JavaScript Async Local Storage: Kontekstinhallinnan mestarointi asynkronisissa ympäristöissä

Asynkroninen ohjelmointi on olennainen osa modernia JavaScriptiä, erityisesti Node.js:ssä palvelinpuolen sovelluksissa ja yhä enemmän myös selaimessa. Kontekstin – pyyntöön, käyttäjäistuntoon tai transaktioon liittyvän tiedon – hallinta asynkronisten operaatioiden yli voi kuitenkin olla haastavaa. Perinteiset tekniikat, kuten datan välittäminen funktiokutsujen kautta, voivat muuttua kömpelöiksi ja virhealttiiksi, erityisesti monimutkaisissa sovelluksissa. Tässä kohtaa Async Local Storage (ALS) astuu kuvaan tehokkaana ratkaisuna.

Mikä on Async Local Storage (ALS)?

Async Local Storage (ALS) tarjoaa tavan tallentaa dataa, joka on paikallista tietylle asynkroniselle operaatiolle. Sitä voi ajatella säiekohtaisena tallennustilana (thread-local storage) muissa ohjelmointikielissä, mutta sovitettuna JavaScriptin yksisäikeiseen, tapahtumapohjaiseen malliin. ALS mahdollistaa datan liittämisen nykyiseen asynkroniseen suorituskontekstiin, jolloin se on saatavilla koko asynkronisen kutsuketjun ajan ilman, että sitä tarvitsee erikseen välittää argumentteina.

Pohjimmiltaan ALS luo tallennustilan, joka välittyy automaattisesti eteenpäin samassa kontekstissa aloitettujen asynkronisten operaatioiden kautta. Tämä yksinkertaistaa kontekstinhallintaa ja vähentää merkittävästi tilan ylläpitämiseen tarvittavaa toistuvaa koodia (boilerplate) asynkronisten rajapintojen yli.

Miksi käyttää Async Local Storagea?

ALS tarjoaa useita keskeisiä etuja asynkronisessa JavaScript-kehityksessä:

• Yksinkertaistettu kontekstinhallinta: Vältä kontekstimuuttujien välittämistä useiden funktiokutsujen läpi, mikä vähentää koodin sekavuutta ja parantaa luettavuutta.
• Parempi virheenkorjaus: Seuraa helposti pyyntökohtaisia tietoja koko asynkronisen kutsupinon ajan, mikä helpottaa virheenkorjausta ja vianmääritystä.
• Vähemmän toistuvaa koodia: Poistaa tarpeen välittää kontekstia manuaalisesti, mikä johtaa siistimpään ja helpommin ylläpidettävään koodiin.
• Parempi suorituskyky: Kontekstin välittäminen hoidetaan automaattisesti, mikä minimoi manuaaliseen välittämiseen liittyvän suorituskykyrasituksen.
• Keskitetty pääsy kontekstiin: Tarjoaa yhden, selkeästi määritellyn paikan kontekstitietojen käyttämiseen, mikä yksinkertaistaa niiden käyttöä ja muokkaamista.

Async Local Storagen käyttötapaukset

ALS on erityisen hyödyllinen tilanteissa, joissa sinun on seurattava pyyntökohtaista dataa asynkronisten operaatioiden yli. Tässä on joitakin yleisiä käyttötapauksia:

1. Pyyntöjen seuranta verkkopalvelimissa

Verkkopalvelimella jokaista saapuvaa pyyntöä voidaan käsitellä erillisenä asynkronisena kontekstina. ALS:ää voidaan käyttää pyyntökohtaisten tietojen, kuten pyynnön ID:n, käyttäjän ID:n, todennustunnisteen ja muiden oleellisten tietojen tallentamiseen. Tämä mahdollistaa helpon pääsyn näihin tietoihin mistä tahansa sovelluksesi osasta, joka käsittelee pyyntöä, mukaan lukien middleware, kontrollerit ja tietokantakyselyt.

Esimerkki (Node.js Expressillä):

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

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

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    console.log(`Request ${requestId} started`);
    next();
  });
});

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

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

Tässä esimerkissä jokaiselle saapuvalle pyynnölle annetaan yksilöllinen pyyntö-ID, joka tallennetaan Async Local Storageen. Tätä ID:tä voidaan sitten käyttää mistä tahansa pyynnönkäsittelijän osasta, mikä mahdollistaa pyynnön seuraamisen sen koko elinkaaren ajan.

2. Käyttäjäistuntojen hallinta

ALS:ää voidaan käyttää myös käyttäjäistuntojen hallintaan. Kun käyttäjä kirjautuu sisään, voit tallentaa käyttäjän istuntotiedot (esim. käyttäjän ID, roolit, oikeudet) ALS:ään. Tämä mahdollistaa helpon pääsyn käyttäjän istuntotietoihin mistä tahansa sovelluksesi osasta, joka niitä tarvitsee, ilman että niitä tarvitsee välittää argumentteina.

Esimerkki:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function authenticateUser(username, password) {
  // Simulate authentication
  if (username === 'user' && password === 'password') {
    const userSession = { userId: 123, username: 'user', roles: ['admin'] };
    asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
      asyncLocalStorage.getStore().set('userSession', userSession);
      console.log('User authenticated, session stored in ALS');
      return true;
    });
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

function getUserSession() {
  return asyncLocalStorage.getStore() ? asyncLocalStorage.getStore().get('userSession') : null;
}

function someAsyncOperation() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      const userSession = getUserSession();
      if (userSession) {
        console.log(`Async operation: User ID: ${userSession.userId}`);
        resolve();
      } else {
        console.log('Async operation: No user session found');
        resolve();
      }
    }, 100);
  });
}

async function main() {
  if (authenticateUser('user', 'password')) {
    await someAsyncOperation();
  } else {
    console.log('Authentication failed');
  }
}

main();

Tässä esimerkissä onnistuneen todennuksen jälkeen käyttäjän istunto tallennetaan ALS:ään. Funktio `someAsyncOperation` voi sitten käyttää näitä istuntotietoja ilman, että niitä tarvitsee erikseen välittää sille argumenttina.

3. Transaktioiden hallinta

Tietokantatransaktioissa ALS:ää voidaan käyttää transaktio-objektin tallentamiseen. Tämä mahdollistaa pääsyn transaktio-objektiin mistä tahansa sovelluksesi osasta, joka osallistuu transaktioon, varmistaen että kaikki operaatiot suoritetaan saman transaktion sisällä.

4. Lokitus ja auditointi

ALS:ää voidaan käyttää kontekstikohtaisten tietojen tallentamiseen lokitusta ja auditointia varten. Voit esimerkiksi tallentaa käyttäjän ID:n, pyynnön ID:n ja aikaleiman ALS:ään ja sisällyttää nämä tiedot lokiviesteihisi. Tämä helpottaa käyttäjien toiminnan seuraamista ja mahdollisten tietoturvaongelmien tunnistamista.

Kuinka käyttää Async Local Storagea

Async Local Storagen käyttöön liittyy kolme päävaihetta:

1. Luo AsyncLocalStorage-instanssi: Luo instanssi `AsyncLocalStorage`-luokasta.
2. Suorita koodi kontekstin sisällä: Käytä `run()`-metodia suorittaaksesi koodia tietyssä kontekstissa. `run()`-metodi ottaa kaksi argumenttia: tallennustilan (store, yleensä Map tai objekti) ja takaisinkutsufunktion (callback). Tallennustila on saatavilla kaikille takaisinkutsufunktion sisällä käynnistetyille asynkronisille operaatioille.
3. Käytä tallennustilaa: Käytä `getStore()`-metodia päästäksesi käsiksi tallennustilaan asynkronisen kontekstin sisältä.

Esimerkki:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function doSomethingAsync() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      const value = asyncLocalStorage.getStore().get('myKey');
      console.log('Value from ALS:', value);
      resolve();
    }, 500);
  });
}

async function main() {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), async () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('myKey', 'Hello from ALS!');
    await doSomethingAsync();
  });
}

main();

AsyncLocalStorage API

`AsyncLocalStorage`-luokka tarjoaa seuraavat metodit:

• constructor(): Luo uuden AsyncLocalStorage-instanssin.
• run(store, callback, ...args): Suorittaa annetun takaisinkutsufunktion kontekstissa, jossa annettu tallennustila on saatavilla. Tallennustila on tyypillisesti `Map` tai tavallinen JavaScript-objekti. Kaikki takaisinkutsun sisällä käynnistetyt asynkroniset operaatiot perivät tämän kontekstin. Takaisinkutsufunktiolle voidaan välittää lisäargumentteja.
• getStore(): Palauttaa nykyisen tallennustilan nykyiselle asynkroniselle kontekstille. Palauttaa `undefined`, jos nykyiseen kontekstiin ei ole liitetty tallennustilaa.
• disable(): Poistaa AsyncLocalStorage-instanssin käytöstä. Kun se on poistettu käytöstä, `run()` ja `getStore()` eivät enää toimi.

Huomioitavaa ja parhaat käytännöt

Vaikka ALS on tehokas työkalu, on tärkeää käyttää sitä harkitusti. Tässä on joitakin huomioita ja parhaita käytäntöjä:

• Vältä liiallista käyttöä: Älä käytä ALS:ää kaikkeen. Käytä sitä vain, kun sinun tarvitsee seurata kontekstia asynkronisten rajapintojen yli. Harkitse yksinkertaisempia ratkaisuja, kuten tavallisia muuttujia, jos kontekstia ei tarvitse välittää asynkronisten kutsujen läpi.
• Suorituskyky: Vaikka ALS on yleensä tehokas, liiallinen käyttö voi vaikuttaa suorituskykyyn. Mittaa ja optimoi koodiasi tarvittaessa. Huomioi ALS:ään sijoitettavan tallennustilan koko. Suuret objektit voivat vaikuttaa suorituskykyyn, erityisesti jos käynnistetään monia asynkronisia operaatioita.
• Kontekstinhallinta: Varmista, että hallitset tallennustilan elinkaarta oikein. Luo uusi tallennustila jokaista pyyntöä tai istuntoa varten ja siivoa se, kun sitä ei enää tarvita. Vaikka ALS itsessään auttaa hallitsemaan laajuutta (scope), tallennustilan *sisällä* oleva data vaatii silti asianmukaista käsittelyä ja roskienkeruuta.
• Virheenkäsittely: Ole tarkkana virheenkäsittelyn kanssa. Jos asynkronisen operaation sisällä tapahtuu virhe, konteksti saattaa kadota. Harkitse try-catch-lohkojen käyttöä virheiden käsittelyyn ja varmista, että konteksti säilyy oikein.
• Virheenkorjaus: ALS-pohjaisten sovellusten virheenkorjaus voi olla haastavaa. Käytä virheenkorjaustyökaluja ja lokitusta suorituksen kulun seuraamiseen ja mahdollisten ongelmien tunnistamiseen.
• Yhteensopivuus: ALS on saatavilla Node.js-versiossa 14.5.0 ja uudemmissa. Varmista, että ympäristösi tukee ALS:ää ennen sen käyttöä. Vanhemmille Node.js-versioille harkitse vaihtoehtoisia ratkaisuja, kuten continuation-local storage (CLS), vaikka niillä voi olla erilaiset suorituskykyominaisuudet ja APIt.

Vaihtoehdot Async Local Storagelle

Ennen ALS:n käyttöönottoa kehittäjät turvautuivat usein muihin tekniikoihin kontekstin hallinnassa asynkronisessa JavaScriptissä. Tässä on joitakin yleisiä vaihtoehtoja:

• Kontekstin eksplisiittinen välittäminen: Kontekstimuuttujien välittäminen argumentteina jokaiselle funktiolle kutsuketjussa. Tämä lähestymistapa on yksinkertainen, mutta siitä voi tulla työläs ja virhealtis monimutkaisissa sovelluksissa. Se myös vaikeuttaa refaktorointia, sillä kontekstitietojen muuttaminen vaatii monien funktioiden allekirjoituksen muokkaamista.
• Continuation-Local Storage (CLS): CLS tarjoaa samankaltaisen toiminnallisuuden kuin ALS, mutta se perustuu erilaiseen mekanismiin. CLS käyttää ns. monkey-patching-tekniikkaa siepatakseen asynkronisia operaatioita ja välittääkseen kontekstin. Tämä lähestymistapa voi olla monimutkaisempi ja sillä voi olla suorituskykyvaikutuksia.
• Kirjastot ja kehykset: Jotkin kirjastot ja kehykset tarjoavat omia kontekstinhallintamekanismejaan. Esimerkiksi Express.js tarjoaa middlewaren pyyntökohtaisen datan hallintaan.

Vaikka nämä vaihtoehdot voivat olla hyödyllisiä tietyissä tilanteissa, ALS tarjoaa elegantimman ja tehokkaamman ratkaisun kontekstin hallintaan asynkronisessa JavaScriptissä.

Yhteenveto

Async Local Storage (ALS) on tehokas työkalu kontekstin hallintaan asynkronisissa JavaScript-sovelluksissa. Tarjoamalla tavan tallentaa tietoja, jotka ovat paikallisia tietylle asynkroniselle operaatiolle, ALS yksinkertaistaa kontekstinhallintaa, parantaa virheenkorjausta ja vähentää toistuvaa koodia. Rakennatpa sitten verkkopalvelinta, hallinnoit käyttäjäistuntoja tai käsittelet tietokantatransaktioita, ALS voi auttaa sinua kirjoittamaan siistimpää, ylläpidettävämpää ja tehokkaampaa koodia.

Asynkroninen ohjelmointi yleistyy jatkuvasti JavaScriptissä, mikä tekee ALS:n kaltaisten työkalujen ymmärtämisestä yhä tärkeämpää. Ymmärtämällä sen oikean käytön ja rajoitukset kehittäjät voivat luoda vankempia ja hallittavampia sovelluksia, jotka pystyvät skaalautumaan ja sopeutumaan erilaisiin käyttäjätarpeisiin maailmanlaajuisesti. Kokeile ALS:ää projekteissasi ja huomaa, miten se voi yksinkertaistaa asynkronisia työnkulkuja ja parantaa sovellusarkkitehtuuriasi.

Lisäresurssit

• Node.js AsyncLocalStorage -dokumentaatio
• async-local-storage npm-paketti (vanhemmille Node.js-versioille)
• Async Local Storage Node.js:ssä - YouTube