Asynchronní kontext v JavaScriptu: Demystifikace proměnných vázaných na požadavek

Asynchronní programování je základním kamenem moderního JavaScriptu, zejména v prostředích jako je Node.js, kde je zpracování souběžných požadavků klíčové. Správa stavu a závislostí napříč asynchronními operacemi se však může rychle stát složitou. Proměnné vázané na požadavek (request-scoped variables), dostupné po celou dobu životního cyklu jednoho požadavku, nabízejí výkonné řešení. Tento článek se ponoří do konceptu asynchronního kontextu v JavaScriptu se zaměřením na proměnné vázané na požadavek a techniky pro jejich efektivní správu. Prozkoumáme různé přístupy, od nativních modulů po knihovny třetích stran, a poskytneme praktické příklady a postřehy, které vám pomohou vytvářet robustní a udržovatelné aplikace.

Pochopení asynchronního kontextu v JavaScriptu

Jednovláknová povaha JavaScriptu ve spojení s jeho smyčkou událostí (event loop) umožňuje neblokující operace. Tato asynchronnost je nezbytná pro vytváření responzivních aplikací. Přináší však také výzvy ve správě kontextu. V synchronním prostředí jsou proměnné přirozeně vázány na rozsah funkcí a bloků. Naopak asynchronní operace mohou být rozptýleny mezi více funkcemi a iteracemi smyčky událostí, což ztěžuje udržení konzistentního kontextu provádění.

Představte si webový server, který zpracovává více požadavků současně. Každý požadavek potřebuje vlastní sadu dat, jako jsou informace o autentizaci uživatele, ID požadavků pro logování a databázová připojení. Bez mechanismu pro izolaci těchto dat riskujete poškození dat a neočekávané chování. Právě zde vstupují do hry proměnné vázané na požadavek.

Co jsou proměnné vázané na požadavek?

Proměnné vázané na požadavek jsou proměnné specifické pro jeden požadavek nebo transakci v rámci asynchronního systému. Umožňují ukládat a přistupovat k datům, která jsou relevantní pouze pro aktuální požadavek, a zajišťují tak izolaci mezi souběžnými operacemi. Představte si je jako vyhrazený úložný prostor připojený ke každému příchozímu požadavku, který přetrvává napříč asynchronními voláními provedenými při zpracování tohoto požadavku. To je klíčové pro udržení integrity a předvídatelnosti dat v asynchronních prostředích.

Zde je několik klíčových případů použití:

• Autentizace uživatele: Ukládání informací o uživateli po autentizaci, které jsou dostupné všem následným operacím v rámci životního cyklu požadavku.
• ID požadavků pro logování a trasování: Přiřazení jedinečného ID ke každému požadavku a jeho šíření systémem pro korelaci logovacích zpráv a sledování cesty provádění.
• Databázová připojení: Správa databázových připojení pro každý požadavek, aby byla zajištěna správná izolace a předešlo se únikům připojení.
• Nastavení konfigurace: Ukládání konfiguračních nebo jiných nastavení specifických pro požadavek, ke kterým mohou přistupovat různé části aplikace.
• Správa transakcí: Správa transakčního stavu v rámci jednoho požadavku.

Přístupy k implementaci proměnných vázaných na požadavek

K implementaci proměnných vázaných na požadavek v JavaScriptu lze použít několik přístupů. Každý přístup má své vlastní kompromisy z hlediska složitosti, výkonu a kompatibility. Pojďme prozkoumat některé z nejběžnějších technik.

1. Manuální předávání kontextu

Nejzákladnější přístup spočívá v manuálním předávání informací o kontextu jako argumentů každé asynchronní funkci. Ačkoliv je tato metoda snadno pochopitelná, může se rychle stát těžkopádnou a náchylnou k chybám, zejména u hluboce vnořených asynchronních volání.

Příklad:

function handleRequest(req, res) {
  const userId = authenticateUser(req);
  processData(userId, req, res);
}

function processData(userId, req, res) {
  fetchDataFromDatabase(userId, (err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, req, res);
    }
    renderResponse(data, userId, req, res);
  });
}

function renderResponse(data, userId, req, res) {
  // Použijte userId pro personalizaci odpovědi
  res.end(`Hello, user ${userId}! Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

Jak vidíte, manuálně předáváme `userId`, `req` a `res` každé funkci. S rostoucí složitostí asynchronních toků se toto stává stále obtížněji spravovatelné.

Nevýhody:

• Opakující se kód (boilerplate): Explicitní předávání kontextu každé funkci vytváří mnoho nadbytečného kódu.
• Náchylnost k chybám: Je snadné zapomenout předat kontext, což vede k chybám.
• Obtížná refaktorizace: Změna kontextu vyžaduje úpravu signatury každé funkce.
• Těsná vazba (tight coupling): Funkce se stávají těsně spjaty s konkrétním kontextem, který přijímají.

2. AsyncLocalStorage (Node.js v14.5.0+)

Node.js představil `AsyncLocalStorage` jako vestavěný mechanismus pro správu kontextu napříč asynchronními operacemi. Poskytuje způsob, jak ukládat data, která jsou dostupná po celou dobu životního cyklu asynchronního úkolu. Toto je obecně doporučený přístup pro moderní aplikace v Node.js. `AsyncLocalStorage` funguje pomocí metod `run` a `enterWith`, aby bylo zajištěno správné šíření kontextu.

Příklad:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function handleRequest(req, res) {
  const requestId = generateRequestId();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    processData(res);
  });
}

function processData(res) {
  fetchDataFromDatabase((err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, res);
    }
    renderResponse(data, res);
  });
}

function fetchDataFromDatabase(callback) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // ... načtěte data s použitím ID požadavku pro logování/trasování
  setTimeout(() => {
    callback(null, { message: 'Data from database' });
  }, 100);
}

function renderResponse(data, res) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.end(`Request ID: ${requestId}, Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

V tomto příkladu `asyncLocalStorage.run` vytváří nový kontext (reprezentovaný objektem `Map`) a spouští poskytnutou zpětnou vazbu (callback) v tomto kontextu. `requestId` je uloženo v kontextu a je dostupné ve funkcích `fetchDataFromDatabase` a `renderResponse` pomocí `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`. Podobně je zpřístupněn i `req`. Anonymní funkce obaluje hlavní logiku. Jakákoli asynchronní operace v rámci této funkce automaticky zdědí kontext.

Výhody:

• Vestavěné řešení: V moderních verzích Node.js nejsou nutné žádné externí závislosti.
• Automatické šíření kontextu: Kontext se automaticky šíří napříč asynchronními operacemi.
• Typová bezpečnost: Použití TypeScriptu může pomoci zlepšit typovou bezpečnost při přístupu k proměnným kontextu.
• Jasné oddělení zodpovědností: Funkce nemusí explicitně vědět o kontextu.

Nevýhody:

• Vyžaduje Node.js v14.5.0 nebo novější: Starší verze Node.js nejsou podporovány.
• Mírná režie na výkon: S přepínáním kontextu je spojena malá výkonnostní režie.
• Manuální správa úložiště: Metoda `run` vyžaduje předání úložného objektu, takže pro každý požadavek musí být vytvořen objekt Map nebo podobný.

3. cls-hooked (Continuation-Local Storage)

`cls-hooked` je knihovna, která poskytuje continuation-local storage (CLS), což umožňuje asociovat data s aktuálním kontextem provádění. Byla to po mnoho let populární volba pro správu proměnných vázaných na požadavek v Node.js, ještě před nativním `AsyncLocalStorage`. Ačkoliv je nyní obecně preferován `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked` zůstává životaschopnou možností, zejména pro starší kódové báze nebo při podpoře starších verzí Node.js. Mějte však na paměti, že má dopady na výkon.

Příklad:

const cls = require('cls-hooked');
const namespace = cls.createNamespace('my-app');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

cls.getNamespace = () => namespace;

const express = require('express');
const app = express();

app.use((req, res, next) => {
  namespace.run(() => {
    const requestId = uuidv4();
    namespace.set('requestId', requestId);
    namespace.set('request', req);
    next();
  });
});

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

app.get('/data', (req, res) => {
  const requestId = namespace.get('requestId');

  setTimeout(() => {
    // Simulace asynchronní operace
    console.log(`Asynchronous operation - Request ID: ${requestId}`);
    res.send(`Data, Request ID: ${requestId}`);
  }, 500);
});

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

V tomto příkladu `cls.createNamespace` vytváří jmenný prostor pro ukládání dat vázaných na požadavek. Middleware obaluje každý požadavek do `namespace.run`, což vytváří kontext pro daný požadavek. `namespace.set` ukládá `requestId` do kontextu a `namespace.get` ho později získává v obsluze požadavku a během simulované asynchronní operace. UUID se používá k vytvoření jedinečných ID požadavků.

Výhody:

• Široce používané: `cls-hooked` je již mnoho let populární volbou a má velkou komunitu.
• Jednoduché API: API je relativně snadné na použití a pochopení.
• Podporuje starší verze Node.js: Je kompatibilní se staršími verzemi Node.js.

Nevýhody:

• Výkonnostní režie: `cls-hooked` se spoléhá na monkey-patching, což může přinést výkonnostní režii. To může být významné v aplikacích s vysokou propustností.
• Potenciální konflikty: Monkey-patching může potenciálně kolidovat s jinými knihovnami.
• Obavy o údržbu: Jelikož je `AsyncLocalStorage` nativním řešením, budoucí vývoj a údržba se pravděpodobně zaměří na něj.

4. Zone.js

Zone.js je knihovna, která poskytuje kontext provádění, který lze použít ke sledování asynchronních operací. Ačkoli je známá především díky svému použití v Angularu, Zone.js lze také použít v Node.js ke správě proměnných vázaných na požadavek. Je to však složitější a těžší řešení ve srovnání s `AsyncLocalStorage` nebo `cls-hooked` a obecně se nedoporučuje, pokud již Zone.js ve své aplikaci nepoužíváte.

Výhody:

• Komplexní kontext: Zone.js poskytuje velmi komplexní kontext provádění.
• Integrace s Angularem: Bezproblémová integrace s aplikacemi postavenými na Angularu.

Nevýhody:

• Složitost: Zone.js je komplexní knihovna s příkrou křivkou učení.
• Výkonnostní režie: Zone.js může přinést významnou výkonnostní režii.
• Přehnané řešení pro jednoduché proměnné: Pro jednoduchou správu proměnných vázaných na požadavek je to přehnané řešení (overkill).

5. Middleware funkce

V rámci webových aplikačních frameworků jako Express.js poskytují middleware funkce pohodlný způsob, jak zachytit požadavky a provádět akce předtím, než se dostanou k obslužným rutinám (route handlers). Můžete použít middleware k nastavení proměnných vázaných na požadavek a jejich zpřístupnění následným middleware a obslužným rutinám. Toto se často kombinuje s jednou z dalších metod, jako je `AsyncLocalStorage`.

Příklad (použití AsyncLocalStorage s middlewarem v Expressu):

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

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

// Middleware pro nastavení proměnných vázaných na požadavek
app.use((req, res, next) => {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    const requestId = uuidv4();
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    next();
  });
});

// Obslužná rutina
app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.send(`Hello! Request ID: ${requestId}`);
});

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

Tento příklad ukazuje, jak použít middleware k nastavení `requestId` v `AsyncLocalStorage` předtím, než požadavek dorazí k obslužné rutině. Obslužná rutina pak může přistupovat k `requestId` z `AsyncLocalStorage`.

Výhody:

• Centralizovaná správa kontextu: Middleware funkce poskytují centralizované místo pro správu proměnných vázaných na požadavek.
• Čisté oddělení zodpovědností: Obslužné rutiny se nemusí přímo podílet na nastavování kontextu.
• Snadná integrace s frameworky: Middleware funkce jsou dobře integrovány s webovými aplikačními frameworky jako Express.js.

Nevýhody:

• Vyžaduje framework: Tento přístup je primárně vhodný pro webové aplikační frameworky, které podporují middleware.
• Spoléhá na jiné techniky: Middleware je obvykle třeba kombinovat s jednou z dalších technik (např. `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked`) pro skutečné uložení a šíření kontextu.

Doporučené postupy pro používání proměnných vázaných na požadavek

Zde jsou některé doporučené postupy, které je třeba zvážit při používání proměnných vázaných na požadavek:

• Vyberte správný přístup: Zvolte přístup, který nejlépe vyhovuje vašim potřebám, s ohledem na faktory jako verze Node.js, požadavky na výkon a složitost. Obecně je `AsyncLocalStorage` nyní doporučeným řešením pro moderní aplikace v Node.js.
• Používejte konzistentní konvenci pojmenování: Používejte konzistentní konvenci pro pojmenování vašich proměnných vázaných na požadavek, abyste zlepšili čitelnost a udržovatelnost kódu. Například všechny proměnné vázané na požadavek prefixujte `req_`.
• Dokumentujte svůj kontext: Jasně dokumentujte účel každé proměnné vázané na požadavek a jak je v aplikaci používána.
• Vyhněte se přímému ukládání citlivých dat: Zvažte šifrování nebo maskování citlivých dat před jejich uložením do kontextu požadavku. Vyhněte se přímému ukládání tajemství, jako jsou hesla.
• Vyčistěte kontext: V některých případech může být nutné vyčistit kontext po zpracování požadavku, aby se předešlo únikům paměti nebo jiným problémům. S `AsyncLocalStorage` se kontext automaticky vyčistí po dokončení zpětné vazby `run`, ale u jiných přístupů, jako je `cls-hooked`, může být nutné explicitně vyčistit jmenný prostor.
• Buďte si vědomi výkonu: Mějte na paměti dopady na výkon při používání proměnných vázaných na požadavek, zejména u přístupů jako `cls-hooked`, které se spoléhají na monkey-patching. Důkladně testujte svou aplikaci, abyste identifikovali a odstranili jakékoli výkonnostní úzké hrdlo.
• Používejte TypeScript pro typovou bezpečnost: Pokud používáte TypeScript, využijte ho k definování struktury vašeho kontextu požadavku a zajištění typové bezpečnosti při přístupu k proměnným kontextu. Tím se snižuje počet chyb a zlepšuje udržovatelnost.
• Zvažte použití logovací knihovny: Integrujte své proměnné vázané na požadavek s logovací knihovnou, aby se do vašich logovacích zpráv automaticky zahrnuly informace o kontextu. To usnadňuje sledování požadavků a ladění problémů. Populární logovací knihovny jako Winston a Morgan podporují šíření kontextu.
• Používejte korelační ID pro distribuované trasování: Při práci s mikroslužbami nebo distribuovanými systémy používejte korelační ID ke sledování požadavků napříč více službami. Korelační ID lze uložit do kontextu požadavku a šířit do dalších služeb pomocí HTTP hlaviček nebo jiných mechanismů.

Příklady z reálného světa

Podívejme se na několik reálných příkladů, jak lze proměnné vázané na požadavek použít v různých scénářích:

• E-commerce aplikace: V e-commerce aplikaci můžete použít proměnné vázané na požadavek k uložení informací o nákupním košíku uživatele, jako jsou položky v košíku, doručovací adresa a platební metoda. K těmto informacím mohou přistupovat různé části aplikace, jako je katalog produktů, proces pokladny a systém zpracování objednávek.
• Finanční aplikace: Ve finanční aplikaci můžete použít proměnné vázané na požadavek k uložení informací o účtu uživatele, jako je zůstatek na účtu, historie transakcí a investiční portfolio. K těmto informacím mohou přistupovat různé části aplikace, jako je systém správy účtů, obchodní platforma a reportingový systém.
• Zdravotnická aplikace: Ve zdravotnické aplikaci můžete použít proměnné vázané na požadavek k uložení informací o pacientovi, jako je jeho lékařská historie, aktuální léky a alergie. K těmto informacím mohou přistupovat různé části aplikace, jako je systém elektronických zdravotních záznamů (EHR), systém předepisování léků a diagnostický systém.
• Globální systém pro správu obsahu (CMS): CMS, který zpracovává obsah ve více jazycích, může ukládat preferovaný jazyk uživatele do proměnných vázaných na požadavek. To umožňuje aplikaci automaticky servírovat obsah ve správném jazyce po celou dobu sezení uživatele. Tím je zajištěn lokalizovaný zážitek s respektováním jazykových preferencí uživatele.
• Multi-tenantní SaaS aplikace: V aplikaci typu Software-as-a-Service (SaaS), která obsluhuje více nájemců (tenantů), může být ID nájemce uloženo v proměnných vázaných na požadavek. To umožňuje aplikaci izolovat data a zdroje pro každého nájemce, což zajišťuje soukromí a bezpečnost dat. To je zásadní pro udržení integrity multi-tenantní architektury.

Závěr

Proměnné vázané na požadavek jsou cenným nástrojem pro správu stavu a závislostí v asynchronních aplikacích v JavaScriptu. Poskytnutím mechanismu pro izolaci dat mezi souběžnými požadavky pomáhají zajistit integritu dat, zlepšují udržovatelnost kódu a zjednodušují ladění. Ačkoli je manuální šíření kontextu možné, moderní řešení jako `AsyncLocalStorage` v Node.js poskytují robustnější a efektivnější způsob, jak zvládat asynchronní kontext. Pečlivý výběr správného přístupu, dodržování doporučených postupů a integrace proměnných vázaných na požadavek s logovacími a trasovacími nástroji může výrazně zlepšit kvalitu a spolehlivost vašeho asynchronního JavaScriptového kódu. Asynchronní kontexty se mohou stát obzvláště užitečnými v architekturách mikroslužeb.

Jak se ekosystém JavaScriptu neustále vyvíjí, je pro vytváření škálovatelných, udržitelných a robustních aplikací klíčové držet krok s nejnovějšími technikami pro správu asynchronního kontextu. `AsyncLocalStorage` nabízí čisté a výkonné řešení pro proměnné vázané na požadavek a jeho přijetí je pro nové projekty vysoce doporučeno. Pochopení kompromisů různých přístupů, včetně starších řešení jako `cls-hooked`, je však důležité pro údržbu a migraci stávajících kódových bází. Osvojte si tyto techniky, abyste zkrotili složitosti asynchronního programování a vytvářeli spolehlivější a efektivnější JavaScriptové aplikace pro globální publikum.