JavaScript Async Context: Verwaltung von anfragebezogenen Variablen

Asynchrone Programmierung ist ein Eckpfeiler der modernen JavaScript-Entwicklung, insbesondere in Umgebungen wie Node.js, wo nicht-blockierende E/A für die Leistung entscheidend ist. Die Verwaltung des Kontexts über asynchrone Operationen hinweg kann jedoch eine Herausforderung darstellen. Hier kommt JavaScripts asynchroner Kontext, insbesondere AsyncLocalStorage, ins Spiel.

Was ist Async Context?

Async Context bezeichnet die Fähigkeit, Daten mit einer asynchronen Operation zu verknüpfen, die über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg bestehen bleiben. Dies ist unerlässlich für Szenarien, in denen Sie anfragebezogene Informationen (z. B. Benutzer-ID, Anfrage-ID, Tracing-Informationen) über mehrere asynchrone Aufrufe hinweg aufrechterhalten müssen. Ohne eine ordnungsgemäße Kontextverwaltung können Debugging, Logging und Sicherheit erheblich erschwert werden.

Die Herausforderung der Kontextverwaltung in asynchronen Operationen

Herkömmliche Ansätze zur Kontextverwaltung, wie das explizite Übergeben von Variablen durch Funktionsaufrufe, können mit zunehmender Komplexität des asynchronen Codes umständlich und fehleranfällig werden. Callback-Hell und Promise-Ketten können den Kontextfluss verschleiern, was zu Wartungsproblemen und potenziellen Sicherheitslücken führen kann. Betrachten Sie dieses vereinfachte Beispiel:

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

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

In diesem Beispiel wird die userId wiederholt durch verschachtelte Callbacks weitergegeben. Dieser Ansatz ist nicht nur umständlich, sondern koppelt die Funktionen auch stark aneinander, wodurch sie weniger wiederverwendbar und schwieriger zu testen sind.

Einführung von AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage ist ein integriertes Modul in Node.js, das einen Mechanismus zum Speichern von Daten bereitstellt, die lokal zu einem bestimmten asynchronen Kontext sind. Es ermöglicht Ihnen, Werte zu setzen und abzurufen, die automatisch über asynchrone Grenzen hinweg innerhalb desselben Ausführungskontextes propagiert werden. Dies vereinfacht die Verwaltung von anfragebezogenen Variablen erheblich.

Wie AsyncLocalStorage funktioniert

AsyncLocalStorage funktioniert, indem es einen Speicher-Kontext erstellt, der mit der aktuellen asynchronen Operation verknüpft ist. Wenn eine neue asynchrone Operation initiiert wird (z. B. ein Promise, ein Callback), wird der Speicher-Kontext automatisch an die neue Operation weitergegeben. Dies stellt sicher, dass dieselben Daten über die gesamte Kette asynchroner Aufrufe hinweg zugänglich sind.

Grundlegende Verwendung von AsyncLocalStorage

Hier ist ein grundlegendes Beispiel für die Verwendung von 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');
  // ... fetch data using userId
  return data;
}

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

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... log data using userId
  return;
}

In diesem Beispiel:

• Wir erstellen eine Instanz von AsyncLocalStorage.
• In der Funktion processRequest verwenden wir asyncLocalStorage.run, um eine Funktion im Kontext einer neuen Speicherinstanz (in diesem Fall eine Map) auszuführen.
• Wir setzen die userId im Speicher mit asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• Innerhalb der asynchronen Operationen (fetchData, transformData, logData) können wir die userId mit asyncLocalStorage.getStore().get('userId') abrufen.

Anwendungsfälle für AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage ist in den folgenden Szenarien besonders nützlich:

1. Anfrageverfolgung (Request Tracing)

In verteilten Systemen ist die Verfolgung von Anfragen über mehrere Dienste hinweg entscheidend für die Leistungsüberwachung und die Identifizierung von Engpässen. AsyncLocalStorage kann verwendet werden, um eine eindeutige Anfrage-ID zu speichern, die über Dienstgrenzen hinweg propagiert wird. Dies ermöglicht es Ihnen, Protokolle und Metriken aus verschiedenen Diensten zu korrelieren und so eine umfassende Übersicht über den Verlauf der Anfrage zu erhalten. Stellen Sie sich beispielsweise eine Microservice-Architektur vor, in der eine Benutzeranfrage ein API-Gateway, einen Authentifizierungsdienst und einen Datenverarbeitungsdienst durchläuft. Mit AsyncLocalStorage kann eine eindeutige Anfrage-ID am API-Gateway generiert und automatisch an alle nachfolgenden Dienste, die an der Bearbeitung der Anfrage beteiligt sind, weitergegeben werden.

2. Logging-Kontext

Beim Protokollieren von Ereignissen ist es oft hilfreich, Kontextinformationen wie die Benutzer-ID, Anfrage-ID oder Sitzungs-ID einzuschließen. AsyncLocalStorage kann verwendet werden, um diese Informationen automatisch in Protokollnachrichten aufzunehmen, was die Fehlersuche und Analyse von Problemen erleichtert. Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem Sie die Benutzeraktivität innerhalb Ihrer Anwendung verfolgen müssen. Durch das Speichern der Benutzer-ID in AsyncLocalStorage können Sie diese automatisch in alle Protokollnachrichten aufnehmen, die mit der Sitzung dieses Benutzers zusammenhängen, und so wertvolle Einblicke in deren Verhalten und potenzielle Probleme gewinnen, auf die sie stoßen könnten.

3. Authentifizierung und Autorisierung

AsyncLocalStorage kann verwendet werden, um Authentifizierungs- und Autorisierungsinformationen, wie die Rollen und Berechtigungen des Benutzers, zu speichern. Dies ermöglicht es Ihnen, Zugriffsrichtlinien in Ihrer gesamten Anwendung durchzusetzen, ohne die Anmeldeinformationen des Benutzers explizit an jede Funktion übergeben zu müssen. Betrachten Sie eine E-Commerce-Anwendung, bei der verschiedene Benutzer unterschiedliche Zugriffsebenen haben (z. B. Administratoren, normale Kunden). Durch das Speichern der Benutzerrollen in AsyncLocalStorage können Sie deren Berechtigungen einfach überprüfen, bevor Sie ihnen bestimmte Aktionen erlauben, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Benutzer auf sensible Daten oder Funktionen zugreifen können.

4. Datenbanktransaktionen

Beim Arbeiten mit Datenbanken ist es oft notwendig, Transaktionen über mehrere asynchrone Operationen hinweg zu verwalten. AsyncLocalStorage kann verwendet werden, um die Datenbankverbindung oder das Transaktionsobjekt zu speichern, wodurch sichergestellt wird, dass alle Operationen innerhalb derselben Anfrage innerhalb derselben Transaktion ausgeführt werden. Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Bestellung aufgibt, müssen Sie möglicherweise mehrere Tabellen aktualisieren (z. B. Bestellungen, Bestellpositionen, Inventar). Durch das Speichern des Datenbanktransaktionsobjekts in AsyncLocalStorage können Sie sicherstellen, dass all diese Aktualisierungen innerhalb einer einzigen Transaktion durchgeführt werden, was Atomarität und Konsistenz garantiert.

5. Multi-Tenancy

In Multi-Tenant-Anwendungen ist es unerlässlich, Daten und Ressourcen für jeden Tenant zu isolieren. AsyncLocalStorage kann verwendet werden, um die Tenant-ID zu speichern, wodurch Sie Anfragen dynamisch an den entsprechenden Datenspeicher oder die Ressource basierend auf dem aktuellen Tenant weiterleiten können. Stellen Sie sich eine SaaS-Plattform vor, auf der mehrere Organisationen dieselbe Anwendungsinstanz verwenden. Durch das Speichern der Tenant-ID in AsyncLocalStorage können Sie sicherstellen, dass die Daten jeder Organisation getrennt gehalten werden und dass sie nur Zugriff auf ihre eigenen Ressourcen haben.

Best Practices für die Verwendung von AsyncLocalStorage

Obwohl AsyncLocalStorage ein leistungsstarkes Werkzeug ist, ist es wichtig, es umsichtig einzusetzen, um potenzielle Leistungsprobleme zu vermeiden und die Codeklarheit zu erhalten. Hier sind einige Best Practices, die Sie beachten sollten:

1. Minimierung der Datenspeicherung

Speichern Sie nur die Daten, die unbedingt notwendig sind, in AsyncLocalStorage. Das Speichern großer Datenmengen kann die Leistung beeinträchtigen, insbesondere in Umgebungen mit hoher Parallelität. Anstatt beispielsweise das gesamte Benutzerobjekt zu speichern, sollten Sie nur die Benutzer-ID speichern und das Benutzerobjekt bei Bedarf aus einem Cache oder einer Datenbank abrufen.

2. Vermeiden Sie übermäßigen Kontextwechsel

Häufiger Kontextwechsel kann ebenfalls die Leistung beeinträchtigen. Minimieren Sie die Anzahl der Male, die Sie Werte in AsyncLocalStorage setzen und abrufen. Cachen Sie häufig abgerufene Werte lokal innerhalb der Funktion, um den Overhead des Zugriffs auf den Speicherkontext zu reduzieren. Wenn Sie beispielsweise die Benutzer-ID mehrmals innerhalb einer Funktion benötigen, rufen Sie sie einmal aus AsyncLocalStorage ab und speichern Sie sie in einer lokalen Variable für die spätere Verwendung.

3. Verwenden Sie klare und konsistente Namenskonventionen

Verwenden Sie klare und konsistente Namenskonventionen für die Schlüssel, die Sie in AsyncLocalStorage speichern. Dies verbessert die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Codes. Verwenden Sie beispielsweise ein konsistentes Präfix für alle Schlüssel, die mit einem bestimmten Feature oder einer Domäne zusammenhängen, wie request.id oder user.id.

4. Aufräumen nach Gebrauch

Obwohl AsyncLocalStorage den Speicher-Kontext automatisch bereinigt, wenn die asynchrone Operation abgeschlossen ist, ist es eine gute Praxis, den Speicher-Kontext explizit zu löschen, wenn er nicht mehr benötigt wird. Dies kann helfen, Speicherlecks zu verhindern und die Leistung zu verbessern. Dies erreichen Sie, indem Sie die exit-Methode verwenden, um den Kontext explizit zu löschen.

5. Berücksichtigen Sie Leistungsimplikationen

Seien Sie sich der Leistungsimplikationen der Verwendung von AsyncLocalStorage bewusst, insbesondere in Umgebungen mit hoher Parallelität. Benchmarking Sie Ihren Code, um sicherzustellen, dass er Ihre Leistungsanforderungen erfüllt. Profilen Sie Ihre Anwendung, um potenzielle Engpässe im Zusammenhang mit der Kontextverwaltung zu identifizieren. Ziehen Sie alternative Ansätze, wie die explizite Kontextübergabe, in Betracht, falls AsyncLocalStorage einen inakzeptablen Leistungs-Overhead mit sich bringt.

6. Vorsichtige Verwendung in Bibliotheken

Vermeiden Sie die direkte Verwendung von AsyncLocalStorage in Bibliotheken, die für den allgemeinen Gebrauch bestimmt sind. Bibliotheken sollten keine Annahmen über den Kontext treffen, in dem sie verwendet werden. Bieten Sie stattdessen Optionen für Benutzer an, um Kontextinformationen explizit zu übergeben. Dies ermöglicht es Benutzern, die Kontextverwaltung in ihren Anwendungen zu steuern und potenzielle Konflikte oder unerwartetes Verhalten zu vermeiden.

Alternativen zu AsyncLocalStorage

Obwohl AsyncLocalStorage ein bequemes und leistungsstarkes Werkzeug ist, ist es nicht immer die beste Lösung für jedes Szenario. Hier sind einige Alternativen, die Sie in Betracht ziehen sollten:

1. Explizite Kontextübergabe

Der einfachste Ansatz besteht darin, Kontextinformationen explizit als Argumente an Funktionen zu übergeben. Dieser Ansatz ist unkompliziert und leicht verständlich, kann jedoch mit zunehmender Komplexität des Codes umständlich werden. Die explizite Kontextübergabe eignet sich für einfache Szenarien, in denen der Kontext relativ klein und der Code nicht tief verschachtelt ist. Bei komplexeren Szenarien kann dies jedoch zu schwer lesbarem und wartbarem Code führen.

2. Kontextobjekte

Anstatt einzelne Variablen zu übergeben, können Sie ein Kontextobjekt erstellen, das alle Kontextinformationen kapselt. Dies kann die Funktionssignaturen vereinfachen und den Code lesbarer machen. Kontextobjekte sind ein guter Kompromiss zwischen expliziter Kontextübergabe und AsyncLocalStorage. Sie bieten eine Möglichkeit, verwandte Kontextinformationen zu gruppieren, was den Code organisierter und leichter verständlich macht. Sie erfordern jedoch immer noch die explizite Übergabe des Kontextobjekts an jede Funktion.

3. Async Hooks (für Diagnosen)

Das async_hooks-Modul von Node.js bietet einen allgemeineren Mechanismus zur Verfolgung asynchroner Operationen. Obwohl es komplexer zu verwenden ist als AsyncLocalStorage, bietet es größere Flexibilität und Kontrolle. async_hooks ist primär für Diagnose- und Debugging-Zwecke vorgesehen. Es ermöglicht Ihnen, den Lebenszyklus asynchroner Operationen zu verfolgen und Informationen über deren Ausführung zu sammeln. Es wird jedoch nicht für die allgemeine Kontextverwaltung empfohlen, da es potenzielle Leistungseinbußen mit sich bringen kann.

4. Diagnostischer Kontext (OpenTelemetry)

OpenTelemetry bietet eine standardisierte API zum Sammeln und Exportieren von Telemetriedaten, einschließlich Traces, Metriken und Logs. Seine diagnostischen Kontextfunktionen bieten eine fortschrittliche und robuste Lösung für die Verwaltung der Kontextpropagation in verteilten Systemen. Die Integration mit OpenTelemetry bietet eine herstellerneutrale Möglichkeit, die Kontextkonsistenz über verschiedene Dienste und Plattformen hinweg zu gewährleisten. Dies ist besonders nützlich in komplexen Microservice-Architekturen, wo der Kontext über Dienstgrenzen hinweg propagiert werden muss.

Praxisbeispiele

Lassen Sie uns einige Praxisbeispiele untersuchen, wie AsyncLocalStorage in verschiedenen Szenarien verwendet werden kann.

1. E-Commerce-Anwendung: Anfrageverfolgung

In einer E-Commerce-Anwendung können Sie AsyncLocalStorage verwenden, um Benutzeranfragen über mehrere Dienste hinweg zu verfolgen, wie z. B. den Produktkatalog, den Warenkorb und das Zahlungsgateway. Dies ermöglicht es Ihnen, die Leistung jedes Dienstes zu überwachen und Engpässe zu identifizieren, die das Benutzererlebnis beeinträchtigen könnten.

// In the 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();
  });
});

// In the product catalog service
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Log the request ID along with other details
  logger.info(`[${requestId}] Fetching product details for product ID: ${productId}`);
  // ... fetch product details
}

2. SaaS-Plattform: Multi-Tenancy

Auf einer SaaS-Plattform können Sie AsyncLocalStorage verwenden, um die Tenant-ID zu speichern und Anfragen dynamisch an den entsprechenden Datenspeicher oder die Ressource basierend auf dem aktuellen Tenant weiterzuleiten. Dies stellt sicher, dass die Daten jedes Tenants getrennt gehalten werden und dass sie nur Zugriff auf ihre eigenen Ressourcen haben.

// Middleware to extract tenant ID from the request
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Function to fetch data for a specific tenant
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Microservices-Architektur: Logging-Kontext

In einer Microservices-Architektur können Sie AsyncLocalStorage verwenden, um die Benutzer-ID zu speichern und sie automatisch in Protokollnachrichten von verschiedenen Diensten aufzunehmen. Dies erleichtert die Fehlersuche und Analyse von Problemen, die einen bestimmten Benutzer betreffen könnten.

// In the authentication service
app.use((req, res, next) => {
  const userId = req.user.id;
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    next();
  });
});

// In the data processing service
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[User ID: ${userId}] Processing data: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... process data
}

Fazit

AsyncLocalStorage ist ein wertvolles Werkzeug zur Verwaltung von anfragebezogenen Variablen in asynchronen JavaScript-Umgebungen. Es vereinfacht die Kontextverwaltung über asynchrone Operationen hinweg und macht den Code lesbarer, wartbarer und sicherer. Indem Sie seine Anwendungsfälle, Best Practices und Alternativen verstehen, können Sie AsyncLocalStorage effektiv nutzen, um robuste und skalierbare Anwendungen zu erstellen. Es ist jedoch entscheidend, seine Leistungsimplikationen sorgfältig zu berücksichtigen und es umsichtig einzusetzen, um potenzielle Probleme zu vermeiden. Setzen Sie AsyncLocalStorage bedacht ein, um Ihre asynchronen JavaScript-Entwicklungspraktiken zu verbessern.

Durch die Einbeziehung klarer Beispiele, praktischer Ratschläge und einer umfassenden Übersicht soll dieser Leitfaden Entwicklern weltweit das Wissen vermitteln, wie sie den asynchronen Kontext mit AsyncLocalStorage in ihren JavaScript-Anwendungen effektiv verwalten können. Denken Sie daran, die Leistungsimplikationen und Alternativen zu berücksichtigen, um die beste Lösung für Ihre spezifischen Anforderungen zu gewährleisten.