JavaScript Async Context: Променливи с обхват на заявката за глобални приложения

В постоянно развиващия се свят на уеб разработката, изграждането на стабилни и мащабируеми приложения, особено тези, които обслужват глобална аудитория, изисква задълбочено разбиране на асинхронното програмиране и управлението на контекста. Тази публикация в блога се гмурка в завладяващия свят на JavaScript Async Context, мощна техника за обработка на променливи с обхват на заявката и значително подобряване на производителността, поддръжката и възможността за отстраняване на грешки във вашите приложения, особено в контекста на микроуслуги и разпределени системи.

Разбиране на предизвикателството: Асинхронни операции и загуба на контекст

Съвременните уеб приложения са изградени върху асинхронни операции. От обработката на потребителски заявки до взаимодействието с бази данни, извикването на API и изпълнението на фонови задачи, асинхронната природа на JavaScript е фундаментална. Тази асинхронност обаче въвежда значително предизвикателство: загуба на контекст. Когато дадена заявка се обработва, данните, свързани с нея (напр. потребителски ID, информация за сесията, корелационни ID за проследяване), трябва да бъдат достъпни през целия жизнен цикъл на обработката, дори и през множество асинхронни извиквания на функции.

Представете си сценарий, при който потребител, да речем от Токио (Япония), изпраща заявка към глобална платформа за електронна търговия. Заявката задейства поредица от операции: удостоверяване, оторизация, извличане на данни от базата данни (намираща се може би в Ирландия), обработка на поръчката и накрая изпращане на имейл за потвърждение. Без правилно управление на контекста, важна информация като локала на потребителя (за форматиране на валута и език), IP адреса на произход на заявката (за сигурност) и уникален идентификатор за проследяване на заявката във всички тези услуги ще бъде загубена с разгръщането на асинхронните операции.

Традиционно, разработчиците са разчитали на заобиколни решения като ръчно предаване на контекстни променливи чрез параметри на функции или използване на глобални променливи. Тези подходи обаче често са тромави, податливи на грешки и могат да доведат до код, който е труден за четене и поддръжка. Ръчното предаване на контекст може бързо да стане неуправляемо с увеличаването на броя на асинхронните операции и вложените извиквания на функции. Глобалните променливи, от друга страна, могат да въведат нежелани странични ефекти и да затруднят разсъжденията за състоянието на приложението, особено в многонишкови среди или при микроуслуги.

Представяне на Async Context: Мощно решение

JavaScript Async Context предоставя по-чисто и елегантно решение на проблема с разпространението на контекста. Той ви позволява да асоциирате данни (контекст) с асинхронна операция и гарантира, че тези данни са автоматично достъпни през цялата верига на изпълнение, независимо от броя на асинхронните извиквания или нивото на влагане. Този контекст е с обхват на заявката, което означава, че контекстът, свързан с една заявка, е изолиран от други заявки, гарантирайки целостта на данните и предотвратявайки взаимно замърсяване.

Ключови предимства от използването на Async Context:

• Подобрена четимост на кода: Намалява нуждата от ръчно предаване на контекст, което води до по-чист и по-сбит код.
• Подобрена поддръжка: Улеснява проследяването и управлението на контекстни данни, опростявайки отстраняването на грешки и поддръжката.
• Опростена обработка на грешки: Позволява централизирана обработка на грешки чрез предоставяне на достъп до контекстна информация по време на докладване на грешки.
• Подобрена производителност: Оптимизира използването на ресурси, като гарантира, че правилните контекстни данни са налични, когато са необходими.
• Повишена сигурност: Улеснява сигурните операции чрез лесно проследяване на чувствителна информация, като потребителски ID и токени за удостоверяване, във всички асинхронни извиквания.

Имплементиране на Async Context в Node.js (и извън него)

Въпреки че самият език JavaScript няма вградена функция за Async Context, се появиха няколко библиотеки и техники, които предоставят тази функционалност, особено в средата на Node.js. Нека разгледаме няколко често срещани подхода:

1. Модулът `async_hooks` (ядро на Node.js)

Node.js предоставя вграден модул, наречен `async_hooks`, който предлага ниско ниво на API за проследяване на асинхронни ресурси. Той ви позволява да проследявате жизнения цикъл на асинхронните операции и да се закачате за различни събития като създаване, преди изпълнение и след изпълнение. Въпреки че е мощен, модулът `async_hooks` изисква повече ръчни усилия за имплементиране на разпространение на контекст и обикновено се използва като градивен елемент за библиотеки от по-високо ниво.

            const async_hooks = require('async_hooks');

const context = new Map();

let executionAsyncId = 0;

const init = (asyncId, type, triggerAsyncId, resource) => {
  context.set(asyncId, {}); // Initialize a context object for each async operation
};

const before = (asyncId) => {
  executionAsyncId = asyncId;
};

const after = (asyncId) => {
  executionAsyncId = 0; // Clear the current execution asyncId
};

const destroy = (asyncId) => {
  context.delete(asyncId); // Remove context when the async operation completes
};

const asyncHook = async_hooks.createHook({
  init,
  before,
  after,
  destroy,
});

asyncHook.enable();

function getContext() {
  return context.get(executionAsyncId) || {};
}

function setContext(data) {
  const currentContext = getContext();
  context.set(executionAsyncId, { ...currentContext, ...data });
}

async function doSomethingAsync() {
  const contextData = getContext();
  console.log('Inside doSomethingAsync context:', contextData);
  // ... asynchronous operation ...
}

async function main() {
  // Simulate a request
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);
  setContext({ requestId });
  console.log('Outside doSomethingAsync context:', getContext());
  await doSomethingAsync();
}

main();

            

              
                Copy
              
            
          

Обяснение:

• `async_hooks.createHook()`: Създава "кука" (hook), която прихваща събитията от жизнения цикъл на асинхронните ресурси.
• `init`: Извиква се при създаване на нов асинхронен ресурс. Използваме го за инициализиране на контекстен обект за ресурса.
• `before`: Извиква се точно преди изпълнението на callback функцията на асинхронен ресурс. Използваме го за актуализиране на контекста на изпълнение.
• `after`: Извиква се след изпълнението на callback функцията.
• `destroy`: Извиква се при унищожаване на асинхронен ресурс. Премахваме свързания контекст.
• `getContext()` и `setContext()`: Помощни функции за четене и запис в хранилището на контекста.

Въпреки че този пример демонстрира основните принципи, често е по-лесно и по-поддържаемо да се използва специализирана библиотека.

2. Използване на библиотеките `cls-hooked` или `continuation-local-storage`

За по-оптимизиран подход, библиотеки като `cls-hooked` (или нейният предшественик `continuation-local-storage`, върху който `cls-hooked` надгражда) предоставят абстракции от по-високо ниво над `async_hooks`. Тези библиотеки опростяват процеса на създаване и управление на контекст. Те обикновено използват "хранилище" (често `Map` или подобна структура от данни) за съхраняване на контекстни данни и автоматично разпространяват контекста между асинхронните операции.

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function middleware(req, res, next) {
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);
  asyncLocalStorage.run({ requestId }, () => {
    // The rest of the request handling logic...
    console.log('Middleware Context:', asyncLocalStorage.getStore());
    next();
  });
}

async function doSomethingAsync() {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log('Inside doSomethingAsync:', store);
  // ... asynchronous operation ...
}

async function routeHandler(req, res) {
  console.log('Route Handler Context:', asyncLocalStorage.getStore());
  await doSomethingAsync();
  res.send('Request processed');
}

// Simulate a request
const request = { /*...*/ };
const response = { send: (message) => console.log('Response:', message) };

middleware(request, response, () => {
  routeHandler(request, response);
});

            

              
                Copy
              
            
          

Обяснение:

• `AsyncLocalStorage`: Този основен клас от Node.js се използва за създаване на инстанция за управление на асинхронен контекст.
• `asyncLocalStorage.run(context, callback)`: Този метод се използва за задаване на контекста за предоставената callback функция. Той автоматично разпространява контекста към всякакви асинхронни операции, извършени в рамките на callback-а.
• `asyncLocalStorage.getStore()`: Този метод се използва за достъп до текущия контекст в рамките на асинхронна операция. Той извлича контекста, който е бил зададен от `asyncLocalStorage.run()`.

Използването на `AsyncLocalStorage` опростява управлението на контекста. То автоматично се справя с разпространението на контекстни данни през асинхронните граници, намалявайки шаблонния код.

3. Разпространение на контекст в рамките на фреймуърци

Много съвременни уеб фреймуърци, като NestJS, Express, Koa и други, предоставят вградена поддръжка или препоръчителни модели за имплементиране на Async Context в тяхната структура на приложение. Тези фреймуърци често се интегрират с библиотеки като `cls-hooked` или предоставят свои собствени механизми за управление на контекст. Изборът на фреймуърк често диктува най-подходящия начин за обработка на променливи с обхват на заявката, но основните принципи остават същите.

Например, в NestJS можете да използвате обхвата `REQUEST` и модула `AsyncLocalStorage`, за да управлявате контекста на заявката. Това ви позволява да осъществявате достъп до специфични за заявката данни в услуги и контролери, което улеснява обработката на удостоверяване, логинг и други операции, свързани със заявката.

Практически примери и случаи на употреба

Нека разгледаме как Async Context може да се приложи в няколко практически сценария в рамките на глобални приложения:

1. Логинг и проследяване

Представете си разпределена система с микроуслуги, разположени в различни региони (напр. услуга в Сингапур за азиатски потребители, услуга в Бразилия за южноамерикански потребители и услуга в Германия за европейски потребители). Всяка услуга обработва част от цялостната обработка на заявката. Използвайки Async Context, можете лесно да генерирате и разпространявате уникален корелационен ID за всяка заявка, докато тя преминава през системата. Този ID може да се добави към записите в логовете, което ви позволява да проследите пътя на заявката през множество услуги, дори и през географски граници.

            
// Pseudo-code example (Illustrative)
const correlationId = generateCorrelationId();
asyncLocalStorage.run({ correlationId }, async () => {
  // Service 1
  log('Service 1: Request received', { correlationId });
  await callService2();
});

async function callService2() {
  // Service 2
  log('Service 2: Processing request', { correlationId: asyncLocalStorage.getStore().correlationId });
  // ... Call a database, etc.
}

            

              
                Copy
              
            
          

Този подход позволява ефикасно и ефективно дебъгване, анализ на производителността и мониторинг на вашето приложение в различни географски местоположения. Помислете за използването на структуриран логинг (напр. JSON формат) за улеснение на парсването и заявките в различни платформи за логинг (напр. ELK Stack, Splunk).

2. Удостоверяване и оторизация

В глобална платформа за електронна търговия потребители от различни държави може да имат различни нива на разрешение. Използвайки Async Context, можете да съхранявате информация за удостоверяване на потребителя (напр. потребителски ID, роли, разрешения) в контекста. Тази информация става лесно достъпна за всички части на приложението по време на жизнения цикъл на заявката. Този подход елиминира нуждата от многократно предаване на информация за удостоверяване на потребителя чрез извиквания на функции или извършване на множество заявки към базата данни за един и същ потребител. Този подход е особено полезен, ако вашата платформа поддържа Single Sign-On (SSO) с доставчици на идентичност от различни страни, като Япония, Австралия или Канада, осигурявайки безпроблемно и сигурно изживяване за потребителите по целия свят.

            
// Pseudo-code
// Middleware
async function authenticateUser(req, res, next) {
  const user = await authenticate(req.headers.authorization); // Assume auth logic
  asyncLocalStorage.run({ user }, () => {
    next();
  });
}

// Inside a route handler
function getUserData() {
  const user = asyncLocalStorage.getStore().user;
  // Access user information, e.g., user.roles, user.country, etc.
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Локализация и интернационализация (i18n)

Глобалното приложение трябва да се адаптира към предпочитанията на потребителя, включително език, валута и формати за дата/час. Като използвате Async Context, можете да съхранявате локал и други потребителски настройки в контекста. След това тези данни автоматично се разпространяват до всички компоненти на приложението, позволявайки динамично изобразяване на съдържание, конвертиране на валути и форматиране на дата/час въз основа на местоположението на потребителя или предпочитания от него език. Това улеснява изграждането на приложения за международната общност, например от Аржентина до Виетнам.

            
// Pseudo-code
// Middleware
async function setLocale(req, res, next) {
  const userLocale = req.headers['accept-language'] || 'en-US';
  asyncLocalStorage.run({ locale: userLocale }, () => {
    next();
  });
}

// Inside a component
function formatPrice(price, currency) {
  const locale = asyncLocalStorage.getStore().locale;
  // Use a localization library (e.g., Intl) to format the price
  const formattedPrice = new Intl.NumberFormat(locale, { style: 'currency', currency }).format(price);
  return formattedPrice;
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Обработка и докладване на грешки

Когато възникнат грешки в сложно, глобално разпределено приложение, е от решаващо значение да се улови достатъчно контекст за бързо диагностициране и разрешаване на проблема. Чрез използването на Async Context можете да обогатите логовете за грешки със специфична за заявката информация, като потребителски ID, корелационни ID или дори местоположението на потребителя. Това улеснява идентифицирането на първопричината за грешката и точното определяне на засегнатите заявки. Ако вашето приложение използва различни услуги на трети страни, като например платежни шлюзове, базирани в Сингапур, или облачно съхранение в Австралия, тези контекстни детайли стават безценни по време на отстраняване на неизправности.

            
// Pseudo-code
try {
  // ... some operation ...
} catch (error) {
  const contextData = asyncLocalStorage.getStore();
  logError(error, { ...contextData }); // Include context information in the error log
  // ... handle the error ...
}

            

              
                Copy
              
            
          

Най-добри практики и съображения

Въпреки че Async Context предлага много предимства, е от съществено значение да се следват най-добрите практики, за да се гарантира неговата ефективна и поддържаема имплементация:

• Използвайте специализирана библиотека: Възползвайте се от библиотеки като `cls-hooked` или специфични за фреймуърка функции за управление на контекста, за да опростите и оптимизирате разпространението на контекста.
• Внимавайте с използването на паметта: Големите контекстни обекти могат да консумират памет. Съхранявайте само данните, които са необходими за текущата заявка.
• Изчиствайте контекстите в края на заявката: Уверете се, че контекстите се изчистват правилно след приключване на заявката. Това предотвратява изтичането на контекстни данни в следващи заявки.
• Помислете за обработка на грешки: Имплементирайте стабилна обработка на грешки, за да предотвратите необработени изключения да нарушат разпространението на контекста.
• Тествайте обстойно: Напишете изчерпателни тестове, за да проверите дали контекстните данни се разпространяват правилно във всички асинхронни операции и във всички сценарии. Помислете за тестване с потребители от различни часови зони (напр. тестване по различно време на деня с потребители в Лондон, Пекин или Ню Йорк).
• Документация: Документирайте ясно вашата стратегия за управление на контекста, така че разработчиците да могат да я разберат и да работят с нея ефективно. Включете тази документация с останалата част от кодовата база.
• Избягвайте прекомерна употреба: Използвайте Async Context разумно. Не съхранявайте данни в контекста, които вече са налични като параметри на функции или които не са релевантни за текущата заявка.
• Съображения за производителност: Въпреки че самият Async Context обикновено не въвежда значително натоварване върху производителността, операциите, които извършвате с данните в контекста, могат да повлияят на производителността. Оптимизирайте достъпа до данни и минимизирайте ненужните изчисления.
• Съображения за сигурност: Никога не съхранявайте чувствителни данни (напр. пароли) директно в контекста. Обработвайте и защитавайте информацията, която използвате в контекста, и се уверете, че спазвате най-добрите практики за сигурност по всяко време.

Заключение: Упълномощаване на разработката на глобални приложения

JavaScript Async Context предоставя мощно и елегантно решение за управление на променливи с обхват на заявката в съвременните уеб приложения. Възприемайки тази техника, разработчиците могат да изграждат по-стабилни, поддържаеми и производителни приложения, особено тези, насочени към глобална аудитория. От оптимизиране на логинга и проследяването до улесняване на удостоверяването и локализацията, Async Context отключва множество предимства, които ще ви позволят да създавате наистина мащабируеми и лесни за използване приложения за международни потребители, създавайки положително въздействие върху вашите глобални потребители и бизнес.

Като разбирате принципите, избирате правилните инструменти (като `async_hooks` или библиотеки като `cls-hooked`) и се придържате към най-добрите практики, можете да впрегнете силата на Async Context, за да подобрите работния си процес на разработка и да създадете изключителни потребителски изживявания за разнообразна и глобална потребителска база. Независимо дали изграждате архитектура на микроуслуги, мащабна платформа за електронна търговия или просто API, разбирането и ефективното използване на Async Context е от решаващо значение за успеха в днешния бързо развиващ се свят на уеб разработката.