Asynchronní kontext v JavaScriptu: Zvládnutí správy proměnných vázaných na požadavek

Asynchronní programování je základním kamenem moderního vývoje v JavaScriptu, zejména v prostředích jako je Node.js. Správa kontextu a proměnných vázaných na konkrétní požadavek (request-scoped) napříč asynchronními operacemi však může být náročná. Tradiční přístupy často vedou ke složitému kódu a potenciálnímu poškození dat. Tento článek se zabývá možnostmi asynchronního kontextu v JavaScriptu, konkrétně se zaměřuje na AsyncLocalStorage a ukazuje, jak zjednodušuje správu proměnných vázaných na požadavek pro tvorbu robustních a škálovatelných aplikací.

Pochopení výzev asynchronního kontextu

V synchronním programování je správa proměnných v rámci rozsahu platnosti (scope) funkce přímočará. Každá funkce má svůj vlastní kontext provádění a proměnné deklarované v tomto kontextu jsou izolované. Asynchronní operace však přinášejí komplikace, protože se neprovádějí lineárně. Zpětná volání (callbacks), přísliby (promises) a async/await zavádějí nové kontexty provádění, které mohou ztížit udržování a přístup k proměnným souvisejícím s konkrétním požadavkem nebo operací.

Představte si scénář, kdy potřebujete sledovat unikátní ID požadavku po celou dobu provádění obsluhy požadavku (request handler). Bez správného mechanismu byste se mohli uchýlit k předávání ID požadavku jako argumentu každé funkci zapojené do zpracování požadavku. Tento přístup je těžkopádný, náchylný k chybám a silně provazuje váš kód.

Problém propagace kontextu

• Nepřehlednost kódu: Předávání kontextových proměnných přes více volání funkcí výrazně zvyšuje složitost kódu a snižuje jeho čitelnost.
• Těsné provázání: Funkce se stávají závislými na konkrétních kontextových proměnných, což je činí méně znovupoužitelnými a obtížněji testovatelnými.
• Náchylnost k chybám: Zapomenutí předat kontextovou proměnnou nebo předání nesprávné hodnoty může vést k nepředvídatelnému chování a těžko odhalitelným chybám.
• Náročná údržba: Změny v kontextových proměnných vyžadují úpravy v mnoha částech kódu.

Tyto výzvy zdůrazňují potřebu elegantnějšího a robustnějšího řešení pro správu proměnných vázaných na požadavek v asynchronních prostředích JavaScriptu.

Představujeme AsyncLocalStorage: Řešení pro asynchronní kontext

AsyncLocalStorage, představený v Node.js v14.5.0, poskytuje mechanismus pro ukládání dat po celou dobu trvání asynchronní operace. V podstatě vytváří kontext, který je perzistentní napříč asynchronními hranicemi, což vám umožňuje přistupovat a upravovat proměnné specifické pro konkrétní požadavek nebo operaci bez jejich explicitního předávání.

AsyncLocalStorage funguje na bázi jednotlivých kontextů provádění. Každá asynchronní operace (např. obsluha požadavku) dostává své vlastní izolované úložiště. Tím je zajištěno, že data spojená s jedním požadavkem nechtěně neuniknou do jiného, což udržuje integritu a izolaci dat.

Jak AsyncLocalStorage funguje

Třída AsyncLocalStorage poskytuje následující klíčové metody:

• getStore(): Vrací aktuální úložiště spojené s aktuálním kontextem provádění. Pokud žádné úložiště neexistuje, vrací undefined.
• run(store, callback, ...args): Spustí poskytnutý callback v novém asynchronním kontextu. Argument store inicializuje úložiště kontextu. Všechny asynchronní operace spuštěné tímto callbackem budou mít přístup k tomuto úložišti.
• enterWith(store): Vstoupí do kontextu poskytnutého store. To je užitečné, když potřebujete explicitně nastavit kontext pro specifický blok kódu.
• disable(): Deaktivuje instanci AsyncLocalStorage. Přístup k úložišti po deaktivaci způsobí chybu.

Samotné úložiště (store) je jednoduchý objekt JavaScriptu (nebo jakýkoli datový typ, který si zvolíte), který uchovává kontextové proměnné, jež chcete spravovat. Můžete ukládat ID požadavků, informace o uživateli nebo jakákoli jiná data relevantní pro aktuální operaci.

Praktické příklady použití AsyncLocalStorage

Pojďme si použití AsyncLocalStorage ukázat na několika praktických příkladech.

Příklad 1: Sledování ID požadavku ve webovém serveru

Představte si webový server v Node.js používající Express.js. Chceme automaticky generovat a sledovat unikátní ID požadavku pro každý příchozí požadavek. Toto ID lze použít pro logování, sledování a ladění.

const express = require('express');
const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

const app = express();
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    console.log(`Request received with ID: ${requestId}`);
    next();
  });
});

app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  console.log(`Handling request with ID: ${requestId}`);
  res.send(`Hello, Request ID: ${requestId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

V tomto příkladu:

• Vytvoříme instanci AsyncLocalStorage.
• Použijeme middleware Expressu k zachycení každého příchozího požadavku.
• Uvnitř middleware vygenerujeme unikátní ID požadavku pomocí uuidv4().
• Zavoláme asyncLocalStorage.run() pro vytvoření nového asynchronního kontextu. Inicializujeme úložiště pomocí Map, která bude uchovávat naše kontextové proměnné.
• Uvnitř callbacku run() nastavíme requestId do úložiště pomocí asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId).
• Poté zavoláme next(), abychom předali řízení dalšímu middleware nebo obsluze cesty (route handler).
• V obsluze cesty (app.get('/')) získáme requestId z úložiště pomocí asyncLocalStorage.getStore().get('requestId').

Nyní, bez ohledu na to, kolik asynchronních operací je spuštěno v rámci obsluhy požadavku, můžete vždy přistupovat k ID požadavku pomocí asyncLocalStorage.getStore().get('requestId').

Příklad 2: Autentizace a autorizace uživatele

Dalším běžným případem použití je správa informací o autentizaci a autorizaci uživatele. Předpokládejme, že máte middleware, který ověřuje uživatele a získává jeho ID. Můžete uložit ID uživatele do AsyncLocalStorage, aby bylo dostupné pro následné middleware a obsluhy cest.

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

const app = express();
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// Authentication Middleware (Example)
const authenticateUser = (req, res, next) => {
  // Simulate user authentication (replace with your actual logic)
  const userId = req.headers['x-user-id'] || 'guest'; // Get User ID from Header

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    console.log(`User authenticated with ID: ${userId}`);
    next();
  });
};

app.use(authenticateUser);

app.get('/profile', (req, res) => {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  console.log(`Accessing profile for user ID: ${userId}`);
  res.send(`Profile for User ID: ${userId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

V tomto příkladu middleware authenticateUser získá ID uživatele (zde simulováno čtením z hlavičky) a uloží ho do AsyncLocalStorage. Obsluha cesty /profile pak může přistupovat k ID uživatele, aniž by ho musela dostávat jako explicitní parametr.

Příklad 3: Správa databázových transakcí

Ve scénářích zahrnujících databázové transakce lze AsyncLocalStorage použít ke správě transakčního kontextu. Můžete uložit databázové připojení nebo transakční objekt do AsyncLocalStorage, čímž zajistíte, že všechny databázové operace v rámci konkrétního požadavku použijí stejnou transakci.

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

const app = express();
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// Simulate a database connection
const db = {
  query: (sql, callback) => {
    const transactionId = asyncLocalStorage.getStore()?.get('transactionId') || 'No Transaction';
    console.log(`Executing SQL: ${sql} in Transaction: ${transactionId}`);
    // Simulate database query execution
    setTimeout(() => {
      callback(null, { success: true });
    }, 50);
  },
};

// Middleware to start a transaction
const startTransaction = (req, res, next) => {
  const transactionId = Math.random().toString(36).substring(2, 15); // Generate a random transaction ID

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('transactionId', transactionId);
    console.log(`Starting transaction: ${transactionId}`);
    next();
  });
};

app.use(startTransaction);

app.get('/data', (req, res) => {
  db.query('SELECT * FROM data', (err, result) => {
    if (err) {
      return res.status(500).send('Error querying data');
    }
    res.send('Data retrieved successfully');
  });
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

V tomto zjednodušeném příkladu:

• Middleware startTransaction vygeneruje ID transakce a uloží ho do AsyncLocalStorage.
• Simulovaná funkce db.query získá ID transakce z úložiště a zaloguje ho, což demonstruje, že transakční kontext je dostupný i v rámci asynchronní databázové operace.

Pokročilé použití a doporučení

Middleware a propagace kontextu

AsyncLocalStorage je obzvláště užitečný v řetězcích middleware. Každý middleware může přistupovat a upravovat sdílený kontext, což vám umožňuje snadno vytvářet složité zpracovatelské pipeline.

Ujistěte se, že vaše middleware funkce jsou navrženy tak, aby správně propagovaly kontext. Použijte asyncLocalStorage.run() nebo asyncLocalStorage.enterWith() k obalení asynchronních operací a udržení toku kontextu.

Zpracování chyb a úklid

Správné zpracování chyb je při použití AsyncLocalStorage klíčové. Ujistěte se, že elegantně zpracováváte výjimky a uklízíte veškeré zdroje spojené s kontextem. Zvažte použití bloků try...finally, abyste zajistili uvolnění zdrojů i v případě, že dojde k chybě.

Výkonnostní aspekty

Ačkoliv AsyncLocalStorage poskytuje pohodlný způsob správy kontextu, je nezbytné mít na paměti jeho dopady na výkon. Nadměrné používání AsyncLocalStorage může přinést režii, zejména v aplikacích s vysokou propustností. Profilujte svůj kód, abyste identifikovali potenciální úzká hrdla a provedli příslušné optimalizace.

Vyhněte se ukládání velkého množství dat do AsyncLocalStorage. Ukládejte pouze nezbytné kontextové proměnné. Pokud potřebujete ukládat větší objekty, zvažte uložení odkazů na ně namísto samotných objektů.

Alternativy k AsyncLocalStorage

Ačkoliv je AsyncLocalStorage mocným nástrojem, existují alternativní přístupy ke správě asynchronního kontextu v závislosti na vašich specifických potřebách a použitém frameworku.

• Explicitní předávání kontextu: Jak již bylo zmíněno, explicitní předávání kontextových proměnných jako argumentů funkcím je základní, i když méně elegantní, přístup.
• Kontextové objekty: Vytvoření specializovaného kontextového objektu a jeho předávání může zlepšit čitelnost ve srovnání s předáváním jednotlivých proměnných.
• Řešení specifická pro framework: Mnoho frameworků poskytuje vlastní mechanismy pro správu kontextu. Například NestJS poskytuje "request-scoped providers".

Globální perspektiva a osvědčené postupy

Při práci s asynchronním kontextem v globálním měřítku zvažte následující:

• Časová pásma: Při práci s daty a časy v kontextu mějte na paměti časová pásma. Ukládejte informace o časovém pásmu spolu s časovými značkami, abyste předešli nejednoznačnosti.
• Lokalizace: Pokud vaše aplikace podporuje více jazyků, ukládejte do kontextu locale uživatele, abyste zajistili, že se obsah zobrazí ve správném jazyce.
• Měna: Pokud vaše aplikace zpracovává finanční transakce, ukládejte do kontextu měnu uživatele, abyste zajistili správné zobrazení částek.
• Formáty dat: Buďte si vědomi různých formátů dat používaných v různých regionech. Například formáty data a čísel se mohou výrazně lišit.

Závěr

AsyncLocalStorage poskytuje mocné a elegantní řešení pro správu proměnných vázaných na požadavek v asynchronních prostředích JavaScriptu. Vytvořením perzistentního kontextu napříč asynchronními hranicemi zjednodušuje kód, snižuje provázanost a zlepšuje udržovatelnost. Porozuměním jeho schopnostem a omezením můžete AsyncLocalStorage využít k tvorbě robustních, škálovatelných a globálně připravených aplikací.

Zvládnutí asynchronního kontextu je pro každého vývojáře JavaScriptu pracujícího s asynchronním kódem zásadní. Osvojte si AsyncLocalStorage a další techniky správy kontextu pro psaní čistších, lépe udržovatelných a spolehlivějších aplikací.