JavaScript Async-Kontext-Propagation: Request-Tracing und Continuation mit AsyncLocalStorage

In der modernen serverseitigen JavaScript-Entwicklung, insbesondere mit Node.js, sind asynchrone Operationen allgegenwärtig. Die Verwaltung von Zustand und Kontext über diese asynchronen Grenzen hinweg kann eine Herausforderung sein. Dieser Blogbeitrag untersucht das Konzept der asynchronen Kontext-Propagation und konzentriert sich darauf, wie AsyncLocalStorage verwendet werden kann, um Request-Tracing und Continuation effektiv zu realisieren. Wir werden die Vorteile, Einschränkungen und realen Anwendungen untersuchen und praktische Beispiele zur Veranschaulichung der Verwendung bereitstellen.

Verständnis der asynchronen Kontext-Propagation

Asynchrone Kontext-Propagation bezeichnet die Fähigkeit, Kontextinformationen (z. B. Request-IDs, Benutzerauthentifizierungsdetails, Korrelations-IDs) über asynchrone Operationen hinweg beizubehalten und weiterzugeben. Ohne eine ordnungsgemäße Kontext-Propagation wird es schwierig, Anfragen zu verfolgen, Protokolle zu korrelieren und Leistungsprobleme in verteilten Systemen zu diagnostizieren.

Traditionelle Ansätze zur Verwaltung von Kontext basieren oft darauf, Kontextobjekte explizit durch Funktionsaufrufe zu übergeben, was zu ausführlichem und fehleranfälligem Code führen kann. AsyncLocalStorage bietet eine elegantere Lösung, indem es eine Möglichkeit bereitstellt, Kontextdaten innerhalb eines einzigen Ausführungskontexts zu speichern und abzurufen, selbst über asynchrone Operationen hinweg.

Einführung in AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage ist ein integriertes Node.js-Modul (verfügbar seit Node.js v14.5.0), das eine Möglichkeit bietet, Daten zu speichern, die lokal für die Lebensdauer einer asynchronen Operation sind. Es schafft im Wesentlichen einen Speicherplatz, der über await-Aufrufe, Promises und andere asynchrone Grenzen hinweg erhalten bleibt. Dies ermöglicht Entwicklern, auf Kontextdaten zuzugreifen und diese zu ändern, ohne sie explizit weitergeben zu müssen.

Wichtige Merkmale von AsyncLocalStorage:

• Automatische Kontext-Propagation: Werte, die in AsyncLocalStorage gespeichert werden, werden automatisch über asynchrone Operationen innerhalb desselben Ausführungskontexts weitergegeben.
• Vereinfachter Code: Reduziert die Notwendigkeit, Kontextobjekte explizit durch Funktionsaufrufe zu übergeben.
• Verbesserte Beobachtbarkeit: Erleichtert das Request-Tracing und die Korrelation von Protokollen und Metriken.
• Thread-Sicherheit: Bietet thread-sicheren Zugriff auf Kontextdaten innerhalb des aktuellen Ausführungskontexts.

Anwendungsfälle für AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage ist in verschiedenen Szenarien wertvoll, darunter:

• Request-Tracing: Zuweisen einer eindeutigen ID zu jeder eingehenden Anfrage und Weitergabe dieser ID über den gesamten Lebenszyklus der Anfrage zu Tracing-Zwecken.
• Authentifizierung und Autorisierung: Speichern von Benutzerauthentifizierungsdetails (z. B. Benutzer-ID, Rollen, Berechtigungen) für den Zugriff auf geschützte Ressourcen.
• Protokollierung und Auditing: Anhängen von anfragespezifischen Metadaten an Protokollnachrichten zur besseren Fehlersuche und Überprüfung.
• Leistungsüberwachung: Verfolgen der Ausführungszeit verschiedener Komponenten innerhalb einer Anfrage zur Leistungsanalyse.
• Transaktionsmanagement: Verwalten des Transaktionszustands über mehrere asynchrone Operationen hinweg (z. B. Datenbanktransaktionen).

Praktisches Beispiel: Request-Tracing mit AsyncLocalStorage

Lassen Sie uns veranschaulichen, wie man AsyncLocalStorage für das Request-Tracing in einer einfachen Node.js-Anwendung verwendet. Wir erstellen eine Middleware, die jeder eingehenden Anfrage eine eindeutige ID zuweist und diese während des gesamten Lebenszyklus der Anfrage verfügbar macht.

Code-Beispiel

Installieren Sie zuerst die notwendigen Pakete (falls erforderlich):

            npm install uuid express
            

              
                Copy
              
            
          

Hier ist der Code:

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

const app = express();
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();
const port = 3000;

// Middleware to assign a request ID and store it in AsyncLocalStorage
app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    next();
  });
});

// Simulate an asynchronous operation
async function doSomethingAsync() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
      console.log(`[Async] Request ID: ${requestId}`);
      resolve();
    }, 50);
  });
}

// Route handler
app.get('/', async (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  console.log(`[Route] Request ID: ${requestId}`);
  await doSomethingAsync();
  res.send(`Hello World! Request ID: ${requestId}`);
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`App listening at http://localhost:${port}`);
});

            

              
                Copy
              
            
          

In diesem Beispiel:

1. Wir erstellen eine AsyncLocalStorage-Instanz.
2. Wir definieren eine Middleware, die jeder eingehenden Anfrage mit der uuid-Bibliothek eine eindeutige ID zuweist.
3. Wir verwenden asyncLocalStorage.run(), um den Request-Handler im Kontext des AsyncLocalStorage auszuführen. Dadurch wird sichergestellt, dass alle im AsyncLocalStorage gespeicherten Werte während des gesamten Lebenszyklus der Anfrage verfügbar sind.
4. Innerhalb der Middleware speichern wir die Request-ID im AsyncLocalStorage mit asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId).
5. Wir definieren eine asynchrone Funktion doSomethingAsync(), die eine asynchrone Operation simuliert und die Request-ID aus dem AsyncLocalStorage abruft.
6. Im Route-Handler rufen wir die Request-ID aus dem AsyncLocalStorage ab und fügen sie in die Antwort ein.

Wenn Sie diese Anwendung ausführen und eine Anfrage an http://localhost:3000 senden, sehen Sie die Request-ID sowohl im Route-Handler als auch in der asynchronen Funktion protokolliert, was zeigt, dass der Kontext ordnungsgemäß weitergegeben wird.

Erläuterung

• AsyncLocalStorage-Instanz: Wir erstellen eine Instanz von AsyncLocalStorage, die unsere Kontextdaten enthalten wird.
• Middleware: Die Middleware fängt jede eingehende Anfrage ab. Sie generiert eine UUID und verwendet dann asyncLocalStorage.run, um den Rest der Request-Handling-Pipeline *innerhalb* des Kontexts dieses Speichers auszuführen. Das ist entscheidend; es stellt sicher, dass alles nachgelagerte Zugriff auf die gespeicherten Daten hat.
• asyncLocalStorage.run(new Map(), ...): Diese Methode akzeptiert zwei Argumente: eine neue, leere Map (Sie können auch andere Datenstrukturen verwenden, wenn sie für Ihren Kontext geeignet sind) und eine Callback-Funktion. Die Callback-Funktion enthält den Code, der innerhalb des asynchronen Kontexts ausgeführt werden soll. Alle asynchronen Operationen, die innerhalb dieses Callbacks initiiert werden, erben automatisch die in der Map gespeicherten Daten.
• asyncLocalStorage.getStore(): Dies gibt die Map zurück, die an asyncLocalStorage.run übergeben wurde. Wir verwenden sie, um die Request-ID zu speichern und abzurufen. Wenn run nicht aufgerufen wurde, gibt dies undefined zurück, weshalb es wichtig ist, run innerhalb der Middleware aufzurufen.
• Asynchrone Funktion: Die Funktion doSomethingAsync simuliert eine asynchrone Operation. Entscheidend ist, dass sie, obwohl sie asynchron ist (mit setTimeout), immer noch Zugriff auf die Request-ID hat, da sie innerhalb des von asyncLocalStorage.run eingerichteten Kontexts ausgeführt wird.

Fortgeschrittene Nutzung: Kombination mit Logging-Bibliotheken

Die Integration von AsyncLocalStorage mit Logging-Bibliotheken (wie Winston oder Pino) kann die Beobachtbarkeit Ihrer Anwendungen erheblich verbessern. Indem Sie Kontextdaten (z. B. Request-ID, Benutzer-ID) in Protokollnachrichten einfügen, können Sie Protokolle einfach korrelieren und Anfragen über verschiedene Komponenten hinweg verfolgen.

Beispiel mit Winston

            // logger.js
const winston = require('winston');
const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

const logger = winston.createLogger({
  level: 'info',
  format: winston.format.combine(
    winston.format.timestamp(),
    winston.format.printf(({ timestamp, level, message }) => {
      const requestId = asyncLocalStorage.getStore() ? asyncLocalStorage.getStore().get('requestId') : 'N/A';
      return `${timestamp} [${level}] [${requestId}] ${message}`;
    })
  ),
  transports: [
    new winston.transports.Console()
  ]
});

module.exports = {
  logger,
  asyncLocalStorage
};

            

              
                Copy
              
            
          

            // app.js (modified)
const express = require('express');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');
const { logger, asyncLocalStorage } = require('./logger');

const app = express();
const port = 3000;

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    logger.info(`Incoming request: ${req.url}`); // Log the incoming request
    next();
  });
});

async function doSomethingAsync() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      logger.info('Doing something async...');
      resolve();
    }, 50);
  });
}

app.get('/', async (req, res) => {
  logger.info('Handling request...');
  await doSomethingAsync();
  res.send('Hello World!');
});

app.listen(port, () => {
  logger.info(`App listening at http://localhost:${port}`);
});

            

              
                Copy
              
            
          

In diesem Beispiel:

• Wir erstellen eine Winston-Logger-Instanz und konfigurieren sie so, dass die Request-ID aus dem AsyncLocalStorage in jede Protokollnachricht aufgenommen wird. Der entscheidende Teil ist winston.format.printf, das die Request-ID (falls verfügbar) aus dem AsyncLocalStorage abruft. Wir prüfen, ob asyncLocalStorage.getStore() existiert, um Fehler beim Protokollieren außerhalb eines Anfragekontexts zu vermeiden.
• Wir aktualisieren die Middleware, um die URL der eingehenden Anfrage zu protokollieren.
• Wir aktualisieren den Route-Handler und die asynchrone Funktion, um Nachrichten mit dem konfigurierten Logger zu protokollieren.

Jetzt enthalten alle Protokollnachrichten die Request-ID, was es einfacher macht, Anfragen zu verfolgen und Protokolle zu korrelieren.

Alternative Ansätze: cls-hooked und Async Hooks

Bevor AsyncLocalStorage verfügbar wurde, wurden Bibliotheken wie cls-hooked häufig für die asynchrone Kontext-Propagation verwendet. cls-hooked verwendet Async Hooks (eine untergeordnetere Node.js-API), um eine ähnliche Funktionalität zu erreichen. Obwohl cls-hooked immer noch weit verbreitet ist, wird AsyncLocalStorage aufgrund seiner integrierten Natur und verbesserten Leistung im Allgemeinen bevorzugt.

Async Hooks (async_hooks)

Async Hooks bieten eine untergeordnetere API zur Verfolgung des Lebenszyklus asynchroner Operationen. Obwohl AsyncLocalStorage auf Async Hooks aufbaut, ist die direkte Verwendung von Async Hooks oft komplexer und weniger performant. Async Hooks eignen sich eher für sehr spezifische, fortgeschrittene Anwendungsfälle, bei denen eine feingranulare Kontrolle über den asynchronen Lebenszyklus erforderlich ist. Vermeiden Sie die direkte Verwendung von Async Hooks, es sei denn, es ist absolut notwendig.

Warum AsyncLocalStorage gegenüber cls-hooked bevorzugen?

• Integriert: AsyncLocalStorage ist Teil des Node.js-Kerns, wodurch die Notwendigkeit externer Abhängigkeiten entfällt.
• Leistung: AsyncLocalStorage ist aufgrund seiner optimierten Implementierung im Allgemeinen performanter als cls-hooked.
• Wartung: Als integriertes Modul wird AsyncLocalStorage aktiv vom Node.js-Kernteam gepflegt.

Überlegungen und Einschränkungen

Obwohl AsyncLocalStorage ein leistungsstarkes Werkzeug ist, ist es wichtig, sich seiner Einschränkungen bewusst zu sein:

• Kontextgrenzen: AsyncLocalStorage propagiert den Kontext nur innerhalb desselben Ausführungskontexts. Wenn Sie Daten zwischen verschiedenen Prozessen oder Servern übergeben (z. B. über Nachrichtenwarteschlangen oder gRPC), müssen Sie die Kontextdaten immer noch explizit serialisieren und deserialisieren.
• Speicherlecks: Eine unsachgemäße Verwendung von AsyncLocalStorage kann potenziell zu Speicherlecks führen, wenn die Kontextdaten nicht ordnungsgemäß bereinigt werden. Stellen Sie sicher, dass Sie asyncLocalStorage.run() korrekt verwenden und vermeiden Sie es, große Datenmengen im AsyncLocalStorage zu speichern.
• Komplexität: Obwohl AsyncLocalStorage die Kontext-Propagation vereinfacht, kann es bei unachtsamer Verwendung auch die Komplexität Ihres Codes erhöhen. Stellen Sie sicher, dass Ihr Team versteht, wie es funktioniert, und die besten Praktiken befolgt.
• Kein Ersatz für globale Variablen: AsyncLocalStorage ist *kein* Ersatz für globale Variablen. Es wurde speziell für die Weitergabe von Kontext innerhalb einer einzelnen Anfrage oder Transaktion entwickelt. Eine übermäßige Nutzung kann zu eng gekoppeltem Code führen und das Testen erschweren.

Best Practices für die Verwendung von AsyncLocalStorage

Um AsyncLocalStorage effektiv zu nutzen, beachten Sie die folgenden Best Practices:

• Verwenden Sie Middleware: Nutzen Sie Middleware, um den AsyncLocalStorage zu initialisieren und Kontextdaten zu Beginn jeder Anfrage zu speichern.
• Speichern Sie minimale Daten: Speichern Sie nur wesentliche Kontextdaten im AsyncLocalStorage, um den Speicheraufwand zu minimieren. Vermeiden Sie das Speichern großer Objekte oder sensibler Informationen.
• Vermeiden Sie direkten Zugriff: Kapseln Sie den Zugriff auf den AsyncLocalStorage hinter wohldefinierten APIs, um enge Kopplung zu vermeiden und die Wartbarkeit des Codes zu verbessern. Erstellen Sie Hilfsfunktionen oder Klassen zur Verwaltung von Kontextdaten.
• Berücksichtigen Sie die Fehlerbehandlung: Implementieren Sie eine Fehlerbehandlung, um Fälle, in denen der AsyncLocalStorage nicht ordnungsgemäß initialisiert ist, elegant zu behandeln.
• Testen Sie gründlich: Schreiben Sie Unit- und Integrationstests, um sicherzustellen, dass die Kontext-Propagation wie erwartet funktioniert.
• Dokumentieren Sie die Verwendung: Dokumentieren Sie klar, wie AsyncLocalStorage in Ihrer Anwendung verwendet wird, um anderen Entwicklern das Verständnis des Kontext-Propagationsmechanismus zu erleichtern.

Integration mit OpenTelemetry

OpenTelemetry ist ein Open-Source-Framework für Beobachtbarkeit, das APIs, SDKs und Werkzeuge zum Sammeln und Exportieren von Telemetriedaten (z. B. Traces, Metriken, Protokolle) bereitstellt. AsyncLocalStorage kann nahtlos in OpenTelemetry integriert werden, um den Trace-Kontext automatisch über asynchrone Operationen hinweg weiterzugeben.

OpenTelemetry stützt sich stark auf die Kontext-Propagation, um Traces über verschiedene Dienste hinweg zu korrelieren. Durch die Verwendung von AsyncLocalStorage können Sie sicherstellen, dass der Trace-Kontext innerhalb Ihrer Node.js-Anwendung ordnungsgemäß weitergegeben wird, was den Aufbau eines umfassenden verteilten Tracing-Systems ermöglicht.

Viele OpenTelemetry-SDKs verwenden automatisch AsyncLocalStorage (oder cls-hooked, falls AsyncLocalStorage nicht verfügbar ist) für die Kontext-Propagation. Überprüfen Sie die Dokumentation Ihres gewählten OpenTelemetry-SDKs für spezifische Details.

Fazit

AsyncLocalStorage ist ein wertvolles Werkzeug zur Verwaltung der asynchronen Kontext-Propagation in serverseitigen JavaScript-Anwendungen. Durch seine Verwendung für Request-Tracing, Authentifizierung, Protokollierung und andere Anwendungsfälle können Sie robustere, beobachtbarere und wartbarere Anwendungen erstellen. Obwohl Alternativen wie cls-hooked und Async Hooks existieren, ist AsyncLocalStorage aufgrund seiner integrierten Natur, Leistung und Benutzerfreundlichkeit im Allgemeinen die bevorzugte Wahl. Denken Sie daran, Best Practices zu befolgen und sich seiner Einschränkungen bewusst zu sein, um seine Fähigkeiten effektiv zu nutzen. Die Fähigkeit, Anfragen zu verfolgen und Ereignisse über asynchrone Operationen hinweg zu korrelieren, ist entscheidend für den Aufbau skalierbarer und zuverlässiger Systeme, insbesondere in Microservices-Architekturen und komplexen verteilten Umgebungen. Die Verwendung von AsyncLocalStorage hilft, dieses Ziel zu erreichen, was letztendlich zu besserer Fehlersuche, Leistungsüberwachung und allgemeiner Anwendungsgesundheit führt.