JavaScriptový asynchronní kontext: Správa proměnných s rozsahem požadavku

Asynchronní programování je základním kamenem moderního vývoje v JavaScriptu, zejména v prostředích jako Node.js, kde je neblokující I/O zásadní pro výkon. Správa kontextu napříč asynchronními operacemi však může být náročná. Zde přichází na řadu asynchronní kontext JavaScriptu, konkrétně AsyncLocalStorage.

Co je asynchronní kontext?

Asynchronní kontext se týká schopnosti asociovat data s asynchronní operací, která přetrvávají po celou dobu jejího životního cyklu. To je zásadní pro scénáře, kde potřebujete udržovat informace s rozsahem požadavku (např. ID uživatele, ID požadavku, informace o trasování) napříč více asynchronními voláními. Bez řádné správy kontextu může být ladění, protokolování a zabezpečení výrazně obtížnější.

Výzva k udržování kontextu v asynchronních operacích

Tradiční přístupy ke správě kontextu, jako je explicitní předávání proměnných prostřednictvím volání funkcí, se mohou stát těžkopádnými a náchylnými k chybám, jak se zvyšuje složitost asynchronního kódu. Callback hell a promise chains mohou zakrýt tok kontextu, což vede k problémům s údržbou a potenciálním bezpečnostním chybám. Zvažte tento zjednodušený příklad:

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

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

V tomto příkladu je userId opakovaně předáván dolů prostřednictvím vnořených callbacků. Tento přístup je nejen rozvláčný, ale také úzce propojuje funkce, takže jsou méně opakovaně použitelné a obtížněji se testují.

Představujeme AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage je vestavěný modul v Node.js, který poskytuje mechanismus pro ukládání dat, která jsou lokální pro konkrétní asynchronní kontext. Umožňuje nastavit a načítat hodnoty, které jsou automaticky propagovány napříč asynchronními hranicemi v rámci stejného kontextu provádění. To výrazně zjednodušuje správu proměnných s rozsahem požadavku.

Jak AsyncLocalStorage funguje

AsyncLocalStorage funguje tak, že vytvoří kontext úložiště, který je spojen s aktuální asynchronní operací. Když je zahájena nová asynchronní operace (např. promise, callback), kontext úložiště se automaticky propaguje do nové operace. To zajišťuje, že stejná data jsou přístupná v celém řetězci asynchronních volání.

Základní použití AsyncLocalStorage

Zde je základní příklad použití 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');
  // ... načtení dat pomocí userId
  return data;
}

async function transformData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... transformace dat pomocí userId
  return transformedData;
}

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... protokolování dat pomocí userId
  return;
}

V tomto příkladu:

• Vytvoříme instanci AsyncLocalStorage.
• Ve funkci processRequest použijeme asyncLocalStorage.run ke spuštění funkce v kontextu nové instance úložiště (v tomto případě Map).
• Nastavíme userId v úložišti pomocí asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• V rámci asynchronních operací (fetchData, transformData, logData) můžeme načíst userId pomocí asyncLocalStorage.getStore().get('userId').

Případy použití AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage je zvláště užitečný v následujících scénářích:

1. Trasování požadavků

V distribuovaných systémech je trasování požadavků napříč více službami zásadní pro sledování výkonu a identifikaci úzkých míst. AsyncLocalStorage lze použít k uložení jedinečného ID požadavku, které se propaguje napříč hranicemi služeb. To vám umožní korelovat protokoly a metriky z různých služeb a poskytnout komplexní pohled na cestu požadavku. Zvažte například architekturu mikroslužeb, kde požadavek uživatele prochází přes API gateway, autentizační službu a službu zpracování dat. Pomocí AsyncLocalStorage lze vygenerovat jedinečné ID požadavku na API gateway a automaticky jej propagovat do všech následných služeb zapojených do zpracování požadavku.

2. Kontext protokolování

Při protokolování událostí je často užitečné zahrnout kontextové informace, jako je ID uživatele, ID požadavku nebo ID relace. AsyncLocalStorage lze použít k automatickému zahrnutí těchto informací do zpráv protokolu, což usnadňuje ladění a analýzu problémů. Představte si scénář, kdy potřebujete sledovat aktivitu uživatelů v rámci vaší aplikace. Uložením ID uživatele do AsyncLocalStorage jej můžete automaticky zahrnout do všech zpráv protokolu souvisejících s relací daného uživatele, což poskytuje cenné informace o jejich chování a potenciálních problémech, se kterými se mohou setkat.

3. Autentizace a autorizace

AsyncLocalStorage lze použít k uložení informací o autentizaci a autorizaci, jako jsou role a oprávnění uživatele. To vám umožní vynutit zásady řízení přístupu v celé vaší aplikaci, aniž byste museli explicitně předávat pověření uživatele každé funkci. Zvažte aplikaci elektronického obchodu, kde mají různí uživatelé různé úrovně přístupu (např. administrátoři, běžní zákazníci). Uložením rolí uživatele do AsyncLocalStorage můžete snadno zkontrolovat jeho oprávnění předtím, než mu povolíte provádět určité akce, čímž zajistíte, že k citlivým datům nebo funkcím budou mít přístup pouze autorizovaní uživatelé.

4. Databázové transakce

Při práci s databázemi je často nutné spravovat transakce napříč více asynchronními operacemi. AsyncLocalStorage lze použít k uložení databázového připojení nebo transakčního objektu, čímž zajistíte, že všechny operace v rámci stejného požadavku budou provedeny v rámci stejné transakce. Pokud například uživatel zadává objednávku, možná budete muset aktualizovat více tabulek (např. objednávky, položky_objednávky, inventář). Uložením objektu databázové transakce do AsyncLocalStorage můžete zajistit, že všechny tyto aktualizace budou provedeny v rámci jedné transakce, což zaručuje atomicitu a konzistenci.

5. Multi-tenancy

V multi-tenant aplikacích je nezbytné izolovat data a zdroje pro každého tenanta. AsyncLocalStorage lze použít k uložení ID tenanta, což vám umožní dynamicky směrovat požadavky do příslušného datového úložiště nebo zdroje na základě aktuálního tenanta. Představte si platformu SaaS, kde více organizací používá stejnou instanci aplikace. Uložením ID tenanta do AsyncLocalStorage můžete zajistit, že data každé organizace budou uchovávána odděleně a že budou mít přístup pouze ke svým vlastním zdrojům.

Osvědčené postupy pro používání AsyncLocalStorage

Zatímco AsyncLocalStorage je výkonný nástroj, je důležité jej používat uvážlivě, abyste se vyhnuli potenciálním problémům s výkonem a zachovali srozumitelnost kódu. Zde je několik osvědčených postupů, které je třeba mít na paměti:

1. Minimalizujte ukládání dat

Ukládejte do AsyncLocalStorage pouze data, která jsou absolutně nezbytná. Ukládání velkého množství dat může ovlivnit výkon, zejména v prostředích s vysokou souběžností. Například místo ukládání celého objektu uživatele zvažte uložení pouze ID uživatele a načtení objektu uživatele z mezipaměti nebo databáze, když je to potřeba.

2. Vyhněte se nadměrnému přepínání kontextu

Časté přepínání kontextu může také ovlivnit výkon. Minimalizujte počet případů, kdy nastavujete a načítáte hodnoty z AsyncLocalStorage. Ukládejte často používané hodnoty lokálně do mezipaměti v rámci funkce, abyste snížili režii přístupu ke kontextu úložiště. Pokud například potřebujete přistupovat k ID uživatele vícekrát v rámci funkce, načtěte jej jednou z AsyncLocalStorage a uložte jej do lokální proměnné pro následné použití.

3. Používejte jasné a konzistentní konvence pojmenování

Používejte jasné a konzistentní konvence pojmenování pro klíče, které ukládáte do AsyncLocalStorage. Zlepšíte tak čitelnost a udržovatelnost kódu. Například použijte konzistentní předponu pro všechny klíče související s konkrétní funkcí nebo doménou, jako je request.id nebo user.id.

4. Vyčistěte po použití

Zatímco AsyncLocalStorage automaticky vyčistí kontext úložiště po dokončení asynchronní operace, je dobré explicitně vymazat kontext úložiště, když už není potřeba. To může pomoci zabránit únikům paměti a zlepšit výkon. Toho můžete dosáhnout použitím metody exit k explicitnímu vymazání kontextu.

5. Zvažte dopady na výkon

Buďte si vědomi dopadů na výkon používání AsyncLocalStorage, zejména v prostředích s vysokou souběžností. Otestujte svůj kód, abyste zajistili, že splňuje vaše požadavky na výkon. Profilujte svou aplikaci, abyste identifikovali potenciální úzká místa související se správou kontextu. Zvažte alternativní přístupy, jako je explicitní předávání kontextu, pokud AsyncLocalStorage zavádí nepřijatelnou režii výkonu.

6. Používejte s opatrností v knihovnách

Vyhněte se používání AsyncLocalStorage přímo v knihovnách, které jsou určeny pro obecné použití. Knihovny by neměly dělat předpoklady o kontextu, ve kterém jsou používány. Místo toho poskytněte uživatelům možnosti explicitně předávat kontextové informace. To uživatelům umožňuje řídit, jak je kontext spravován v jejich aplikacích, a vyhýbá se potenciálním konfliktům nebo neočekávanému chování.

Alternativy k AsyncLocalStorage

Zatímco AsyncLocalStorage je pohodlný a výkonný nástroj, není vždy nejlepším řešením pro každý scénář. Zde jsou některé alternativy, které je třeba zvážit:

1. Explicitní předávání kontextu

Nejjednodušší přístup je explicitně předávat kontextové informace jako argumenty funkcím. Tento přístup je přímočarý a snadno pochopitelný, ale může se stát těžkopádným, jak se zvyšuje složitost kódu. Explicitní předávání kontextu je vhodné pro jednoduché scénáře, kde je kontext relativně malý a kód není hluboce vnořený. Pro složitější scénáře však může vést ke kódu, který je obtížné číst a udržovat.

2. Kontextové objekty

Místo předávání jednotlivých proměnných můžete vytvořit objekt kontextu, který zapouzdřuje všechny kontextové informace. To může zjednodušit podpisy funkcí a učinit kód čitelnějším. Kontextové objekty jsou dobrým kompromisem mezi explicitním předáváním kontextu a AsyncLocalStorage. Poskytují způsob, jak seskupit související kontextové informace dohromady, takže je kód organizovanější a snadněji pochopitelný. Stále však vyžadují explicitní předávání objektu kontextu každé funkci.

3. Async Hooks (pro diagnostiku)

Modul async_hooks Node.js poskytuje obecnější mechanismus pro sledování asynchronních operací. I když je složitější používat než AsyncLocalStorage, nabízí větší flexibilitu a kontrolu. async_hooks je primárně určen pro diagnostické a ladicí účely. Umožňuje sledovat životní cyklus asynchronních operací a shromažďovat informace o jejich provádění. Nedoporučuje se však pro obecnou správu kontextu kvůli potenciální režii výkonu.

4. Diagnostický kontext (OpenTelemetry)

OpenTelemetry poskytuje standardizované API pro shromažďování a export telemetrických dat, včetně trasování, metrik a protokolů. Jeho funkce diagnostického kontextu nabízejí pokročilé a robustní řešení pro správu propagace kontextu v distribuovaných systémech. Integrace s OpenTelemetry poskytuje neutrální způsob, jak zajistit konzistenci kontextu napříč různými službami a platformami. To je zvláště užitečné ve složitých architekturách mikroslužeb, kde je třeba propagovat kontext napříč hranicemi služeb.

Příklady z reálného světa

Prozkoumejme několik příkladů z reálného světa, jak lze AsyncLocalStorage použít v různých scénářích.

1. Aplikace pro elektronický obchod: Trasování požadavků

V aplikaci pro elektronický obchod můžete použít AsyncLocalStorage ke sledování požadavků uživatelů napříč více službami, jako je katalog produktů, nákupní košík a platební brána. To vám umožní sledovat výkon každé služby a identifikovat úzká místa, která by mohla ovlivnit uživatelský zážitek.

// V API gateway
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();
  });
});

// Ve službě katalogu produktů
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Protokolování ID požadavku spolu s dalšími podrobnostmi
  logger.info(`[${requestId}] Načítání podrobností o produktu pro ID produktu: ${productId}`);
  // ... načtení podrobností o produktu
}

2. Platforma SaaS: Multi-tenancy

V platformě SaaS můžete použít AsyncLocalStorage k uložení ID tenanta a dynamickému směrování požadavků do příslušného datového úložiště nebo zdroje na základě aktuálního tenanta. To zajišťuje, že data každého tenanta jsou uchovávána odděleně a že mají přístup pouze ke svým vlastním zdrojům.

// Middleware pro extrahování ID tenanta z požadavku
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Funkce pro načtení dat pro konkrétního tenanta
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Architektura mikroslužeb: Kontext protokolování

V architektuře mikroslužeb můžete použít AsyncLocalStorage k uložení ID uživatele a automatickému zahrnutí do zpráv protokolu z různých služeb. Usnadníte tak ladění a analýzu problémů, které by mohly ovlivnit konkrétního uživatele.

// V autentizační službě
app.use((req, res, next) => {
  const userId = req.user.id;
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    next();
  });
});

// Ve službě zpracování dat
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[ID uživatele: ${userId}] Zpracování dat: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... zpracování dat
}

Závěr

AsyncLocalStorage je cenný nástroj pro správu proměnných s rozsahem požadavku v asynchronních prostředích JavaScriptu. Zjednodušuje správu kontextu napříč asynchronními operacemi, díky čemuž je kód čitelnější, udržitelnější a bezpečnější. Pochopením jeho případů použití, osvědčených postupů a alternativ můžete efektivně využít AsyncLocalStorage k vytváření robustních a škálovatelných aplikací. Je však zásadní pečlivě zvážit jeho dopady na výkon a používat jej uvážlivě, abyste se vyhnuli potenciálním problémům. Opatrně používejte AsyncLocalStorage ke zlepšení postupů asynchronního vývoje v JavaScriptu.

Začleněním jasných příkladů, praktických rad a komplexního přehledu si tato příručka klade za cíl vybavit vývojáře po celém světě znalostmi pro efektivní správu asynchronního kontextu pomocí AsyncLocalStorage v jejich aplikacích JavaScriptu. Nezapomeňte zvážit dopady na výkon a alternativy, abyste zajistili nejlepší řešení pro vaše specifické potřeby.