JavaScriptin asynkroninen konteksti: Pyyntökohtaisten muuttujien hallinta

Asynkroninen ohjelmointi on modernin JavaScript-kehityksen kulmakivi, erityisesti Node.js:n kaltaisissa ympäristöissä, joissa estämätön I/O on suorituskyvyn kannalta ratkaisevaa. Kontekstin hallinta asynkronisten operaatioiden välillä voi kuitenkin olla haastavaa. Tässä kohtaa JavaScriptin asynkroninen konteksti, erityisesti AsyncLocalStorage, astuu kuvaan.

Mitä on asynkroninen konteksti?

Asynkroninen konteksti viittaa kykyyn liittää dataa asynkroniseen operaatioon, joka säilyy sen elinkaaren ajan. Tämä on olennaista tilanteissa, joissa on ylläpidettävä pyyntökohtaista tietoa (esim. käyttäjätunnus, pyyntötunnus, jäljitystieto) useiden asynkronisten kutsujen välillä. Ilman asianmukaista kontekstinhallintaa virheenjäljitys, lokitus ja tietoturva voivat muuttua huomattavasti vaikeammiksi.

Kontekstin ylläpitämisen haaste asynkronisissa operaatioissa

Perinteiset lähestymistavat kontekstin hallintaan, kuten muuttujien välittäminen eksplisiittisesti funktiokutsujen kautta, voivat muuttua kömpelöiksi ja virheherkiksi asynkronisen koodin monimutkaistuessa. Takaisinkutsuhelvetti (callback hell) ja lupausketjut (promise chains) voivat hämärtää kontekstin kulkua, mikä johtaa ylläpito-ongelmiin ja mahdollisiin tietoturva-aukkoihin. Tarkastellaan tätä yksinkertaistettua esimerkkiä:

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

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

Tässä esimerkissä userId välitetään toistuvasti sisäkkäisten takaisinkutsujen kautta. Tämä lähestymistapa ei ole ainoastaan sanasanainen, vaan se myös sitoo funktiot tiiviisti toisiinsa, mikä tekee niistä vähemmän uudelleenkäytettäviä ja vaikeammin testattavia.

Esittelyssä AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage on sisäänrakennettu Node.js-moduuli, joka tarjoaa mekanismin datan tallentamiseen, joka on paikallista tietylle asynkroniselle kontekstille. Sen avulla voit asettaa ja hakea arvoja, jotka leviävät automaattisesti asynkronisten rajojen yli samassa suorituskontekstissa. Tämä yksinkertaistaa merkittävästi pyyntökohtaisten muuttujien hallintaa.

Kuinka AsyncLocalStorage toimii

AsyncLocalStorage toimii luomalla tallennuskontekstin, joka liitetään nykyiseen asynkroniseen operaatioon. Kun uusi asynkroninen operaatio aloitetaan (esim. lupaus, takaisinkutsu), tallennuskonteksti leviää automaattisesti uuteen operaatioon. Tämä varmistaa, että sama data on saatavilla koko asynkronisten kutsujen ketjun ajan.

AsyncLocalStorage:n peruskäyttö

Tässä on perusesimerkki AsyncLocalStorage:n käytöstä:

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');
  // ... hae dataa käyttäen userId:tä
  return data;
}

async function transformData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... muunna dataa käyttäen userId:tä
  return transformedData;
}

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... lokita data käyttäen userId:tä
  return;
}

Tässä esimerkissä:

• Luomme AsyncLocalStorage-instanssin.
• processRequest-funktiossa käytämme asyncLocalStorage.run-metodia suorittaaksemme funktion uuden tallennusinstanssin (tässä tapauksessa Map) kontekstissa.
• Asetamme userId:n tallennustilaan käyttämällä asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• Asynkronisissa operaatioissa (fetchData, transformData, logData) voimme hakea userId:n käyttämällä asyncLocalStorage.getStore().get('userId').

AsyncLocalStorage:n käyttötapauksia

AsyncLocalStorage on erityisen hyödyllinen seuraavissa skenaarioissa:

1. Pyyntöjen jäljitys

Hajautetuissa järjestelmissä pyyntöjen jäljittäminen useiden palveluiden välillä on ratkaisevan tärkeää suorituskyvyn seurannassa ja pullonkaulojen tunnistamisessa. AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää tallentamaan ainutlaatuinen pyyntötunnus, joka leviää palvelurajojen yli. Tämä mahdollistaa lokien ja mittareiden korreloinnin eri palveluista, mikä antaa kattavan kuvan pyynnön matkasta. Esimerkiksi mikropalveluarkkitehtuurissa, jossa käyttäjän pyyntö kulkee API-yhdyskäytävän, todennuspalvelun ja datankäsittelypalvelun kautta, AsyncLocalStorage:n avulla voidaan luoda ainutlaatuinen pyyntötunnus API-yhdyskäytävässä, ja se leviää automaattisesti kaikkiin pyynnön käsittelyyn osallistuviin palveluihin.

2. Lokituksen konteksti

Tapahtumia lokitettaessa on usein hyödyllistä sisällyttää kontekstitietoa, kuten käyttäjätunnus, pyyntötunnus tai istuntotunnus. AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää tämän tiedon automaattiseen sisällyttämiseen lokiviesteihin, mikä helpottaa virheiden jäljittämistä ja analysointia. Kuvittele tilanne, jossa sinun on seurattava käyttäjän toimintaa sovelluksessasi. Tallentamalla käyttäjätunnuksen AsyncLocalStorage:en voit automaattisesti sisällyttää sen kaikkiin kyseisen käyttäjän istuntoon liittyviin lokiviesteihin, mikä tarjoaa arvokasta tietoa heidän käyttäytymisestään ja mahdollisista ongelmista.

3. Todennus ja valtuutus

AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää todennus- ja valtuutustietojen, kuten käyttäjän roolien ja oikeuksien, tallentamiseen. Tämä mahdollistaa pääsynvalvontakäytäntöjen toimeenpanon koko sovelluksessa ilman, että käyttäjän tunnisteita tarvitsee välittää eksplisiittisesti jokaiseen funktioon. Ajatellaan verkkokauppasovellusta, jossa eri käyttäjillä on eri pääsytasot (esim. ylläpitäjät, tavalliset asiakkaat). Tallentamalla käyttäjän roolit AsyncLocalStorage:en voit helposti tarkistaa heidän oikeutensa ennen kuin sallit heidän suorittaa tiettyjä toimintoja, varmistaen, että vain valtuutetut käyttäjät pääsevät käsiksi arkaluontoiseen dataan tai toiminnallisuuksiin.

4. Tietokantatransaktiot

Tietokantojen kanssa työskenneltäessä on usein tarpeen hallita transaktioita useiden asynkronisten operaatioiden välillä. AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää tietokantayhteyden tai transaktio-objektin tallentamiseen, varmistaen, että kaikki saman pyynnön sisällä olevat operaatiot suoritetaan samassa transaktiossa. Esimerkiksi, jos käyttäjä tekee tilauksen, sinun on ehkä päivitettävä useita tauluja (esim. orders, order_items, inventory). Tallentamalla tietokantatransaktio-objektin AsyncLocalStorage:en voit varmistaa, että kaikki nämä päivitykset suoritetaan yhtenä transaktiona, mikä takaa atomisuuden ja johdonmukaisuuden.

5. Moniasiakkuus (Multi-Tenancy)

Moniasiakassovelluksissa on olennaista eristää kunkin asiakkaan data ja resurssit. AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää asiakastunnuksen tallentamiseen, mikä mahdollistaa pyyntöjen dynaamisen reitittämisen oikeaan tietovarastoon tai resurssiin nykyisen asiakkaan perusteella. Kuvittele SaaS-alusta, jossa useat organisaatiot käyttävät samaa sovellusinstanssia. Tallentamalla asiakastunnuksen AsyncLocalStorage:en voit varmistaa, että kunkin organisaation data pidetään erillään ja että heillä on pääsy vain omiin resursseihinsa.

Parhaat käytännöt AsyncLocalStorage:n käyttöön

Vaikka AsyncLocalStorage on tehokas työkalu, on tärkeää käyttää sitä harkitusti mahdollisten suorituskykyongelmien välttämiseksi ja koodin selkeyden ylläpitämiseksi. Tässä on joitakin parhaita käytäntöjä:

1. Minimoi tallennettava data

Tallenna AsyncLocalStorage:en vain ehdottoman välttämätön data. Suurten datamäärien tallentaminen voi vaikuttaa suorituskykyyn, erityisesti korkean rinnakkaisuuden ympäristöissä. Esimerkiksi sen sijaan, että tallentaisit koko käyttäjäobjektin, harkitse vain käyttäjätunnuksen tallentamista ja käyttäjäobjektin hakemista välimuistista tai tietokannasta tarvittaessa.

2. Vältä liiallista kontekstin vaihtamista

Toistuva kontekstin vaihtaminen voi myös vaikuttaa suorituskykyyn. Minimoi arvojen asettamisen ja hakemisen määrä AsyncLocalStorage:sta. Tallenna usein käytetyt arvot paikallisesti funktion sisällä vähentääksesi tallennuskontekstin käytön aiheuttamaa ylikuormitusta. Esimerkiksi, jos sinun on käytettävä käyttäjätunnusta useita kertoja funktion sisällä, hae se kerran AsyncLocalStorage:sta ja tallenna se paikalliseen muuttujaan myöhempää käyttöä varten.

3. Käytä selkeitä ja johdonmukaisia nimeämiskäytäntöjä

Käytä selkeitä ja johdonmukaisia nimeämiskäytäntöjä avaimille, jotka tallennat AsyncLocalStorage:en. Tämä parantaa koodin luettavuutta ja ylläpidettävyyttä. Käytä esimerkiksi johdonmukaista etuliitettä kaikille tiettyyn ominaisuuteen tai toimialueeseen liittyville avaimille, kuten request.id tai user.id.

4. Siivoa käytön jälkeen

Vaikka AsyncLocalStorage siivoaa tallennuskontekstin automaattisesti asynkronisen operaation päättyessä, on hyvä käytäntö tyhjentää tallennuskonteksti eksplisiittisesti, kun sitä ei enää tarvita. Tämä voi auttaa estämään muistivuotoja ja parantamaan suorituskykyä. Voit tehdä tämän käyttämällä exit-metodia kontekstin eksplisiittiseen tyhjentämiseen.

5. Huomioi suorituskykyvaikutukset

Ole tietoinen AsyncLocalStorage:n käytön suorituskykyvaikutuksista, erityisesti korkean rinnakkaisuuden ympäristöissä. Suorituskykytestaa koodisi varmistaaksesi, että se täyttää suorituskykyvaatimuksesi. Profiloi sovelluksesi tunnistaaksesi mahdolliset kontekstinhallintaan liittyvät pullonkaulat. Harkitse vaihtoehtoisia lähestymistapoja, kuten eksplisiittistä kontekstin välittämistä, jos AsyncLocalStorage aiheuttaa hyväksymätöntä suorituskyvyn heikkenemistä.

6. Käytä varoen kirjastoissa

Vältä AsyncLocalStorage:n suoraa käyttöä yleiskäyttöön tarkoitetuissa kirjastoissa. Kirjastojen ei tulisi tehdä oletuksia kontekstista, jossa niitä käytetään. Sen sijaan tarjoa käyttäjille vaihtoehtoja välittää kontekstitietoa eksplisiittisesti. Tämä antaa käyttäjille mahdollisuuden hallita kontekstin hallintaa sovelluksissaan ja välttää mahdolliset ristiriidat tai odottamaton käyttäytyminen.

Vaihtoehtoja AsyncLocalStorage:lle

Vaikka AsyncLocalStorage on kätevä ja tehokas työkalu, se ei aina ole paras ratkaisu jokaiseen skenaarioon. Tässä on joitakin vaihtoehtoja harkittavaksi:

1. Eksplisiittinen kontekstin välittäminen

Yksinkertaisin lähestymistapa on välittää kontekstitietoa eksplisiittisesti argumentteina funktioille. Tämä lähestymistapa on suoraviivainen ja helppo ymmärtää, mutta se voi muuttua kömpelöksi koodin monimutkaisuuden kasvaessa. Eksplisiittinen kontekstin välittäminen sopii yksinkertaisiin skenaarioihin, joissa konteksti on suhteellisen pieni ja koodi ei ole syvästi sisäkkäistä. Monimutkaisemmissa skenaarioissa se voi kuitenkin johtaa vaikealukuiseen ja -ylläpidettävään koodiin.

2. Kontekstiobjektit

Yksittäisten muuttujien välittämisen sijaan voit luoda kontekstiobjektin, joka kapseloi kaikki kontekstitiedot. Tämä voi yksinkertaistaa funktioiden allekirjoituksia ja tehdä koodista luettavampaa. Kontekstiobjektit ovat hyvä kompromissi eksplisiittisen kontekstin välittämisen ja AsyncLocalStorage:n välillä. Ne tarjoavat tavan ryhmitellä toisiinsa liittyvää kontekstitietoa, mikä tekee koodista järjestelmällisempää ja helpommin ymmärrettävää. Ne vaativat kuitenkin edelleen kontekstiobjektin eksplisiittistä välittämistä jokaiseen funktioon.

3. Async Hooks (diagnostiikkaan)

Node.js:n async_hooks-moduuli tarjoaa yleisemmän mekanismin asynkronisten operaatioiden seuraamiseen. Vaikka sen käyttö on monimutkaisempaa kuin AsyncLocalStorage:n, se tarjoaa enemmän joustavuutta ja hallintaa. async_hooks on tarkoitettu pääasiassa diagnostiikka- ja virheenjäljitystarkoituksiin. Sen avulla voit seurata asynkronisten operaatioiden elinkaarta ja kerätä tietoa niiden suorituksesta. Sitä ei kuitenkaan suositella yleiskäyttöiseen kontekstinhallintaan sen mahdollisen suorituskykykuorman vuoksi.

4. Diagnostinen konteksti (OpenTelemetry)

OpenTelemetry tarjoaa standardoidun API:n telemetriadatan, kuten jälkien, mittareiden ja lokien, keräämiseen ja viemiseen. Sen diagnostisen kontekstin ominaisuudet tarjoavat edistyneen ja vankan ratkaisun kontekstin levityksen hallintaan hajautetuissa järjestelmissä. Integrointi OpenTelemetryn kanssa tarjoaa toimittajariippumattoman tavan varmistaa kontekstin johdonmukaisuus eri palveluiden ja alustojen välillä. Tämä on erityisen hyödyllistä monimutkaisissa mikropalveluarkkitehtuureissa, joissa konteksti on levitettävä palvelurajojen yli.

Esimerkkejä todellisesta maailmasta

Tutkitaan joitakin todellisen maailman esimerkkejä siitä, miten AsyncLocalStorage:a voidaan käyttää eri skenaarioissa.

1. Verkkokauppasovellus: Pyyntöjen jäljitys

Verkkokauppasovelluksessa voit käyttää AsyncLocalStorage:a käyttäjäpyyntöjen seuraamiseen useiden palveluiden, kuten tuotekatalogin, ostoskorin ja maksuyhdyskäytävän, välillä. Tämä mahdollistaa kunkin palvelun suorituskyvyn seurannan ja sellaisten pullonkaulojen tunnistamisen, jotka saattavat vaikuttaa käyttäjäkokemukseen.

// API-yhdyskäytävässä
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();
  });
});

// Tuotekatalogipalvelussa
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Lokita pyyntötunnus muiden tietojen ohella
  logger.info(`[${requestId}] Haetaan tuotetietoja tuotteelle ID: ${productId}`);
  // ... hae tuotetiedot
}

2. SaaS-alusta: Moniasiakkuus

SaaS-alustalla voit käyttää AsyncLocalStorage:a tallentamaan asiakastunnuksen ja reitittämään pyynnöt dynaamisesti oikeaan tietovarastoon tai resurssiin nykyisen asiakkaan perusteella. Tämä varmistaa, että kunkin asiakkaan data pidetään erillään ja että heillä on pääsy vain omiin resursseihinsa.

// Middleware, joka poimii asiakastunnuksen pyynnöstä
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Funktio datan hakemiseksi tietylle asiakkaalle
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Mikropalveluarkkitehtuuri: Lokituksen konteksti

Mikropalveluarkkitehtuurissa voit käyttää AsyncLocalStorage:a tallentamaan käyttäjätunnuksen ja sisällyttämään sen automaattisesti lokiviesteihin eri palveluista. Tämä helpottaa tiettyyn käyttäjään vaikuttavien ongelmien virheenjäljitystä ja analysointia.

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

// Datankäsittelypalvelussa
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[Käyttäjä ID: ${userId}] Käsitellään dataa: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... käsittele data
}

Yhteenveto

AsyncLocalStorage on arvokas työkalu pyyntökohtaisten muuttujien hallintaan asynkronisissa JavaScript-ympäristöissä. Se yksinkertaistaa kontekstin hallintaa asynkronisten operaatioiden välillä, tehden koodista luettavampaa, ylläpidettävämpää ja turvallisempaa. Ymmärtämällä sen käyttötapauksia, parhaita käytäntöjä ja vaihtoehtoja voit tehokkaasti hyödyntää AsyncLocalStorage:a rakentaaksesi vakaita ja skaalautuvia sovelluksia. On kuitenkin ratkaisevan tärkeää harkita huolellisesti sen suorituskykyvaikutuksia ja käyttää sitä harkitusti mahdollisten ongelmien välttämiseksi. Ota AsyncLocalStorage harkitusti käyttöön parantaaksesi asynkronisen JavaScript-kehityksen käytäntöjäsi.

Tämä opas pyrkii tarjoamaan selkeitä esimerkkejä, käytännön neuvoja ja kattavan yleiskuvauksen, jotta kehittäjät ympäri maailmaa voivat tehokkaasti hallita asynkronista kontekstia AsyncLocalStorage:n avulla JavaScript-sovelluksissaan. Muista harkita suorituskykyvaikutuksia ja vaihtoehtoja varmistaaksesi parhaan ratkaisun juuri sinun tarpeisiisi.