Асинхронен контекст в JavaScript: Управление на променливи в обхвата на заявката

Асинхронното програмиране е крайъгълен камък в съвременната разработка с JavaScript, особено в среди като Node.js, където неблокиращият вход/изход е от решаващо значение за производителността. Управлението на контекста при асинхронни операции обаче може да бъде предизвикателство. Тук се намесва асинхронният контекст на JavaScript, по-специално AsyncLocalStorage.

Какво е асинхронен контекст?

Асинхронният контекст се отнася до способността да се свързват данни с асинхронна операция, които се запазват през целия ѝ жизнен цикъл. Това е от съществено значение за сценарии, при които трябва да се поддържа информация, свързана с обхвата на заявката (напр. ID на потребител, ID на заявка, информация за проследяване) през множество асинхронни извиквания. Без правилно управление на контекста, отстраняването на грешки, регистрирането и сигурността могат да станат значително по-трудни.

Предизвикателството да се поддържа контекст при асинхронни операции

Традиционните подходи за управление на контекст, като експлицитното предаване на променливи чрез извиквания на функции, могат да станат тромави и податливи на грешки с нарастването на сложността на асинхронния код. „Адът на обратните извиквания“ (Callback hell) и веригите от обещания (promise chains) могат да замъглят потока на контекста, което води до проблеми с поддръжката и потенциални уязвимости в сигурността. Разгледайте този опростен пример:

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.userId;

  fetchData(userId, (data) => {
    transformData(userId, data, (transformedData) => {
      logData(userId, transformedData, () => {
        res.send(transformedData);
      });
    });
  });
}

В този пример userId се предава многократно надолу през вложени обратни извиквания. Този подход е не само многословен, но и силно обвързва функциите, което ги прави по-малко преизползваеми и по-трудни за тестване.

Представяне на AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage е вграден модул в Node.js, който предоставя механизъм за съхраняване на данни, които са локални за конкретен асинхронен контекст. Той ви позволява да задавате и извличате стойности, които автоматично се разпространяват през асинхронните граници в рамките на един и същ контекст на изпълнение. Това значително опростява управлението на променливи в обхвата на заявката.

Как работи AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage работи, като създава контекст за съхранение, който е свързан с текущата асинхронна операция. Когато се инициира нова асинхронна операция (напр. promise, callback), контекстът за съхранение автоматично се разпространява към новата операция. Това гарантира, че същите данни са достъпни през цялата верига от асинхронни извиквания.

Основна употреба на AsyncLocalStorage

Ето основен пример как да използвате AsyncLocalStorage:

const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.userId;

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);

    fetchData().then(data => {
      return transformData(data);
    }).then(transformedData => {
      return logData(transformedData);
    }).then(() => {
      res.send(transformedData);
    });
  });
}

async function fetchData() {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... извличане на данни с помощта на userId
  return data;
}

async function transformData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... трансформиране на данни с помощта на userId
  return transformedData;
}

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... регистриране на данни с помощта на userId
  return;
}

В този пример:

• Създаваме инстанция на AsyncLocalStorage.
• Във функцията processRequest използваме asyncLocalStorage.run, за да изпълним функция в контекста на нова инстанция за съхранение (в този случай Map).
• Задаваме userId в хранилището, използвайки asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• В рамките на асинхронните операции (fetchData, transformData, logData) можем да извлечем userId, използвайки asyncLocalStorage.getStore().get('userId').

Случаи на употреба на AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage е особено полезен в следните сценарии:

1. Проследяване на заявки

В разпределените системи проследяването на заявки през множество услуги е от решаващо значение за наблюдение на производителността и идентифициране на тесни места. AsyncLocalStorage може да се използва за съхраняване на уникален идентификатор на заявка, който се разпространява през границите на услугите. Това ви позволява да съпоставяте логове и метрики от различни услуги, осигурявайки цялостен поглед върху пътя на заявката. Например, представете си архитектура на микроуслуги, където потребителска заявка преминава през API gateway, услуга за удостоверяване и услуга за обработка на данни. С помощта на AsyncLocalStorage може да се генерира уникален идентификатор на заявката в API gateway-a и автоматично да се разпространи до всички последващи услуги, участващи в обработката на заявката.

2. Контекст на регистриране (logging)

При регистриране на събития често е полезно да се включи контекстуална информация като ID на потребител, ID на заявка или ID на сесия. AsyncLocalStorage може да се използва за автоматично включване на тази информация в съобщенията в логовете, което улеснява отстраняването на грешки и анализа на проблеми. Представете си сценарий, в който трябва да проследявате активността на потребителите във вашето приложение. Като съхранявате ID на потребителя в AsyncLocalStorage, можете автоматично да го включвате във всички съобщения в логовете, свързани със сесията на този потребител, предоставяйки ценна информация за тяхното поведение и потенциални проблеми, които може да срещат.

3. Удостоверяване и оторизация

AsyncLocalStorage може да се използва за съхранение на информация за удостоверяване и оторизация, като например ролите и разрешенията на потребителя. Това ви позволява да прилагате политики за контрол на достъпа в цялото си приложение, без да се налага експлицитно да предавате идентификационните данни на потребителя на всяка функция. Разгледайте приложение за електронна търговия, където различните потребители имат различни нива на достъп (напр. администратори, редовни клиенти). Като съхранявате ролите на потребителя в AsyncLocalStorage, можете лесно да проверявате техните разрешения, преди да им позволите да извършват определени действия, като гарантирате, че само оторизирани потребители могат да достъпват чувствителни данни или функционалности.

4. Транзакции с бази данни

Когато се работи с бази данни, често е необходимо да се управляват транзакции през множество асинхронни операции. AsyncLocalStorage може да се използва за съхраняване на връзката с базата данни или обекта на транзакцията, като се гарантира, че всички операции в рамките на една и съща заявка се изпълняват в рамките на една и съща транзакция. Например, ако потребител прави поръчка, може да се наложи да актуализирате няколко таблици (напр. поръчки, артикули в поръчка, наличност). Като съхранявате обекта на транзакцията с базата данни в AsyncLocalStorage, можете да гарантирате, че всички тези актуализации се извършват в рамките на една транзакция, гарантирайки атомарност и последователност.

5. Multi-Tenancy (Многонаемна архитектура)

В многонаемните приложения е от съществено значение да се изолират данните и ресурсите за всеки наемател. AsyncLocalStorage може да се използва за съхраняване на ID-то на наемателя, което ви позволява динамично да маршрутизирате заявките към съответното хранилище за данни или ресурс въз основа на текущия наемател. Представете си SaaS платформа, където множество организации използват една и съща инстанция на приложението. Като съхранявате ID на наемателя в AsyncLocalStorage, можете да гарантирате, че данните на всяка организация се съхраняват отделно и че те имат достъп само до собствените си ресурси.

Добри практики при използване на AsyncLocalStorage

Въпреки че AsyncLocalStorage е мощен инструмент, е важно да се използва разумно, за да се избегнат потенциални проблеми с производителността и да се поддържа яснотата на кода. Ето някои добри практики, които трябва да имате предвид:

1. Минимизирайте съхранението на данни

Съхранявайте само данните, които са абсолютно необходими, в AsyncLocalStorage. Съхраняването на големи количества данни може да повлияе на производителността, особено в среди с висока степен на едновременност. Например, вместо да съхранявате целия потребителски обект, обмислете съхраняването само на ID на потребителя и извличането на потребителския обект от кеш или база данни, когато е необходимо.

2. Избягвайте прекомерното превключване на контекст

Честото превключване на контекст също може да повлияе на производителността. Минимизирайте броя пъти, в които задавате и извличате стойности от AsyncLocalStorage. Кеширайте често достъпваните стойности локално във функцията, за да намалите натоварването от достъпа до контекста за съхранение. Например, ако трябва да достъпите ID на потребителя няколко пъти в рамките на една функция, извлечете го веднъж от AsyncLocalStorage и го съхранете в локална променлива за последваща употреба.

3. Използвайте ясни и последователни конвенции за именуване

Използвайте ясни и последователни конвенции за именуване на ключовете, които съхранявате в AsyncLocalStorage. Това ще подобри четимостта и поддръжката на кода. Например, използвайте последователен префикс за всички ключове, свързани с конкретна функция или домейн, като request.id или user.id.

4. Почиствайте след употреба

Въпреки че AsyncLocalStorage автоматично почиства контекста за съхранение, когато асинхронната операция приключи, е добра практика експлицитно да изчиствате контекста за съхранение, когато вече не е необходим. Това може да помогне за предотвратяване на изтичане на памет и подобряване на производителността. Можете да постигнете това, като използвате метода exit за експлицитно изчистване на контекста.

5. Вземете предвид последствията за производителността

Бъдете наясно с последствията за производителността от използването на AsyncLocalStorage, особено в среди с висока степен на едновременност. Измерете производителността на вашия код, за да се уверите, че отговаря на вашите изисквания. Профилирайте приложението си, за да идентифицирате потенциални тесни места, свързани с управлението на контекста. Обмислете алтернативни подходи, като експлицитно предаване на контекст, ако AsyncLocalStorage въвежда неприемливо натоварване на производителността.

6. Използвайте с повишено внимание в библиотеки

Избягвайте да използвате AsyncLocalStorage директно в библиотеки, които са предназначени за обща употреба. Библиотеките не трябва да правят предположения за контекста, в който се използват. Вместо това, предоставете опции на потребителите да предават контекстуална информация експлицитно. Това позволява на потребителите да контролират как се управлява контекстът в техните приложения и избягва потенциални конфликти или неочаквано поведение.

Алтернативи на AsyncLocalStorage

Въпреки че AsyncLocalStorage е удобен и мощен инструмент, той не винаги е най-доброто решение за всеки сценарий. Ето някои алтернативи, които да разгледате:

1. Експлицитно предаване на контекст

Най-простият подход е експлицитното предаване на контекстуална информация като аргументи на функции. Този подход е лесен и ясен за разбиране, но може да стане тромав с нарастването на сложността на кода. Експлицитното предаване на контекст е подходящо за прости сценарии, където контекстът е сравнително малък и кодът не е дълбоко вложен. Въпреки това, за по-сложни сценарии, това може да доведе до код, който е труден за четене и поддръжка.

2. Контекстни обекти

Вместо да предавате отделни променливи, можете да създадете контекстен обект, който капсулира цялата контекстуална информация. Това може да опрости сигнатурите на функциите и да направи кода по-четим. Контекстните обекти са добър компромис между експлицитното предаване на контекст и AsyncLocalStorage. Те предоставят начин за групиране на свързана контекстуална информация, което прави кода по-организиран и по-лесен за разбиране. Въпреки това, те все още изискват експлицитно предаване на контекстния обект на всяка функция.

3. Async Hooks (за диагностика)

Модулът async_hooks на Node.js предоставя по-общ механизъм за проследяване на асинхронни операции. Въпреки че е по-сложен за използване от AsyncLocalStorage, той предлага по-голяма гъвкавост и контрол. async_hooks е предназначен предимно за диагностични и отстраняващи грешки цели. Той ви позволява да проследявате жизнения цикъл на асинхронните операции и да събирате информация за тяхното изпълнение. Въпреки това, не се препоръчва за общо управление на контекста поради потенциалното му натоварване на производителността.

4. Диагностичен контекст (OpenTelemetry)

OpenTelemetry предоставя стандартизиран API за събиране и експортиране на телеметрични данни, включително проследявания, метрики и логове. Неговите функции за диагностичен контекст предлагат напреднало и стабилно решение за управление на разпространението на контекст в разпределени системи. Интегрирането с OpenTelemetry осигурява независим от доставчика начин за гарантиране на последователността на контекста в различни услуги и платформи. Това е особено полезно в сложни архитектури на микроуслуги, където контекстът трябва да се разпространява през границите на услугите.

Примери от реалния свят

Нека разгледаме някои реални примери за това как AsyncLocalStorage може да се използва в различни сценарии.

1. Приложение за електронна търговия: Проследяване на заявки

В приложение за електронна търговия можете да използвате AsyncLocalStorage, за да проследявате потребителските заявки през множество услуги, като продуктов каталог, количка за пазаруване и платежен портал. Това ви позволява да наблюдавате производителността на всяка услуга и да идентифицирате тесни места, които може да влияят на потребителското изживяване.

// В API gateway-a
const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    res.setHeader('X-Request-Id', requestId);
    next();
  });
});

// В услугата за продуктов каталог
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Регистрирайте ID-то на заявката заедно с други подробности
  logger.info(`[${requestId}] Fetching product details for product ID: ${productId}`);
  // ... извличане на подробности за продукта
}

2. SaaS платформа: Multi-Tenancy (Многонаемна архитектура)

В SaaS платформа можете да използвате AsyncLocalStorage, за да съхранявате ID на наемателя и динамично да маршрутизирате заявките към съответното хранилище за данни или ресурс въз основа на текущия наемател. Това гарантира, че данните на всеки наемател се съхраняват отделно и че те имат достъп само до собствените си ресурси.

// Middleware за извличане на ID на наемателя от заявката
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Функция за извличане на данни за конкретен наемател
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Архитектура на микроуслуги: Контекст на регистриране

В архитектура на микроуслуги можете да използвате AsyncLocalStorage, за да съхранявате ID на потребителя и автоматично да го включвате в съобщенията в логовете от различни услуги. Това улеснява отстраняването на грешки и анализа на проблеми, които може да засягат конкретен потребител.

// В услугата за удостоверяване
app.use((req, res, next) => {
  const userId = req.user.id;
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    next();
  });
});

// В услугата за обработка на данни
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[User ID: ${userId}] Processing data: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... обработка на данни
}

Заключение

AsyncLocalStorage е ценен инструмент за управление на променливи в обхвата на заявката в асинхронни JavaScript среди. Той опростява управлението на контекста при асинхронни операции, правейки кода по-четим, поддържаем и сигурен. Като разбирате неговите случаи на употреба, добри практики и алтернативи, можете ефективно да използвате AsyncLocalStorage за изграждане на стабилни и мащабируеми приложения. Въпреки това е изключително важно внимателно да обмислите неговите последици за производителността и да го използвате разумно, за да избегнете потенциални проблеми. Възприемете AsyncLocalStorage обмислено, за да подобрите практиките си за асинхронна разработка с JavaScript.

Чрез включването на ясни примери, практически съвети и изчерпателен преглед, това ръководство има за цел да оборудва разработчиците по целия свят със знанията за ефективно управление на асинхронен контекст с помощта на AsyncLocalStorage в техните JavaScript приложения. Не забравяйте да вземете предвид последиците за производителността и алтернативите, за да осигурите най-доброто решение за вашите специфични нужди.