ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان جاوا اسکریپت: تسلط بر مدیریت زمینه (Context) محدود به درخواست

در دنیای جاوا اسکریپت ناهمزمان، مدیریت زمینه (context) در طول عملیات‌های مختلف می‌تواند به یک چالش پیچیده تبدیل شود. روش‌های سنتی مانند پاس دادن اشیاء زمینه از طریق فراخوانی توابع، اغلب منجر به کدهای طولانی و دست‌وپاگیر می‌شود. خوشبختانه، ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان جاوا اسکریپت (ALS) یک راه‌حل زیبا برای مدیریت زمینه محدود به درخواست در محیط‌های ناهمزمان ارائه می‌دهد. این مقاله به بررسی جزئیات ALS، مزایا، پیاده‌سازی و موارد استفاده واقعی آن می‌پردازد.

ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان (Async Local Storage) چیست؟

ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان (ALS) مکانیزمی است که به شما امکان می‌دهد داده‌هایی را که مختص به یک زمینه اجرایی ناهمزمان خاص هستند، ذخیره کنید. این زمینه معمولاً با یک درخواست یا تراکنش مرتبط است. به آن به عنوان راهی برای ایجاد معادل ذخیره‌سازی محلی نخ (thread-local storage) برای محیط‌های ناهمزمان جاوا اسکریپت مانند Node.js فکر کنید. برخلاف ذخیره‌سازی محلی نخ سنتی (که مستقیماً در جاوا اسکریپت تک‌نخی قابل استفاده نیست)، ALS از اصول اولیه ناهمزمان برای انتشار زمینه در طول فراخوانی‌های ناهمزمان بدون نیاز به پاس دادن صریح آن به عنوان آرگومان استفاده می‌کند.

ایده اصلی پشت ALS این است که در یک عملیات ناهمزمان معین (مثلاً، رسیدگی به یک درخواست وب)، می‌توانید داده‌های مربوط به آن عملیات خاص را ذخیره و بازیابی کنید، و به این ترتیب از جداسازی و جلوگیری از تداخل زمینه بین وظایف ناهمزمان همزمان مختلف اطمینان حاصل کنید.

چرا از ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان استفاده کنیم؟

دلایل قانع‌کننده متعددی برای استفاده از ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان در برنامه‌های مدرن جاوا اسکریپت وجود دارد:

• مدیریت ساده‌تر زمینه: از پاس دادن اشیاء زمینه از طریق چندین فراخوانی تابع خودداری کنید، که باعث کاهش طولانی بودن کد و بهبود خوانایی می‌شود.
• بهبود قابلیت نگهداری کد: منطق مدیریت زمینه را متمرکز کنید، که اصلاح و نگهداری زمینه برنامه را آسان‌تر می‌کند.
• اشکال‌زدایی و ردیابی پیشرفته: اطلاعات خاص درخواست را برای ردیابی درخواست‌ها در لایه‌های مختلف برنامه خود منتشر کنید.
• ادغام یکپارچه با میان‌افزار (Middleware): ALS به خوبی با الگوهای میان‌افزار در فریم‌ورک‌هایی مانند Express.js ادغام می‌شود و به شما امکان می‌دهد زمینه را در ابتدای چرخه حیات درخواست ثبت و منتشر کنید.
• کاهش کد تکراری (Boilerplate): نیاز به مدیریت صریح زمینه در هر تابعی که به آن نیاز دارد را از بین ببرید، که منجر به کدی تمیزتر و متمرکزتر می‌شود.

مفاهیم اصلی و API

API ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان، که در Node.js (نسخه 13.10.0 و بالاتر) از طریق ماژول `async_hooks` در دسترس است، اجزای کلیدی زیر را فراهم می‌کند:

• کلاس `AsyncLocalStorage`: کلاس مرکزی برای ایجاد و مدیریت نمونه‌های ذخیره‌سازی ناهمزمان.
• متد `run(store, callback, ...args)`: یک تابع را در یک زمینه ناهمزمان خاص اجرا می‌کند. آرگومان `store` داده‌های مرتبط با زمینه را نشان می‌دهد و `callback` تابعی است که باید اجرا شود.
• متد `getStore()`: داده‌های مرتبط با زمینه ناهمزمان فعلی را بازیابی می‌کند. اگر هیچ زمینه‌ای فعال نباشد، `undefined` را برمی‌گرداند.
• متد `enterWith(store)`: به صراحت با store ارائه‌شده وارد یک زمینه می‌شود. با احتیاط استفاده کنید، زیرا می‌تواند دنبال کردن کد را دشوارتر کند.
• متد `disable()`: نمونه AsyncLocalStorage را غیرفعال می‌کند.

مثال‌های عملی و قطعه کدها

بیایید چند مثال عملی از نحوه استفاده از ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان در برنامه‌های جاوا اسکریپت را بررسی کنیم.

استفاده پایه

این مثال یک سناریوی ساده را نشان می‌دهد که در آن یک شناسه درخواست را در یک زمینه ناهمزمان ذخیره و بازیابی می‌کنیم.

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function processRequest(req, res) {
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);

  asyncLocalStorage.run({ requestId }, () => {
    // Simulate asynchronous operations
    setTimeout(() => {
      const currentContext = asyncLocalStorage.getStore();
      console.log(`Request ID: ${currentContext.requestId}`);
      res.end(`Request processed with ID: ${currentContext.requestId}`);
    }, 100);
  });
}

// Simulate incoming requests
const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  processRequest(req, res);
});

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

استفاده از ALS با میان‌افزار Express.js

این مثال نشان می‌دهد که چگونه ALS را با میان‌افزار Express.js ادغام کنیم تا اطلاعات خاص درخواست را ثبت کرده و آن را در سراسر چرخه حیات درخواست در دسترس قرار دهیم.

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

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

// Middleware to capture request ID
app.use((req, res, next) => {
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);
  asyncLocalStorage.run({ requestId }, () => {
    next();
  });
});

// Route handler
app.get('/', (req, res) => {
  const currentContext = asyncLocalStorage.getStore();
  const requestId = currentContext.requestId;
  console.log(`Handling request with ID: ${requestId}`);
  res.send(`Request processed with ID: ${requestId}`);
});

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

مورد استفاده پیشرفته: ردیابی توزیع‌شده (Distributed Tracing)

ALS می‌تواند به ویژه در سناریوهای ردیابی توزیع‌شده مفید باشد، جایی که نیاز به انتشار شناسه‌های ردیابی (trace IDs) در چندین سرویس و عملیات ناهمزمان دارید. این مثال نشان می‌دهد که چگونه یک شناسه ردیابی را با استفاده از ALS تولید و منتشر کنید.

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function generateTraceId() {
  return uuidv4();
}

function withTrace(callback) {
  const traceId = generateTraceId();
  asyncLocalStorage.run({ traceId }, callback);
}

function getTraceId() {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  return store ? store.traceId : null;
}

// Example Usage
withTrace(() => {
  const traceId = getTraceId();
  console.log(`Trace ID: ${traceId}`);

  // Simulate asynchronous operation
  setTimeout(() => {
    const nestedTraceId = getTraceId();
    console.log(`Nested Trace ID: ${nestedTraceId}`); // Should be the same trace ID
  }, 50);
});

موارد استفاده در دنیای واقعی

ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان ابزاری همه‌کاره است که می‌توان آن را در سناریوهای مختلف به کار برد:

• لاگ‌گیری: غنی‌سازی پیام‌های لاگ با اطلاعات خاص درخواست مانند شناسه درخواست، شناسه کاربر یا شناسه ردیابی.
• احراز هویت و مجوزدهی: ذخیره زمینه احراز هویت کاربر و دسترسی به آن در سراسر چرخه حیات درخواست.
• تراکنش‌های پایگاه داده: مرتبط کردن تراکنش‌های پایگاه داده با درخواست‌های خاص، برای اطمینان از سازگاری و جداسازی داده‌ها.
• مدیریت خطا: ثبت زمینه خطای خاص درخواست و استفاده از آن برای گزارش‌دهی دقیق خطا و اشکال‌زدایی.
• تست A/B: ذخیره تخصیص‌های آزمایشی و اعمال مداوم آن‌ها در طول یک جلسه کاربر.

ملاحظات و بهترین شیوه‌ها

در حالی که ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد، ضروری است که از آن به طور معقول استفاده کرده و به بهترین شیوه‌ها پایبند باشید:

• سربار عملکرد: ALS به دلیل ایجاد و مدیریت زمینه‌های ناهمزمان، سربار عملکرد کوچکی را به همراه دارد. تأثیر آن را بر برنامه خود اندازه‌گیری کرده و بر اساس آن بهینه‌سازی کنید.
• آلودگی زمینه: از ذخیره حجم زیادی از داده‌ها در ALS برای جلوگیری از نشت حافظه و کاهش عملکرد خودداری کنید.
• مدیریت صریح زمینه: در برخی موارد، پاس دادن صریح اشیاء زمینه ممکن است مناسب‌تر باشد، به ویژه برای عملیات‌های پیچیده یا عمیقاً تودرتو.
• ادغام با فریم‌ورک: از ادغام‌های موجود در فریم‌ورک‌ها و کتابخانه‌هایی که پشتیبانی از ALS برای کارهای رایج مانند لاگ‌گیری و ردیابی ارائه می‌دهند، استفاده کنید.
• مدیریت خطا: مدیریت خطای مناسب را برای جلوگیری از نشت زمینه و اطمینان از پاک‌سازی صحیح زمینه‌های ALS پیاده‌سازی کنید.

جایگزین‌های ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان

در حالی که ALS ابزار قدرتمندی است، همیشه بهترین گزینه برای هر موقعیتی نیست. در اینجا چند جایگزین برای بررسی وجود دارد:

• پاس دادن صریح زمینه: رویکرد سنتی پاس دادن اشیاء زمینه به عنوان آرگومان. این روش می‌تواند صریح‌تر و قابل فهم‌تر باشد، اما ممکن است منجر به کد طولانی شود.
• تزریق وابستگی (Dependency Injection): استفاده از فریم‌ورک‌های تزریق وابستگی برای مدیریت زمینه و وابستگی‌ها. این کار می‌تواند ماژولار بودن و قابلیت تست کد را بهبود بخشد.
• متغیرهای زمینه (Context Variables - پیشنهاد TC39): یک ویژگی پیشنهادی ECMAScript که روش استانداردتری برای مدیریت زمینه فراهم می‌کند. هنوز در حال توسعه است و به طور گسترده پشتیبانی نمی‌شود.
• راه‌حل‌های مدیریت زمینه سفارشی: توسعه راه‌حل‌های مدیریت زمینه سفارشی متناسب با نیازهای خاص برنامه شما.

متد AsyncLocalStorage.enterWith()

متد `enterWith()` یک روش مستقیم‌تر برای تنظیم زمینه ALS است که انتشار خودکار ارائه شده توسط `run()` را دور می‌زند. با این حال، باید با احتیاط استفاده شود. به طور کلی توصیه می‌شود از `run()` برای مدیریت زمینه استفاده کنید، زیرا به طور خودکار انتشار زمینه را در طول عملیات‌های ناهمزمان مدیریت می‌کند. `enterWith()` اگر با دقت استفاده نشود، می‌تواند منجر به رفتار غیرمنتظره شود.

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

const store = { data: 'Some Data' };

// Setting the store using enterWith
asyncLocalStorage.enterWith(store);

// Accessing the store (Should work immediately after enterWith)
console.log(asyncLocalStorage.getStore());

// Executing an asynchronous function that will NOT inherit the context automatically
setTimeout(() => {
  // The context is STILL active here because we set it manually with enterWith.
  console.log(asyncLocalStorage.getStore());
}, 1000);

// To properly clear the context, you'd need a try...finally block
// This demonstrates why run() is usually preferred, as it handles cleanup automatically.

اشتباهات رایج و نحوه جلوگیری از آنها

• فراموش کردن استفاده از `run()`: اگر AsyncLocalStorage را مقداردهی اولیه کنید اما فراموش کنید منطق رسیدگی به درخواست خود را در داخل `asyncLocalStorage.run()` قرار دهید، زمینه به درستی منتشر نخواهد شد، که منجر به مقادیر `undefined` هنگام فراخوانی `getStore()` می‌شود.
• انتشار نادرست زمینه با Promiseها: هنگام استفاده از Promiseها، اطمینان حاصل کنید که در داخل callback `run()` منتظر عملیات‌های ناهمزمان می‌مانید. اگر منتظر نمانید، ممکن است زمینه به درستی منتشر نشود.
• نشت حافظه: از ذخیره اشیاء بزرگ در زمینه AsyncLocalStorage خودداری کنید، زیرا اگر زمینه به درستی پاک نشود، می‌توانند منجر به نشت حافظه شوند.
• اتکای بیش از حد به AsyncLocalStorage: از AsyncLocalStorage به عنوان یک راه‌حل مدیریت وضعیت سراسری (global state) استفاده نکنید. این ابزار برای مدیریت زمینه محدود به درخواست بهترین کارایی را دارد.

آینده مدیریت زمینه در جاوا اسکریپت

اکوسیستم جاوا اسکریپت به طور مداوم در حال تحول است و رویکردهای جدیدی برای مدیریت زمینه در حال ظهور هستند. ویژگی پیشنهادی متغیرهای زمینه (پیشنهاد TC39) با هدف ارائه یک راه‌حل استانداردتر و در سطح زبان برای مدیریت زمینه است. با بالغ شدن این ویژگی‌ها و پذیرش گسترده‌تر آن‌ها، ممکن است راه‌های زیباتر و کارآمدتری برای مدیریت زمینه در برنامه‌های جاوا اسکریپت ارائه دهند.

نتیجه‌گیری

ذخیره‌سازی محلی ناهمزمان جاوا اسکریپت یک راه‌حل قدرتمند و زیبا برای مدیریت زمینه محدود به درخواست در محیط‌های ناهمزمان فراهم می‌کند. با ساده‌سازی مدیریت زمینه، بهبود قابلیت نگهداری کد و افزایش قابلیت‌های اشکال‌زدایی، ALS می‌تواند به طور قابل توجهی تجربه توسعه برنامه‌های Node.js را بهبود بخشد. با این حال، درک مفاهیم اصلی، پایبندی به بهترین شیوه‌ها و در نظر گرفتن سربار عملکرد بالقوه قبل از استفاده از ALS در پروژه‌های خود بسیار مهم است. با ادامه تکامل اکوسیستم جاوا اسکریپت، ممکن است رویکردهای جدید و بهبود یافته‌ای برای مدیریت زمینه پدیدار شوند که راه‌حل‌های پیچیده‌تری برای مدیریت سناریوهای ناهمزمان پیچیده ارائه دهند.