JavaScripti asünkroonne kontekst ja lõimeohutus: põhjalik ülevaade konteksti isoleerimise haldamisest

Kaasaegse tarkvaraarenduse maailmas, eriti serveripoolsetes rakendustes, on oleku haldamine põhiline väljakutse. Multi-keermestatud päringumudeliga keelte puhul pakub lõimepõhine salvestusruum tavapärase lahenduse andmete isoleerimiseks lõimepõhiselt, päringupõhiselt. Aga mis juhtub ühelõimelises, sündmustepõhises keskkonnas nagu Node.js? Kuidas me saame turvaliselt hallata päringuspetsiifilist konteksti – nagu tehingu ID, kasutaja seanss või lokaliseerimisseaded – läbi keerulise asünkroonsete toimingute ahela, ilma et see lekiks teistesse samaaegsetesse päringutesse?

See on asünkroonse konteksti haldamise põhiprobleem. Selle lahendamata jätmine toob kaasa räpase koodi, tiheda sidumise ja halvimal juhul katastroofilised vead, kus ühe kasutaja päringu andmed saastavad teiste päringuid. See on küsimus "lõimeohutuse" saavutamisest maailmas, kus puuduvad traditsioonilised lõimed.

See põhjalik juhend uurib selle probleemi arengut JavaScripti ökosüsteemis, alates valusatest käsitsi tehtud lahendustest kuni Node.js-s `AsyncLocalStorage` API poolt pakutava kaasaegse, usaldusväärse lahenduseni. Me uurime, kuidas see toimib, miks see on hädavajalik skaleeritavate ja jälgitavate süsteemide loomiseks ning kuidas seda oma rakendustes tõhusalt rakendada.

Väljakutse: kaduv kontekst asünkroonses JavaScriptis

Lahendust tõeliselt hinnata, peame esmalt probleemi sügavalt mõistma. JavaScripti täitmismudel põhineb ühel lõimel ja sündmuste tsüklil. Kui algatatakse asünkroonne toiming (nagu andmebaasi päring, HTTP-kõne või `setTimeout`), delegeeritakse see eraldi süsteemile (nagu OS-i tuum või lõimebassein). JavaScripti lõim võib vabalt jätkata muu koodi täitmist. Kui asünkroonne toiming lõpeb, paigutatakse tagasikutsumise funktsioon järjekorda ja sündmuste tsükkel täidab selle pärast kõnekuhi tühjenemist.

See mudel on uskumatult tõhus I/O-ga seotud töökoormuste jaoks, kuid see tekitab olulise väljakutse: täitmiskontekst kaob asünkroonse toimingu algatamise ja selle tagasikutsumise täitmise vahel. Tagasikutsumine käivitub uue sündmuste tsüklina, mis on eraldatud kõnekehast, mis selle käivitas.

Illustreerime seda levinud veebiserveri stsenaariumiga. Kujutage ette, et soovime logida unikaalset `requestID` iga tegevusega, mis on sooritatud päringu elutsükli jooksul.

Naive lähenemine (ja miks see ebaõnnestub)

Node.js-iga tutvuv arendaja võib proovida kasutada globaalset muutujat:

            
let globalRequestID = null;

// Simuleeritud andmebaasi kõne
function getUserFromDB(userId) {
  console.log(`[${globalRequestID}] Kasutaja ${userId} hankimine`);
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ id: userId, name: 'Jane Doe' }), 100));
}

// Simuleeritud väliste teenuste kõne
async function getPermissions(user) {
  console.log(`[${globalRequestID}] Õiguste hankimine kasutajale ${user.name}`);
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 150));
  console.log(`[${globalRequestID}] Õigused on saadud`);
  return { canEdit: true };
}

// Meie peamine päringukäitleja loogika
async function handleRequest(requestID) {
  globalRequestID = requestID;
  console.log(`[${globalRequestID}] Päringu töötlemise alustamine`);
  const user = await getUserFromDB(123);
  const permissions = await getPermissions(user);
  console.log(`[${globalRequestID}] Päring lõpetati edukalt`);
}

// Simuleerime kahte samaaegset päringut, mis saabuvad peaaegu samal ajal
console.log("Samaaegsete päringute simuleerimine...");
handleRequest('req-A');
handleRequest('req-B');

            

              
                Copy
              
            
          

Kui te seda koodi käivitate, on väljund rikutud segadus:

            
Samaaegsete päringute simuleerimine...
[req-A] Päringu töötlemise alustamine
[req-A] Kasutaja 123 hankimine
[req-B] Päringu töötlemise alustamine
[req-B] Kasutaja 123 hankimine
[req-B] Õiguste hankimine kasutajale Jane Doe
[req-B] Õiguste hankimine kasutajale Jane Doe
[req-B] Õigused on saadud
[req-B] Päring lõpetati edukalt
[req-B] Õigused on saadud
[req-B] Päring lõpetati edukalt

            

              
                Copy
              
            
          

Märka, kuidas `req-B` kirjutab kohe üle `globalRequestID`. Ajaks, kui `req-A` asünkroonsed toimingud jätkuvad, on globaalne muutuja muutunud ja kõik järgnevad logid on valesti sildistatud `req-B`-ga. See on klassikaline võistlussituatsioon ja suurepärane näide sellest, miks globaalne olek on samaaegses keskkonnas katastroofiline.

Valulik lahendus: propide puurimine

Kõige otsesem ja vaieldamatult kõige tülikam lahendus on kontekstiobjekti edastamine läbi kõigi funktsioonide kõne ahelas. Seda nimetatakse sageli "propide puurimiseks".

            
// kontekst on nüüd sõnaselge parameeter
function getUserFromDB(userId, context) {
  console.log(`[${context.requestID}] Kasutaja ${userId} hankimine`);
  // ...
}

async function getPermissions(user, context) {
  console.log(`[${context.requestID}] Õiguste hankimine kasutajale ${user.name}`);
  // ...
}

async function handleRequest(requestID) {
  const context = { requestID };
  console.log(`[${context.requestID}] Päringu töötlemise alustamine`);
  const user = await getUserFromDB(123, context);
  const permissions = await getPermissions(user, context);
  console.log(`[${context.requestID}] Päring lõpetati edukalt`);
}

            

              
                Copy
              
            
          

See töötab. See on ohutu ja ennustatav. Kuid sellel on suured puudused:

• Põhiline: Iga funktsiooni allkiri, alates kõrgtaseme kontrollerist kuni madalaima taseme utiliidini, tuleb muuta nii, et see aktsepteeriks ja edastaks `context` objekti.
• Tihe sidumine: Funktsioonid, mis ise konteksti ei vaja, kuid on osa kõneahelast, on sunnitud sellest teadma. See rikub puhta arhitektuuri ja murede eraldamise põhimõtteid.
• Vigadele kalduv: Arendaja jaoks on lihtne unustada konteksti ühe taseme võrra edasi anda, mis katkestab ahela kõigi järgnevate kõnede jaoks.

Aastaid maadles Node.js kogukond selle probleemiga, mis viis erinevate teekonnapõhiste lahendusteni.

Eelkäijad ja varajased katsed: tee kaasaegse konteksti haldamiseni

Aegunud moodul `domain`

Node.js varajased versioonid tutvustasid moodulit `domain` vigade käsitlemiseks ja I/O toimingute rühmitamiseks. See sidus asünkroonsed tagasikutsumised implitsiitselt aktiivse "domainiga", mis võis sisaldada ka konteksti andmeid. Kuigi see tundus paljulubav, oli sellel märkimisväärne jõudluskulu ja see oli kurikuulsalt ebausaldusväärne, peenete äärejuhtumitega, kus kontekst võis kaduda. See on lõpuks aegunud ja seda ei tohiks kaasaegsetes rakendustes kasutada.

Järjepidevuse kohaliku salvestusruumi (CLS) teegid

Kogukond astus sisse mõistega "Järjepidevuse kohalik salvestusruum". Sellised teegid nagu `cls-hooked` said väga populaarseks. Need töötasid, kasutades Node'i sisemist `async_hooks` API-t, mis annab nähtavuse asünkroonsete ressursside elutsüklisse.

Need teegid plaasterdasid või "ahvikorrastasid" põhimõtteliselt Node.js asünkroonseid primitiive, et jälgida praegust konteksti. Kui asünkroonne toiming algatati, salvestas teek praeguse konteksti. Kui selle tagasikutsumine oli planeeritud käivitamiseks, taastas teek selle konteksti enne tagasikutsumise täitmist.

Kuigi `cls-hooked` ja sarnased teegid olid instrumentaalsed, olid need siiski lahendused. Need tuginesid sisemistele API-dele, mis võisid muutuda, võisid omada oma jõudlusega seotud mõjusid ja mõnikord võitlesid konteksti õigesti jälgimisega uuemate JavaScripti keele funktsioonidega nagu `async/await`, kui neid ei olnud täiuslikult konfigureeritud.

Kaasaegne lahendus: tutvustame `AsyncLocalStorage`

Tunnistades kriitilist vajadust stabiilse, põhilahenduse järele, tutvustas Node.js meeskond API-t `AsyncLocalStorage`. See muutus stabiilseks Node.js v14-s ja on tänapäeval asünkroonse konteksti haldamise standardne, soovitatav viis. See kasutab sama võimsat `async_hooks` mehhanismi, kuid pakub puhast, usaldusväärset ja tõhusat avalikku API-t.

`AsyncLocalStorage` võimaldab teil luua isoleeritud salvestuskonteksti, mis püsib kogu asünkroonsete toimingute ahelas, luues tõhusalt "päringupõhise" salvestusruumi ilma propide puurimiseta.

Põhikontseptsioonid ja meetodid

`AsyncLocalStorage` kasutamine keerleb mõne põhilise meetodi ümber:

• new AsyncLocalStorage(): Alustate klassi eksemplari loomisega. Tavaliselt loote ühe eksemplari konkreetse tüüpi konteksti jaoks (nt üks kõigi HTTP-päringute jaoks) ja ekspordite selle ühisest moodulist.
• .run(store, callback): See on sisenemispunkt. See võtab kaks argumenti: `store` (andmed, mida soovite kättesaadavaks teha) ja tagasikutsumise funktsiooni. See käivitab tagasikutsumise kohe ja kogu selle tagasikutsumise täitmise asünkroonsel ja sünkroonsel kestusel on esitatud `store` juurdepääsetav.
• .getStore(): See on see, kuidas te andmeid kätte saate. Kui seda kutsutakse funktsioonist, mis on osa asünkroonsest voolust, mille on alustanud `.run()`, tagastab see selle kontekstiga seotud objekti `store`. Kui seda kutsutakse väljaspool sellist konteksti, tagastab see `undefined`.

Refaktoreerime oma varasemat näidet, kasutades `AsyncLocalStorage`.

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

// 1. Looge üks, ühine eksemplar
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// 2. Meie funktsioonid ei vaja enam 'konteksti' parameetrit
function getUserFromDB(userId) {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Kasutaja ${userId} hankimine`);
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ id: userId, name: 'Jane Doe' }), 100));
}

async function getPermissions(user) {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Õiguste hankimine kasutajale ${user.name}`);
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 150));
  console.log(`[${store.requestID}] Õigused on saadud`);
  return { canEdit: true };
}

async function businessLogic() {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Päringu töötlemise alustamine`);
  const user = await getUserFromDB(123);
  const permissions = await getPermissions(user);
  console.log(`[${store.requestID}] Päring lõpetati edukalt`);
}

// 3. Peamine päringukäitleja kasutab .run() konteksti loomiseks
function handleRequest(requestID) {
  const context = { requestID };
  asyncLocalStorage.run(context, () => {
    // Kõik siit kutsutud, sünkroonsed või asünkroonsed, saavad kontekstile juurdepääsu
    businessLogic();
  });
}

console.log("Samaaegsete päringute simuleerimine AsyncLocalStorage abil...");
handleRequest('req-A');
handleRequest('req-B');

            

              
                Copy
              
            
          

Väljund on nüüd täiesti õige ja isoleeritud:

            
Samaaegsete päringute simuleerimine AsyncLocalStorage abil...
[req-A] Päringu töötlemise alustamine
[req-A] Kasutaja 123 hankimine
[req-B] Päringu töötlemise alustamine
[req-B] Kasutaja 123 hankimine
[req-A] Õiguste hankimine kasutajale Jane Doe
[req-B] Õiguste hankimine kasutajale Jane Doe
[req-A] Õigused on saadud
[req-A] Päring lõpetati edukalt
[req-B] Õigused on saadud
[req-B] Päring lõpetati edukalt

            

              
                Copy
              
            
          

Märka puhast eraldamist. Funktsioonidel `getUserFromDB` ja `getPermissions` on puhas; neil pole parameetrit `context`. Nad saavad lihtsalt konteksti küsida, kui nad seda vajavad, kasutades `getStore()`. Kontekst luuakse üks kord päringu sisenemispunktis (`handleRequest`) ja see viiakse kaudselt läbi kogu asünkroonse ahela.

Praktiline rakendamine: reaalmaailma näide koos Express.js-iga

Üks võimsamaid kasutusviise `AsyncLocalStorage` jaoks on veebiserveri raamistikes nagu Express.js päringupõhise konteksti haldamiseks. Ehitame praktilise näite.

Stsenaarium

Meil on veebirakendus, mis peab:

1. Määrama igale sissetulevale päringule ainulaadse `requestID` jälgitavuse tagamiseks.
2. Omama tsentraliseeritud logimisteenust, mis sisaldab automaatselt seda `requestID` igas logisõnumis, ilma et seda käsitsi edastataks.
3. Muutma kasutaja teabe allavoolu teenustele kättesaadavaks pärast autentimist.

Samm 1: looge tsentraalne kontekstiteenus

Parim tava on luua üks moodul, mis haldab eksemplari `AsyncLocalStorage`.

Fail: `context.js`

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

// See eksemplar on jagatud kogu rakenduse ulatuses
const requestContext = new AsyncLocalStorage();

module.exports = { requestContext };

            

              
                Copy
              
            
          

Samm 2: looge vahevara konteksti loomiseks

Expressis on vahevara ideaalne koht, kus kasutada `.run()` kogu päringu elutsükli ümbritsemiseks.

Fail: `app.js` (või teie peamine serverifail)

            
const express = require('express');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');
const { requestContext } = require('./context');
const logger = require('./logger');
const userService = require('./userService');

const app = express();

// Vahevara asünkroonse konteksti loomiseks iga päringu jaoks
app.use((req, res, next) => {
  const store = {
    requestID: uuidv4(),
    user: null // Täidetakse pärast autentimist
  };

  // .run() ümbritseb ülejäänud päringute käsitlemise (next())
  requestContext.run(store, () => {
    logger.info(`Päring algas: ${req.method} ${req.url}`);
    next();
  });
});

// Simuleeritud autentimisvahevara
app.use((req, res, next) => {
  // Reaalses rakenduses kontrolliksite siin märki
  const store = requestContext.getStore();
  if (store) {
    store.user = { id: 'user-123', name: 'Alice' };
  }
  next();
});

// Teie rakenduse marsruudid
app.get('/user', async (req, res) => {
  logger.info('Käsitlen /user päringut');
  try {
    const userProfile = await userService.getProfile();
    res.json(userProfile);
  } catch (error) {
    logger.error('Kasutajaprofiili hankimine ebaõnnestus', { error: error.message });
    res.status(500).send('Sisemise serveri viga');
  }
});

const PORT = 3000;
app.listen(PORT, () => {
  console.log(`Server töötab aadressil http://localhost:${PORT}`);
});

            

              
                Copy
              
            
          

Samm 3: logger, mis kasutab automaatselt konteksti

Siin juhtub maagia. Meie logger ei pruugi olla teadlik Expressist, päringutest ega kasutajatest. See teab ainult meie tsentraalsest kontekstiteenusest.

Fail: `logger.js`

            
const { requestContext } = require('./context');

function log(level, message, details = {}) {
  const store = requestContext.getStore();
  const requestID = store ? store.requestID : 'N/A';

  const logObject = {
    timestamp: new Date().toISOString(),
    level: level.toUpperCase(),
    requestID,
    message,
    ...details
  };

  console.log(JSON.stringify(logObject));
}

const logger = {
  info: (message, details) => log('info', message, details),
  error: (message, details) => log('error', message, details),
  warn: (message, details) => log('warn', message, details),
};

module.exports = logger;

            

              
                Copy
              
            
          

Samm 4: sügavalt pesastatud teenus, mis pääseb kontekstile ligi

Meie `userService` pääseb nüüd enesekindlalt päringuspetsiifilisele teabele ligi ilma kontrollerist edastatud parameetriteta.

Fail: `userService.js`

            
const { requestContext } = require('./context');
const logger = require('./logger');

// Simuleeritud andmebaasi kõne
async function fetchUserDetailsFromDB(userId) {
  logger.info(`Kasutaja ${userId} andmete hankimine andmebaasist.`);
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 50));
  return { company: 'Global Tech Inc.', country: 'Worldwide' };
}

async function getProfile() {
  const store = requestContext.getStore();
  if (!store || !store.user) {
    throw new Error('Kasutaja ei ole autentitud');
  }

  logger.info(`Profiili koostamine kasutajale: ${store.user.name}`);

  // Isegi sügavamad asünkroonsed kõned säilitavad konteksti
  const details = await fetchUserDetailsFromDB(store.user.id);

  return {
    id: store.user.id,
    name: store.user.name,
    ...details
  };
}

module.exports = { getProfile };

            

              
                Copy
              
            
          

Kui käivitate selle serveri ja teete päringu aadressile `http://localhost:3000/user`, näitavad teie konsooli logid selgelt, et sama `requestID` on olemas igas logisõnumis, alates esialgsest vahevarast kuni kõige sügavamate andmebaasifunktsioonideni, mis näitab täiuslikku konteksti isoleerimist.

Lõimeohutus ja konteksti isoleerimine selgitatud

Nüüd saame ringi liikuda mõistega "lõimeohutus". Node.js-is ei muretseta mitme lõime pärast, mis pääsevad samale mälule juurde samaaegselt tõelisel paralleelsel viisil. Selle asemel on tegemist mitme samaaegse toimingu (päringud) vahel, mis lõimuvad oma täitmisega ühel peamisel lõimel läbi sündmuste tsükli. "Ohutuse" probleem on tagada, et ühe toimingu kontekst ei lekiks teise konteksti.

`AsyncLocalStorage` saavutab selle, linkides konteksti asünkroonsete ressurssidega.

Siin on lihtsustatud mentaalne mudel, mis juhtub:

1. Kui `asyncLocalStorage.run(store, ...)` on kutsutud, ütleb Node.js sisemiselt: "Ma sisestan nüüd spetsiaalsesse konteksti. Selle konteksti andmed on `store`." See määrab sellele täitmiskontekstile ainulaadse sisemise ID.
2. Kõik asünkroonsed toimingud, mis on planeeritud selle konteksti aktiveerimisel (nt `new Promise`, `setTimeout`, `fs.readFile`), on sildistatud selle ainulaadse konteksti ID-ga.
3. Hiljem, kui sündmuste tsükkel võtab tagasikutsumise ühelt neist sildistatud toimingutest, kontrollib Node.js silti. See ütleb: "Ah, see tagasikutsumine kuulub konteksti ID-le X. Ma taastan selle konteksti enne tagasikutsumise täitmist."
4. See taastamine muudab õige `store` kättesaadavaks `getStore()`-s tagasikutsumise sees.
5. Kui tuleb teine ​​päring, loob selle kõne `.run()` täiesti uue konteksti erineva sisemise ID-ga ja selle asünkroonsed toimingud on sildistatud selle uue ID-ga, tagades nulli ülekatte.

See vastupidav, madala taseme mehhanism tagab, et olenemata sellest, kuidas sündmuste tsükkel lõimib erinevatest päringutest pärit tagasikutsumiste täitmist, tagastab `getStore()` alati andmed konteksti kohta, milles selle tagasikutsumise asünkroonne toiming algselt planeeriti.

Jõudluse kaalutlused ja parimad tavad

Kuigi `AsyncLocalStorage` on väga optimeeritud, pole see tasuta. Aluseks olev `async_hooks` lisab väikese koguse lisakulusid iga asünkroonse ressursi loomisele ja lõpuleviimisele. Kuid enamiku rakenduste jaoks, eriti I/O-ga seotud rakenduste jaoks, on see kulu ebaoluline võrreldes koodi selguse, hooldatavuse ja jälgitavuse eelistega.

• Loo üks kord: Loo oma `AsyncLocalStorage` eksemplarid rakenduse kõrgeimal tasemel ja kasuta neid uuesti. Ära loo uusi eksemplare iga päringu kohta.
• Hoia poodi lahjana: Kontekstipood ei ole vahemälu. Kasutage seda väikeste, oluliste andmete jaoks, nagu ID-d, märgid või kerged kasutajaobjektid. Vältige suurte andmepakkide salvestamist.
• Loo kontekst selgetes sisenemispunktides: Parimad kohad `.run()` kutsumiseks on iseseisva asünkroonse voo kindlas alguses. See hõlmab serveripäringu vahevara, sõnumijärjekorra tarbijaid või tööplaneerijaid.
• Arvesta tule-ja-unusta-toimingutega: Kui alustate asünkroonset toimingut `run` kontekstis, kuid ei oota seda (`doSomething().catch(...)`), pärib see siiski konteksti õigesti. See on võimas funktsioon taustatoimingute jaoks, mis tuleb jälgida tagasi nende päritoluni.
• Mõista pesastamist: Võite `.run()` kõnesid pesastada. `.run()` kutsumine olemasolevast kontekstist loob uue, pesastatud konteksti. `getStore()` tagastab seejärel sisemise poe. See võib olla kasulik ajutiselt konteksti ülekirjutamiseks või konteksti lisamiseks konkreetse alamtoimingu jaoks.

Väljaspool Node.js-i: tulevik koos `AsyncContextiga`

Vajadus asünkroonse konteksti haldamise järele ei ole ainulaadne Node.js-ile. Tunnistades selle tähtsust kogu JavaScripti ökosüsteemi jaoks, on TC39 komitees, mis standardib JavaScripti (ECMAScript), teel ametlik ettepanek nimega `AsyncContext`.

`AsyncContext` ettepanek on tugevalt inspireeritud Node.js-i `AsyncLocalStorage`st ja selle eesmärk on pakkuda peaaegu identse API-t, mis oleks saadaval kõigis kaasaegsetes JavaScripti keskkondades, sealhulgas veebibrauserites. See võiks avada võimsad võimalused esiotsa arenduseks, näiteks konteksti haldamine keerulistes raamistikes nagu React samaaegse renderdamise ajal või kasutajate interaktsioonivoogude jälgimine läbi keerukate komponendi puude.

Kokkuvõte: deklareeriva ja vastupidava asünkroonse koodi omaksvõtmine

Olekute haldamine asünkroonsetes toimingutes on petlikult keeruline probleem, mis on JavaScripti arendajaid aastaid väljakutse alla pannud. Teekond käsitsi propide puurimisest ja rabedatest kogukonna teekidest tuumse, stabiilse API-ni `AsyncLocalStorage` kujul tähistab Node.js platvormi olulist küpsemist.

Pakkudes ohutu, isoleeritud ja kaudselt levitatava konteksti mehhanismi, võimaldab `AsyncLocalStorage` meil kirjutada puhtamat, rohkem lahutatavat ja hooldatavamat koodi. See on nurgakivi kaasaegsete, jälgitavate süsteemide loomiseks, kus jälitamine, jälgimine ja logimine pole mõtted, vaid on põimitud rakenduse struktuuri.

Kui loote mis tahes mittetriviaalse Node.js-i rakenduse, mis käsitleb samaaegseid toiminguid, ei ole `AsyncLocalStorage` omaksvõtmine enam lihtsalt parim tava – see on põhiline tehnika vastupidavuse ja skaleeritavuse saavutamiseks asünkroonses maailmas.