JavaScriptin asynkroninen konteksti: Pyyntökohtaiset muuttujat selitettynä

Asynkroninen ohjelmointi on modernin JavaScriptin kulmakivi, erityisesti Node.js:n kaltaisissa ympäristöissä, joissa samanaikaisten pyyntöjen käsittely on ensisijaisen tärkeää. Tilan ja riippuvuuksien hallinta asynkronisten operaatioiden välillä voi kuitenkin nopeasti muuttua monimutkaiseksi. Pyyntökohtaiset muuttujat, jotka ovat käytettävissä yhden pyynnön koko elinkaaren ajan, tarjoavat tehokkaan ratkaisun. Tämä artikkeli syventyy JavaScriptin asynkronisen kontekstin käsitteeseen, keskittyen pyyntökohtaisiin muuttujiin ja niiden tehokkaaseen hallintaan. Tutkimme erilaisia lähestymistapoja, natiiveista moduuleista kolmannen osapuolen kirjastoihin, tarjoten käytännön esimerkkejä ja näkemyksiä, jotka auttavat sinua rakentamaan vankkoja ja ylläpidettäviä sovelluksia.

Asynkronisen kontekstin ymmärtäminen JavaScriptissä

JavaScriptin yksisäikeinen luonne yhdistettynä sen tapahtumasilmukkaan mahdollistaa ei-blokkaavat operaatiot. Tämä asynkronisuus on välttämätöntä responsiivisten sovellusten rakentamisessa. Se tuo kuitenkin mukanaan myös haasteita kontekstin hallinnassa. Synkronisessa ympäristössä muuttujat ovat luonnollisesti rajattu funktioiden ja lohkojen sisälle. Sen sijaan asynkroniset operaatiot voivat olla hajallaan useissa funktioissa ja tapahtumasilmukan iteraatioissa, mikä vaikeuttaa yhtenäisen suorituskontekstin ylläpitämistä.

Kuvittele verkkopalvelin, joka käsittelee useita pyyntöjä samanaikaisesti. Jokainen pyyntö tarvitsee oman tietojoukkonsa, kuten käyttäjän todennustiedot, pyyntötunnisteet lokitusta varten ja tietokantayhteydet. Ilman mekanismia näiden tietojen eristämiseen on olemassa riski tietojen vioittumisesta ja odottamattomasta käyttäytymisestä. Tässä kohtaa pyyntökohtaiset muuttujat astuvat kuvaan.

Mitä ovat pyyntökohtaiset muuttujat?

Pyyntökohtaiset muuttujat ovat muuttujia, jotka ovat spesifisiä yhdelle pyynnölle tai transaktiolle asynkronisessa järjestelmässä. Ne mahdollistavat datan tallentamisen ja käyttämisen, joka on relevanttia vain nykyiselle pyynnölle, varmistaen eristyksen samanaikaisten operaatioiden välillä. Ajattele niitä omistettuna tallennustilana, joka on liitetty jokaiseen saapuvaan pyyntöön ja säilyy pyynnön käsittelyssä tehtyjen asynkronisten kutsujen yli. Tämä on ratkaisevan tärkeää datan eheyden ja ennustettavuuden ylläpitämiseksi asynkronisissa ympäristöissä.

Tässä on muutamia keskeisiä käyttötapauksia:

• Käyttäjän todentaminen: Käyttäjätietojen tallentaminen todennuksen jälkeen, jolloin ne ovat kaikkien myöhempien operaatioiden saatavilla pyynnön elinkaaren aikana.
• Pyyntötunnisteet lokitusta ja jäljitystä varten: Yksilöllisen tunnisteen antaminen jokaiselle pyynnölle ja sen välittäminen järjestelmän läpi lokiviestien korreloimiseksi ja suorituspolun jäljittämiseksi.
• Tietokantayhteydet: Tietokantayhteyksien hallinta pyyntökohtaisesti asianmukaisen eristyksen varmistamiseksi ja yhteysvuotojen estämiseksi.
• Konfiguraatioasetukset: Pyyntökohtaisten konfiguraatioiden tai asetusten tallentaminen, joihin sovelluksen eri osat voivat päästä käsiksi.
• Transaktioiden hallinta: Transaktionaalisen tilan hallinta yhden pyynnön sisällä.

Toteutustapoja pyyntökohtaisille muuttujille

Pyyntökohtaisten muuttujien toteuttamiseen voidaan käyttää useita lähestymistapoja. Jokaisella lähestymistavalla on omat kompromissinsa monimutkaisuuden, suorituskyvyn ja yhteensopivuuden suhteen. Tarkastellaan joitakin yleisimpiä tekniikoita.

1. Manuaalinen kontekstin välittäminen

Perustavanlaatuisin lähestymistapa on välittää kontekstitiedot manuaalisesti argumentteina jokaiselle asynkroniselle funktiolle. Vaikka tämä menetelmä on helppo ymmärtää, se voi nopeasti muuttua hankalaksi ja virheherkäksi, erityisesti syvälle sisäkkäisissä asynkronisissa kutsuissa.

Esimerkki:

function handleRequest(req, res) {
  const userId = authenticateUser(req);
  processData(userId, req, res);
}

function processData(userId, req, res) {
  fetchDataFromDatabase(userId, (err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, req, res);
    }
    renderResponse(data, userId, req, res);
  });
}

function renderResponse(data, userId, req, res) {
  // Käytä userId:tä vastauksen personointiin
  res.end(`Hello, user ${userId}! Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

Kuten näet, välitämme manuaalisesti `userId`:n, `req`:n ja `res`:n jokaiseen funktioon. Tämän hallinta muuttuu yhä vaikeammaksi monimutkaisempien asynkronisten virtojen myötä.

Haitat:

• Toistuva koodi: Kontekstin eksplisiittinen välittäminen jokaiselle funktiolle luo paljon turhaa koodia.
• Virheherkkyys: Kontekstin välittäminen on helppo unohtaa, mikä johtaa bugeihin.
• Refaktoroinnin vaikeus: Kontekstin muuttaminen vaatii jokaisen funktion allekirjoituksen muokkaamista.
• Tiukka kytkentä: Funktiot kytkeytyvät tiukasti saamaansa spesifiseen kontekstiin.

2. AsyncLocalStorage (Node.js v14.5.0+)

Node.js esitteli `AsyncLocalStorage`:n sisäänrakennettuna mekanismina kontekstin hallintaan asynkronisten operaatioiden yli. Se tarjoaa tavan tallentaa dataa, joka on saatavilla asynkronisen tehtävän koko elinkaaren ajan. Tämä on yleisesti suositeltu lähestymistapa nykyaikaisille Node.js-sovelluksille. `AsyncLocalStorage` toimii `run`- ja `enterWith`-metodien kautta varmistaakseen, että konteksti välittyy oikein.

Esimerkki:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function handleRequest(req, res) {
  const requestId = generateRequestId();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    processData(res);
  });
}

function processData(res) {
  fetchDataFromDatabase((err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, res);
    }
    renderResponse(data, res);
  });
}

function fetchDataFromDatabase(callback) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // ... hae dataa käyttäen pyynnön ID:tä lokitukseen/jäljitykseen
  setTimeout(() => {
    callback(null, { message: 'Data from database' });
  }, 100);
}

function renderResponse(data, res) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.end(`Request ID: ${requestId}, Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

Tässä esimerkissä `asyncLocalStorage.run` luo uuden kontekstin (jota edustaa `Map`) ja suorittaa annetun takaisinkutsun tuossa kontekstissa. `requestId` tallennetaan kontekstiin ja on saatavilla `fetchDataFromDatabase`- ja `renderResponse`-funktioissa käyttämällä `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`. Myös `req` on saatavilla samalla tavalla. Anonyymi funktio käärii päälogiikan. Mikä tahansa asynkroninen operaatio tämän funktion sisällä perii automaattisesti kontekstin.

Edut:

• Sisäänrakennettu: Ei vaadi ulkoisia riippuvuuksia nykyaikaisissa Node.js-versioissa.
• Automaattinen kontekstin välitys: Konteksti välittyy automaattisesti asynkronisten operaatioiden yli.
• Tyyppiturvallisuus: TypeScriptin käyttö voi parantaa tyyppiturvallisuutta kontekstimuuttujia käytettäessä.
• Selkeä vastuunjako: Funktioiden ei tarvitse olla eksplisiittisesti tietoisia kontekstista.

Haitat:

• Vaatii Node.js v14.5.0:n tai uudemman: Vanhempia Node.js-versioita ei tueta.
• Pieni suorituskykyhaitta: Kontekstin vaihtamiseen liittyy pieni suorituskykyhaitta.
• Tallennustilan manuaalinen hallinta: `run`-metodi vaatii tallennusobjektin välittämistä, joten `Map` tai vastaava objekti on luotava jokaista pyyntöä varten.

3. cls-hooked (Jatkumokohtainen tallennus)

`cls-hooked` on kirjasto, joka tarjoaa jatkumokohtaisen tallennuksen (CLS), mahdollistaen datan liittämisen nykyiseen suorituskontekstiin. Se on ollut suosittu valinta pyyntökohtaisten muuttujien hallintaan Node.js:ssä monien vuosien ajan, ennen natiivia `AsyncLocalStorage`:a. Vaikka `AsyncLocalStorage` on nyt yleisesti suositeltavampi, `cls-hooked` on edelleen käyttökelpoinen vaihtoehto, erityisesti vanhemmissa koodikannoissa tai kun tuetaan vanhempia Node.js-versioita. On kuitenkin hyvä pitää mielessä sen suorituskykyvaikutukset.

Esimerkki:

const cls = require('cls-hooked');
const namespace = cls.createNamespace('my-app');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

cls.getNamespace = () => namespace;

const express = require('express');
const app = express();

app.use((req, res, next) => {
  namespace.run(() => {
    const requestId = uuidv4();
    namespace.set('requestId', requestId);
    namespace.set('request', req);
    next();
  });
});

app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = namespace.get('requestId');
  console.log(`Request ID: ${requestId}`);
  res.send(`Hello, Request ID: ${requestId}`);
});

app.get('/data', (req, res) => {
  const requestId = namespace.get('requestId');

  setTimeout(() => {
    // Simuloi asynkronista operaatiota
    console.log(`Asynchronous operation - Request ID: ${requestId}`);
    res.send(`Data, Request ID: ${requestId}`);
  }, 500);
});

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

Tässä esimerkissä `cls.createNamespace` luo nimiavaruuden pyyntökohtaisen datan tallentamiseen. Middleware käärii jokaisen pyynnön `namespace.run`:iin, joka luo kontekstin pyynnölle. `namespace.set` tallentaa `requestId`:n kontekstiin, ja `namespace.get` noutaa sen myöhemmin reitinkäsittelijässä ja simuloidun asynkronisen operaation aikana. UUID:tä käytetään yksilöllisten pyyntötunnisteiden luomiseen.

Edut:

• Laajalti käytetty: `cls-hooked` on ollut suosittu valinta monien vuosien ajan ja sillä on suuri yhteisö.
• Yksinkertainen API: API on suhteellisen helppo käyttää ja ymmärtää.
• Tukee vanhempia Node.js-versioita: Se on yhteensopiva vanhempien Node.js-versioiden kanssa.

Haitat:

• Suorituskykyhaitta: `cls-hooked` perustuu "monkey-patchingiin", mikä voi aiheuttaa suorituskykyhaittaa. Tämä voi olla merkittävää suuritehoisissa sovelluksissa.
• Mahdolliset konfliktit: "Monkey-patching" voi mahdollisesti aiheuttaa konflikteja muiden kirjastojen kanssa.
• Ylläpidon haasteet: Koska `AsyncLocalStorage` on natiivi ratkaisu, tuleva kehitys- ja ylläpitotyö keskittyy todennäköisesti siihen.

4. Zone.js

Zone.js on kirjasto, joka tarjoaa suorituskontekstin, jota voidaan käyttää asynkronisten operaatioiden seuraamiseen. Vaikka Zone.js tunnetaan pääasiassa sen käytöstä Angularissa, sitä voidaan käyttää myös Node.js:ssä pyyntökohtaisten muuttujien hallintaan. Se on kuitenkin monimutkaisempi ja raskaampi ratkaisu verrattuna `AsyncLocalStorage`:en tai `cls-hooked`:iin, eikä sitä yleensä suositella, ellei Zone.js ole jo käytössä sovelluksessasi.

Edut:

• Kattava konteksti: Zone.js tarjoaa erittäin kattavan suorituskontekstin.
• Integraatio Angularin kanssa: Saumaton integraatio Angular-sovellusten kanssa.

Haitat:

• Monimutkaisuus: Zone.js on monimutkainen kirjasto, jolla on jyrkkä oppimiskäyrä.
• Suorituskykyhaitta: Zone.js voi aiheuttaa merkittävää suorituskykyhaittaa.
• Ylimitoitettu yksinkertaisille pyyntökohtaisille muuttujille: Se on ylimitoitettu ratkaisu yksinkertaiseen pyyntökohtaisten muuttujien hallintaan.

5. Middleware-funktiot

Verkkosovelluskehyksissä, kuten Express.js:ssä, middleware-funktiot tarjoavat kätevän tavan siepata pyyntöjä ja suorittaa toimintoja ennen kuin ne saavuttavat reitinkäsittelijät. Voit käyttää middlewarea asettamaan pyyntökohtaisia muuttujia ja tekemään ne saataville myöhemmille middleware-funktioille ja reitinkäsittelijöille. Tämä yhdistetään usein johonkin toiseen menetelmään, kuten `AsyncLocalStorage`:en.

Esimerkki (käyttäen AsyncLocalStoragea Express-middlewaressa):

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

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

// Middleware pyyntökohtaisten muuttujien asettamiseen
app.use((req, res, next) => {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    const requestId = uuidv4();
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    next();
  });
});

// Reitinkäsittelijä
app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.send(`Hello! Request ID: ${requestId}`);
});

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

Tämä esimerkki näyttää, kuinka middlewarea käytetään asettamaan `requestId` `AsyncLocalStorage`:en ennen kuin pyyntö saavuttaa reitinkäsittelijän. Reitinkäsittelijä voi sitten käyttää `requestId`:tä `AsyncLocalStorage`:sta.

Edut:

• Keskitetty kontekstinhallinta: Middleware-funktiot tarjoavat keskitetyn paikan pyyntökohtaisten muuttujien hallintaan.
• Selkeä vastuunjako: Reitinkäsittelijöiden ei tarvitse olla suoraan mukana kontekstin luomisessa.
• Helppo integraatio kehyksiin: Middleware-funktiot integroituvat hyvin verkkosovelluskehyksiin, kuten Express.js:ään.

Haitat:

• Vaatii kehyksen: Tämä lähestymistapa soveltuu pääasiassa verkkosovelluskehyksille, jotka tukevat middlewarea.
• Perustuu muihin tekniikoihin: Middleware on tyypillisesti yhdistettävä johonkin toiseen tekniikkaan (esim. `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked`) kontekstin varsinaiseen tallentamiseen ja välittämiseen.

Parhaat käytännöt pyyntökohtaisten muuttujien käyttöön

Tässä on joitakin parhaita käytäntöjä, jotka kannattaa ottaa huomioon käytettäessä pyyntökohtaisia muuttujia:

• Valitse oikea lähestymistapa: Valitse tarpeisiisi parhaiten sopiva lähestymistapa ottaen huomioon tekijöitä, kuten Node.js-versio, suorituskykyvaatimukset ja monimutkaisuus. Yleisesti ottaen `AsyncLocalStorage` on nykyään suositeltu ratkaisu nykyaikaisille Node.js-sovelluksille.
• Käytä yhtenäistä nimeämiskäytäntöä: Käytä yhtenäistä nimeämiskäytäntöä pyyntökohtaisille muuttujillesi parantaaksesi koodin luettavuutta ja ylläpidettävyyttä. Esimerkiksi, lisää kaikkiin pyyntökohtaisiin muuttujiin etuliite `req_`.
• Dokumentoi kontekstisi: Dokumentoi selkeästi jokaisen pyyntökohtaisen muuttujan tarkoitus ja kuinka sitä käytetään sovelluksessa.
• Vältä arkaluontoisen datan tallentamista suoraan: Harkitse arkaluontoisen datan salaamista tai peittämistä ennen sen tallentamista pyyntökontekstiin. Vältä salasanojen kaltaisten salaisuuksien tallentamista suoraan.
• Siivoa konteksti: Joissakin tapauksissa saatat joutua siivoamaan kontekstin pyynnön käsittelyn jälkeen muistivuotojen tai muiden ongelmien välttämiseksi. `AsyncLocalStorage`:n kanssa konteksti tyhjennetään automaattisesti, kun `run`-takaisinkutsu valmistuu, mutta muiden lähestymistapojen, kuten `cls-hooked`:n kanssa, saatat joutua tyhjentämään nimiavaruuden eksplisiittisesti.
• Ota huomioon suorituskyky: Ole tietoinen pyyntökohtaisten muuttujien käytön suorituskykyvaikutuksista, erityisesti `cls-hooked`:n kaltaisten lähestymistapojen kanssa, jotka perustuvat "monkey-patchingiin". Testaa sovelluksesi perusteellisesti tunnistaaksesi ja korjataksesi mahdolliset suorituskyvyn pullonkaulat.
• Käytä TypeScriptiä tyyppiturvallisuuteen: Jos käytät TypeScriptiä, hyödynnä sitä määrittääksesi pyyntökontekstin rakenteen ja varmistaaksesi tyyppiturvallisuuden kontekstimuuttujia käytettäessä. Tämä vähentää virheitä ja parantaa ylläpidettävyyttä.
• Harkitse lokikirjaston käyttöä: Integroi pyyntökohtaiset muuttujasi lokikirjastoon sisällyttääksesi kontekstitiedot automaattisesti lokiviesteihisi. Tämä helpottaa pyyntöjen jäljittämistä ja ongelmien virheenjäljitystä. Suositut lokikirjastot, kuten Winston ja Morgan, tukevat kontekstin välittämistä.
• Käytä korrelaatiotunnisteita hajautettuun jäljitykseen: Kun käsittelet mikropalveluita tai hajautettuja järjestelmiä, käytä korrelaatiotunnisteita seurataksesi pyyntöjä useiden palveluiden välillä. Korrelaatiotunniste voidaan tallentaa pyyntökontekstiin ja välittää muihin palveluihin HTTP-otsikoiden tai muiden mekanismien avulla.

Esimerkkejä todellisesta maailmasta

Katsotaan muutamia esimerkkejä todellisesta maailmasta, kuinka pyyntökohtaisia muuttujia voidaan käyttää eri skenaarioissa:

• Verkkokauppasovellus: Verkkokauppasovelluksessa voit käyttää pyyntökohtaisia muuttujia tallentamaan tietoja käyttäjän ostoskorista, kuten korissa olevat tuotteet, toimitusosoite ja maksutapa. Näihin tietoihin pääsevät käsiksi sovelluksen eri osat, kuten tuotekatalogi, kassaprosessi ja tilaustenkäsittelyjärjestelmä.
• Rahoitussovellus: Rahoitussovelluksessa voit käyttää pyyntökohtaisia muuttujia tallentamaan tietoja käyttäjän tilistä, kuten tilin saldo, tapahtumahistoria ja sijoitussalkku. Näihin tietoihin pääsevät käsiksi sovelluksen eri osat, kuten tilinhallintajärjestelmä, kaupankäyntialusta ja raportointijärjestelmä.
• Terveydenhuoltosovellus: Terveydenhuoltosovelluksessa voit käyttää pyyntökohtaisia muuttujia tallentamaan tietoja potilaasta, kuten potilaan sairaushistoria, nykyiset lääkitykset ja allergiat. Näihin tietoihin pääsevät käsiksi sovelluksen eri osat, kuten sähköinen potilastietojärjestelmä (EHR), lääkemääräysjärjestelmä ja diagnostiikkajärjestelmä.
• Globaali sisällönhallintajärjestelmä (CMS): CMS, joka käsittelee sisältöä useilla kielillä, voi tallentaa käyttäjän ensisijaisen kielen pyyntökohtaisiin muuttujiin. Tämä antaa sovellukselle mahdollisuuden tarjota sisältöä automaattisesti oikealla kielellä koko käyttäjän istunnon ajan. Tämä varmistaa lokalisoidun kokemuksen, kunnioittaen käyttäjän kieliasetuksia.
• Moni-asiakas SaaS-sovellus: Software-as-a-Service (SaaS) -sovelluksessa, joka palvelee useita asiakkaita (tenantteja), asiakastunniste voidaan tallentaa pyyntökohtaisiin muuttujiin. Tämä antaa sovellukselle mahdollisuuden eristää data ja resurssit kullekin asiakkaalle, varmistaen tietosuojan ja turvallisuuden. Tämä on elintärkeää moni-asiakasarkkitehtuurin eheyden ylläpitämiseksi.

Yhteenveto

Pyyntökohtaiset muuttujat ovat arvokas työkalu tilan ja riippuvuuksien hallintaan asynkronisissa JavaScript-sovelluksissa. Tarjoamalla mekanismin datan eristämiseen samanaikaisten pyyntöjen välillä, ne auttavat varmistamaan datan eheyden, parantamaan koodin ylläpidettävyyttä ja yksinkertaistamaan virheenjäljitystä. Vaikka manuaalinen kontekstin välittäminen on mahdollista, modernit ratkaisut, kuten Node.js:n `AsyncLocalStorage`, tarjoavat vankemman ja tehokkaamman tavan käsitellä asynkronista kontekstia. Oikean lähestymistavan huolellinen valinta, parhaiden käytäntöjen noudattaminen ja pyyntökohtaisten muuttujien integrointi lokitus- ja jäljitystyökaluihin voivat merkittävästi parantaa asynkronisen JavaScript-koodisi laatua ja luotettavuutta. Asynkronisista konteksteista voi tulla erityisen hyödyllisiä mikropalveluarkkitehtuureissa.

JavaScript-ekosysteemin kehittyessä jatkuvasti on ratkaisevan tärkeää pysyä ajan tasalla uusimmista tekniikoista asynkronisen kontekstin hallintaan, jotta voidaan rakentaa skaalautuvia, ylläpidettäviä ja vankkoja sovelluksia. `AsyncLocalStorage` tarjoaa puhtaan ja suorituskykyisen ratkaisun pyyntökohtaisille muuttujille, ja sen käyttöönotto on erittäin suositeltavaa uusissa projekteissa. On kuitenkin tärkeää ymmärtää eri lähestymistapojen, mukaan lukien vanhempien ratkaisujen kuten `cls-hooked`, kompromissit olemassa olevien koodikantojen ylläpidossa ja siirtämisessä. Omaksu nämä tekniikat kesyttääksesi asynkronisen ohjelmoinnin monimutkaisuudet ja rakentaaksesi luotettavampia ja tehokkaampia JavaScript-sovelluksia globaalille yleisölle.