المعالجة المعقدة، قد تحتاج إلى آليات ضغط عكسي أكثر وضوحًا.

ضع في اعتبارك هذه الاستراتيجيات:

• المخازن المؤقتة المحدودة: حدد حجم المخزن المؤقت لمنع الاستهلاك المفرط للذاكرة. عندما يكون المخزن المؤقت ممتلئًا، يمكن إيقاف المنتج مؤقتًا أو إسقاط البيانات (مع معالجة الأخطاء المناسبة).
• الإشارة: نفذ آلية إشارة حيث يُعلم المستهلك صراحةً المنتج عندما يكون جاهزًا لتلقي المزيد من البيانات. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مزيج من الوعود (Promises) ومصدري الأحداث (event emitters).

3. الإلغاء (Cancellation)

يعد السماح للمستهلكين بإلغاء العمليات غير المتزامنة أمرًا ضروريًا لبناء تطبيقات سريعة الاستجابة. يمكنك استخدام واجهة برمجة تطبيقات AbortController للإشارة إلى الإلغاء لمساعد المكرر غير المتزامن.

            
async function* cancellableBufferAsyncIterator(source, bufferSize, signal) {
  let buffer = [];
  for await (const item of source) {
    if (signal.aborted) {
      break; // Exit the loop if cancellation is requested
    }
    buffer.push(item);
    if (buffer.length >= bufferSize) {
      yield buffer;
      buffer = [];
    }
  }
  if (buffer.length > 0 && !signal.aborted) {
    yield buffer;
  }
}

// Example Usage
(async () => {
  const controller = new AbortController();
  const { signal } = controller;
  const numbers = generateNumbers(15);
  const bufferedNumbers = cancellableBufferAsyncIterator(numbers, 3, signal);

  setTimeout(() => {
    controller.abort(); // Cancel after 2 seconds
    console.log("Cancellation Requested");
  }, 2000);

  try {
    for await (const chunk of bufferedNumbers) {
      console.log("Chunk:", chunk);
    }
  } catch (error) {
    console.error("Error during iteration:", error);
  }
})();

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، تقبل الدالة cancellableBufferAsyncIterator كائن AbortSignal. تتحقق من الخاصية signal.aborted في كل تكرار وتخرج من الحلقة إذا تم طلب الإلغاء. يمكن للمستهلك بعد ذلك إحباط العملية باستخدام controller.abort().

أمثلة واقعية وحالات استخدام

دعنا نستكشف بعض الأمثلة الملموسة لكيفية تطبيق التخزين المؤقت للتدفقات غير المتزامنة في سيناريوهات مختلفة:

• معالجة السجلات (Log Processing): تخيل معالجة ملف سجل كبير بشكل غير متزامن. يمكنك تخزين إدخالات السجل مؤقتًا في قطع ثم تحليل كل قطعة على التوازي. يتيح لك ذلك تحديد الأنماط بكفاءة، واكتشاف الحالات الشاذة، واستخراج المعلومات ذات الصلة من السجلات.
• استيعاب البيانات من أجهزة الاستشعار: في تطبيقات إنترنت الأشياء، تولد أجهزة الاستشعار تدفقات بيانات بشكل مستمر. يتيح لك التخزين المؤقت تجميع قراءات أجهزة الاستشعار عبر نوافذ زمنية ثم إجراء تحليل على البيانات المجمعة. على سبيل المثال، قد تقوم بتخزين قراءات درجة الحرارة مؤقتًا كل دقيقة ثم حساب متوسط درجة الحرارة لتلك الدقيقة.
• معالجة البيانات المالية: تتطلب معالجة بيانات مؤشرات الأسهم في الوقت الفعلي التعامل مع حجم كبير من التحديثات. يتيح لك التخزين المؤقت تجميع عروض الأسعار على فترات قصيرة ثم حساب المتوسطات المتحركة أو المؤشرات الفنية الأخرى.
• معالجة الصور والفيديو: عند معالجة الصور أو مقاطع الفيديو الكبيرة، يمكن أن يحسن التخزين المؤقت الأداء عن طريق السماح لك بمعالجة البيانات في قطع أكبر. على سبيل المثال، قد تقوم بتخزين إطارات الفيديو مؤقتًا في مجموعات ثم تطبيق مرشح على كل مجموعة على التوازي.
• تحديد معدل واجهة برمجة التطبيقات (API Rate Limiting): عند التفاعل مع واجهات برمجة التطبيقات الخارجية، يمكن أن يساعدك التخزين المؤقت في الالتزام بحدود المعدل. يمكنك تخزين الطلبات مؤقتًا ثم إرسالها على دفعات، مما يضمن عدم تجاوز حدود معدل واجهة برمجة التطبيقات.

الخاتمة

يعد التخزين المؤقت للتدفقات غير المتزامنة تقنية قوية لإدارة تدفقات البيانات غير المتزامنة في JavaScript. من خلال فهم مبادئ المكررات غير المتزامنة، والمولدات غير المتزامنة، ومساعدات المكررات غير المتزامنة المخصصة، يمكنك بناء تطبيقات فعالة وقوية وقابلة للتطوير يمكنها التعامل مع أعباء العمل غير المتزامنة المعقدة. تذكر أن تأخذ في الاعتبار معالجة الأخطاء، والضغط العكسي، والإلغاء عند تنفيذ التخزين المؤقت في تطبيقاتك. سواء كنت تعالج ملفات سجلات كبيرة، أو تستوعب بيانات أجهزة الاستشعار، أو تتفاعل مع واجهات برمجة التطبيقات الخارجية، يمكن أن يساعدك التخزين المؤقت للتدفقات غير المتزامنة على تحسين الأداء وتحسين الاستجابة العامة لتطبيقاتك. فكر في استكشاف مكتبات مثل RxJS لإمكانيات معالجة التدفقات المتقدمة، ولكن أعطِ الأولوية دائمًا لفهم المفاهيم الأساسية لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن استراتيجية التخزين المؤقت الخاصة بك.