JavaScript Async Context & Thread Safety: A Deep Dive into Context Isolation Management

Šiuolaikinio programinės įrangos kūrimo pasaulyje, ypač serverio pusės programose, būsenos valdymas yra esminis iššūkis. Kalboms su daugiasriegiu užklausos modeliu, sriegui vietinė saugykla yra įprastas sprendimas duomenims izoliuoti kiekvienam sriegiui ir kiekvienai užklausai. Bet kas atsitinka vieno sriegio, įvykių pagrindu veikiančioje aplinkoje, tokioje kaip Node.js? Kaip saugiai valdyti užklausai būdingą kontekstą – pvz., operacijos ID, vartotojo sesiją arba lokalizacijos nustatymus – per sudėtingą asinchroninių operacijų grandinę, kad jis nenutekėtų į kitas lygiagrečias užklausas?

Tai yra pagrindinė asinchroninio konteksto valdymo problema. Jei jos neišspręsite, kodas bus netvarkingas, sugriežtės susiejimas ir, blogiausiu atveju, įvyks katastrofiškų klaidų, kai vieno vartotojo užklausos duomenys užterš kito vartotojo duomenis. Tai yra klausimas, kaip pasiekti „sriegių saugumą“ pasaulyje be tradicinių sriegių.

Šiame išsamiame vadove bus nagrinėjama šios problemos evoliucija JavaScript ekosistemoje, nuo skausmingų rankinių sprendimų iki šiuolaikinio, patikimo sprendimo, kurį teikia `AsyncLocalStorage` API Node.js. Išnagrinėsime, kaip jis veikia, kodėl jis yra būtinas kuriant keičiamo mastelio ir stebimas sistemas ir kaip jį efektyviai įdiegti savo programose.

The Challenge: The Disappearing Context in Asynchronous JavaScript

Norėdami tikrai įvertinti sprendimą, pirmiausia turime giliai suprasti problemą. JavaScript vykdymo modelis pagrįstas vienu sriegiu ir įvykių kilpa. Kai inicijuojama asinchroninė operacija (pvz., duomenų bazės užklausa, HTTP skambutis arba `setTimeout`), ji perkeliama į atskirą sistemą (pvz., OS branduolį arba sriegių rinkinį). JavaScript sriegis gali toliau vykdyti kitą kodą. Kai asinchroninė operacija baigiama, atgalinio iškvietimo funkcija įtraukiama į eilę, o įvykių kilpa ją įvykdys, kai tik skambučių dėklas bus tuščias.

Šis modelis yra neįtikėtinai efektyvus I/O operacijoms, tačiau jis sukuria didelį iššūkį: vykdymo kontekstas prarandamas tarp asinchroninės operacijos inicijavimo ir jos atgalinio iškvietimo vykdymo. Atgalinis iškvietimas vykdomas kaip naujas įvykių kilpos posūkis, atskirtas nuo skambučių dėklo, kuris jį pradėjo.

Iliustruokime tai įprastu žiniatinklio serverio scenarijumi. Įsivaizduokite, kad norime užregistruoti unikalų `requestID` su kiekvienu veiksmu, atliktu užklausos gyvavimo ciklo metu.

The Naive Approach (and Why It Fails)

Kūrėjas, kuris neseniai pradėjo naudoti Node.js, gali bandyti naudoti visuotinį kintamąjį:

            
let globalRequestID = null;

// A simulated database call
function getUserFromDB(userId) {
  console.log(`[${globalRequestID}] Fetching user ${userId}`);
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ id: userId, name: 'Jane Doe' }), 100));
}

// A simulated external service call
async function getPermissions(user) {
  console.log(`[${globalRequestID}] Getting permissions for ${user.name}`);
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 150));
  console.log(`[${globalRequestID}] Permissions retrieved`);
  return { canEdit: true };
}

// Our main request handler logic
async function handleRequest(requestID) {
  globalRequestID = requestID;
  console.log(`[${globalRequestID}] Starting request processing`);
  const user = await getUserFromDB(123);
  const permissions = await getPermissions(user);
  console.log(`[${globalRequestID}] Request finished successfully`);
}

// Simulate two concurrent requests arriving at nearly the same time
console.log("Simulating concurrent requests...");
handleRequest('req-A');
handleRequest('req-B');

            

              
                Copy
              
            
          

Jei paleisite šį kodą, išvestis bus sugadinta:

            
Simulating concurrent requests...
[req-A] Starting request processing
[req-A] Fetching user 123
[req-B] Starting request processing
[req-B] Fetching user 123
[req-B] Getting permissions for Jane Doe
[req-B] Getting permissions for Jane Doe
[req-B] Permissions retrieved
[req-B] Request finished successfully
[req-B] Permissions retrieved
[req-B] Request finished successfully

            

              
                Copy
              
            
          

Atkreipkite dėmesį, kaip `req-B` iš karto perrašo `globalRequestID`. Kai `req-A` atnaujinamos asinchroninės operacijos, visuotinis kintamasis jau pakeistas, o visi vėlesni žurnalai neteisingai pažymėti `req-B`. Tai yra klasikinė lenktynių sąlyga ir puikus pavyzdys, kodėl visuotinė būsena yra pražūtinga lygiagrečioje aplinkoje.

The Painful Workaround: Prop Drilling

Tiesioginis ir, be abejo, labiausiai apsunkinantis sprendimas yra perduoti konteksto objektą per kiekvieną funkciją skambučių grandinėje. Tai dažnai vadinama „prop drilling“.

            
// context is now an explicit parameter
function getUserFromDB(userId, context) {
  console.log(`[${context.requestID}] Fetching user ${userId}`);
  // ...
}

async function getPermissions(user, context) {
  console.log(`[${context.requestID}] Getting permissions for ${user.name}`);
  // ...
}

async function handleRequest(requestID) {
  const context = { requestID };
  console.log(`[${context.requestID}] Starting request processing`);
  const user = await getUserFromDB(123, context);
  const permissions = await getPermissions(user, context);
  console.log(`[${context.requestID}] Request finished successfully`);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tai veikia. Tai saugu ir nuspėjama. Tačiau jis turi didelių trūkumų:

• Boilerplate: Kiekviena funkcijos parašas, nuo aukščiausio lygio valdiklio iki žemiausio lygio priemonės, turi būti modifikuota, kad priimtų ir perduotų `context` objektą.
• Tight Coupling: Funkcijos, kurioms pačioms nereikia konteksto, bet kurios yra skambučių grandinės dalis, yra priverstos apie tai žinoti. Tai pažeidžia švarios architektūros ir rūpesčių atskyrimo principus.
• Error-Prone: Kūrėjas gali lengvai pamiršti perduoti kontekstą vienu lygiu žemyn, nutraukdamas grandinę visiems vėlesniems skambučiams.

Node.js bendruomenė daugelį metų grūmėsi su šia problema, todėl atsirado įvairių bibliotekų pagrindu sukurtų sprendimų.

Predecessors and Early Attempts: The Path to Modern Context Management

The Deprecated `domain` Module

Ankstyvosiose Node.js versijose buvo įvestas `domain` modulis kaip būdas tvarkyti klaidas ir grupuoti I/O operacijas. Jis netiesiogiai susiejo asinchroninius atgalinius iškvietimus su aktyvia „domain“, kuri taip pat galėjo turėti konteksto duomenis. Nors tai atrodė perspektyvu, jis turėjo didelių našumo sąnaudų ir buvo ypač nepatikimas, su subtiliais kraštutiniais atvejais, kai kontekstas galėjo būti prarastas. Galiausiai jis buvo nebenaudojamas ir neturėtų būti naudojamas šiuolaikinėse programose.

Continuation-Local Storage (CLS) Libraries

Bendruomenė įsikišo su „Continuation-Local Storage“ koncepcija. Tokios bibliotekos kaip `cls-hooked` tapo labai populiarios. Jos veikė prisijungiant prie Node vidinės `async_hooks` API, kuri suteikia matomumą į asinchroninių išteklių gyvavimo ciklą.

Šios bibliotekos iš esmės pataisė arba „monkey-patched“ Node.js asinchroninius primityvus, kad galėtų sekti dabartinį kontekstą. Kai buvo inicijuota asinchroninė operacija, biblioteka išsaugojo dabartinį kontekstą. Kai buvo suplanuotas jos atgalinio iškvietimo vykdymas, biblioteka atkūrė tą kontekstą prieš vykdydama atgalinį iškvietimą.

Nors `cls-hooked` ir panašios bibliotekos buvo labai svarbios, jos vis dar buvo laikinas sprendimas. Jos rėmėsi vidinėmis API, kurios galėjo keistis, galėjo turėti savo našumo pasekmių ir kartais stengėsi teisingai sekti kontekstą su naujesnėmis JavaScript kalbos funkcijomis, tokiomis kaip `async/await`, jei nebuvo puikiai sukonfigūruotos.

The Modern Solution: Introducing `AsyncLocalStorage`

Pripažindama kritinį stabilaus, pagrindinio sprendimo poreikį, Node.js komanda pristatė `AsyncLocalStorage` API. Ji tapo stabili Node.js v14 ir yra standartinis, rekomenduojamas būdas valdyti asinchroninį kontekstą šiandien. Jis naudoja tą patį galingą `async_hooks` mechanizmą, tačiau suteikia švarią, patikimą ir našią viešąją API.

`AsyncLocalStorage` leidžia sukurti izoliuotą saugyklos kontekstą, kuris išlieka visoje asinchroninių operacijų grandinėje, efektyviai sukuriant „užklausai vietinę“ saugyklą be prop drilling.

Core Concepts and Methods

Naudojant `AsyncLocalStorage` sukasi apie keletą pagrindinių metodų:

• new AsyncLocalStorage(): Pradedate sukurdami klasės egzempliorių. Paprastai sukuriate vieną egzempliorių konkrečiam konteksto tipui (pvz., vieną visoms HTTP užklausoms) ir eksportuojate jį iš bendro modulio.
• .run(store, callback): Tai yra įėjimo taškas. Jis priima du argumentus: `store` (duomenis, kuriuos norite padaryti prieinamus) ir `callback` funkciją. Jis iš karto vykdo atgalinį iškvietimą ir visą sinchroninę ir asinchroninę to atgalinio iškvietimo vykdymo trukmę pateiktas `store` yra pasiekiamas.
• .getStore(): Tai yra būdas gauti duomenis. Kai jis iškviečiamas iš funkcijos, kuri yra asinchroninio srauto, pradėto `.run()`, dalis, jis grąžina `store` objektą, susietą su tuo kontekstu. Jei jis iškviečiamas už tokio konteksto ribų, jis grąžina `undefined`.

Pertvarkykime savo ankstesnį pavyzdį naudodami `AsyncLocalStorage`.

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

// 1. Create a single, shared instance
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// 2. Our functions no longer need a 'context' parameter
function getUserFromDB(userId) {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Fetching user ${userId}`);
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ id: userId, name: 'Jane Doe' }), 100));
}

async function getPermissions(user) {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Getting permissions for ${user.name}`);
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 150));
  console.log(`[${store.requestID}] Permissions retrieved`);
  return { canEdit: true };
}

async function businessLogic() {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log(`[${store.requestID}] Starting request processing`);
  const user = await getUserFromDB(123);
  const permissions = await getPermissions(user);
  console.log(`[${store.requestID}] Request finished successfully`);
}

// 3. The main request handler uses .run() to establish the context
function handleRequest(requestID) {
  const context = { requestID };
  asyncLocalStorage.run(context, () => {
    // Everything called from here, sync or async, has access to the context
    businessLogic();
  });
}

console.log("Simulating concurrent requests with AsyncLocalStorage...");
handleRequest('req-A');
handleRequest('req-B');

            

              
                Copy
              
            
          

Išvestis dabar yra visiškai teisinga ir izoliuota:

            
Simulating concurrent requests with AsyncLocalStorage...
[req-A] Starting request processing
[req-A] Fetching user 123
[req-B] Starting request processing
[req-B] Fetching user 123
[req-A] Getting permissions for Jane Doe
[req-B] Getting permissions for Jane Doe
[req-A] Permissions retrieved
[req-A] Request finished successfully
[req-B] Permissions retrieved
[req-B] Request finished successfully

            

              
                Copy
              
            
          

Atkreipkite dėmesį į švarų atskyrimą. Funkcijos `getUserFromDB` ir `getPermissions` yra švarios; jos neturi `context` parametro. Jos gali tiesiog paprašyti konteksto, kai joms to reikia per `getStore()`. Kontekstas nustatomas vieną kartą užklausos įėjimo taške (`handleRequest`) ir netiesiogiai perkeliamas per visą asinchroninę grandinę.

Practical Implementation: A Real-World Example with Express.js

Vienas iš galingiausių `AsyncLocalStorage` naudojimo atvejų yra žiniatinklio serverio sistemose, tokiose kaip Express.js, valdyti užklausos apimties kontekstą. Sukurkime praktinį pavyzdį.

Scenario

Mes turime žiniatinklio programą, kuri turi:

1. Priskirti unikalų `requestID` kiekvienai gaunamai užklausai, kad būtų galima atsekti.
2. Turėti centralizuotą registravimo tarnybą, kuri automatiškai įtrauktų šį `requestID` į kiekvieną žinyno pranešimą, neperduodant jo rankiniu būdu.
3. Padaryti vartotojo informaciją prieinamą žemyninėms tarnyboms po autentifikavimo.

Step 1: Create a Central Context Service

Geriausia praktika yra sukurti vieną modulį, kuris valdytų `AsyncLocalStorage` egzempliorių.

File: `context.js`

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

// This instance is shared across the entire application
const requestContext = new AsyncLocalStorage();

module.exports = { requestContext };

            

              
                Copy
              
            
          

Step 2: Create a Middleware to Establish Context

Express, tarpinė programinė įranga yra puiki vieta naudoti `.run()`, kad apvyniotumėte visą užklausos gyvavimo ciklą.

File: `app.js` (or your main server file)

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

const app = express();

// Middleware to establish the async context for each request
app.use((req, res, next) => {
  const store = {
    requestID: uuidv4(),
    user: null // Will be populated after authentication
  };

  // .run() wraps the rest of the request handling (next())
  requestContext.run(store, () => {
    logger.info(`Request started: ${req.method} ${req.url}`);
    next();
  });
});

// A simulated authentication middleware
app.use((req, res, next) => {
  // In a real app, you'd verify a token here
  const store = requestContext.getStore();
  if (store) {
    store.user = { id: 'user-123', name: 'Alice' };
  }
  next();
});

// Your application routes
app.get('/user', async (req, res) => {
  logger.info('Handling /user request');
  try {
    const userProfile = await userService.getProfile();
    res.json(userProfile);
  } catch (error) {
    logger.error('Failed to get user profile', { error: error.message });
    res.status(500).send('Internal Server Error');
  }
});

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

            

              
                Copy
              
            
          

Step 3: A Logger That Automatically Uses the Context

Čia vyksta magija. Mūsų žurnalynas gali visiškai nežinoti apie Express, užklausas ar vartotojus. Jis žino tik apie mūsų centrinę konteksto tarnybą.

File: `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
              
            
          

Step 4: A Deeply Nested Service That Accesses the Context

Mūsų `userService` dabar gali užtikrintai pasiekti užklausai būdingą informaciją, neperduodant jokių parametrų iš valdiklio.

File: `userService.js`

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

// A simulated database call
async function fetchUserDetailsFromDB(userId) {
  logger.info(`Fetching details for user ${userId} from database.`);
  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('User not authenticated');
  }

  logger.info(`Building profile for user: ${store.user.name}`);

  // Even deeper async calls will maintain context
  const details = await fetchUserDetailsFromDB(store.user.id);

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

module.exports = { getProfile };

            

              
                Copy
              
            
          

Kai paleidžiate šį serverį ir pateikiate užklausą `http://localhost:3000/user`, jūsų konsolės žurnalai aiškiai parodys, kad tas pats `requestID` yra kiekviename žinyno pranešime, nuo pradinės tarpinės programinės įrangos iki giliausios duomenų bazės funkcijos, demonstruojant puikią konteksto izoliaciją.

Thread Safety and Context Isolation Explained

Dabar galime grįžti prie termino „sriegių saugumas“. Node.js susirūpinimas nėra dėl to, kad keli sriegiai vienu metu lygiagrečiai pasiekia tą pačią atmintį. Vietoj to, tai yra apie kelias lygiagrečias operacijas (užklausas), kurios persipina jų vykdymą viename pagrindiniame sriegyje per įvykių kilpą. „Saugumo“ problema yra užtikrinti, kad vienos operacijos kontekstas nenutekėtų į kitą.

`AsyncLocalStorage` tai pasiekia susiejant kontekstą su asinchroniniais ištekliais.

Štai supaprastintas protinis modelis, kas vyksta:

1. Kai iškviečiamas `asyncLocalStorage.run(store, ...)`, Node.js viduje sako: „Dabar įeinu į specialų kontekstą. Šio konteksto duomenys yra `store`.“ Jis priskiria unikalų vidinį ID šiam vykdymo kontekstui.
2. Bet kuri asinchroninė operacija, suplanuota, kol šis kontekstas yra aktyvus (pvz., `new Promise`, `setTimeout`, `fs.readFile`), yra pažymėta šiuo unikaliu konteksto ID.
3. Vėliau, kai įvykių kilpa paima atgalinį iškvietimą vienai iš šių pažymėtų operacijų, Node.js patikrina žymą. Jis sako: „Ak, šis atgalinis iškvietimas priklauso konteksto ID X. Dabar atkursiu tą kontekstą prieš vykdydamas atgalinį iškvietimą.“
4. Šis atkūrimas padaro teisingą `store` prieinamą `getStore()` atgalinio iškvietimo metu.
5. Kai ateina kita užklausa, jos skambutis į `.run()` sukuria visiškai naują kontekstą su kitu vidiniu ID, o jo asinchroninės operacijos yra pažymėtos šiuo nauju ID, užtikrinant nulinį sutapimą.

Šis patikimas, žemo lygio mechanizmas užtikrina, kad nepriklausomai nuo to, kaip įvykių kilpa persipina skirtingų užklausų atgalinių iškvietimų vykdymą, `getStore()` visada grąžins duomenis apie kontekstą, kuriame to atgalinio iškvietimo asinchroninė operacija iš pradžių buvo suplanuota.

Performance Considerations and Best Practices

Nors `AsyncLocalStorage` yra labai optimizuotas, jis nėra nemokamas. Pagrindiniai `async_hooks` prideda nedidelį krūvį prie kiekvieno asinchroninio ištekliaus kūrimo ir užbaigimo. Tačiau daugumai programų, ypač I/O operacijų, šis krūvis yra nereikšmingas, palyginti su kodo aiškumo, prižiūrimumo ir stebimumo pranašumais.

• Instantiate Once: Sukurkite `AsyncLocalStorage` egzempliorius aukščiausiame savo programos lygyje ir pakartotinai juos naudokite. Nekurkite naujų egzempliorių vienai užklausai.
• Keep the Store Lean: Konteksto saugykla nėra talpykla. Naudokite ją mažiems, esminiams duomenų elementams, tokiems kaip ID, žetonai arba lengvi vartotojo objektai. Venkite saugoti didelius krovinius.
• Establish Context at Clear Entry Points: Geriausios vietos iškviesti `.run()` yra apibrėžtoje nepriklausomo asinchroninio srauto pradžioje. Tai apima serverio užklausos tarpinę programinę įrangą, pranešimų eilės vartotojus arba užduočių planuokles.
• Be Mindful of Fire-and-Forget Operations: Jei pradedate asinchroninę operaciją `run` kontekste, bet jos ne `await` (pvz., `doSomething().catch(...)`), ji vis tiek teisingai pavelės kontekstą. Tai yra galinga funkcija fono užduotims, kurias reikia atsekti iki jų kilmės.
• Understand Nesting: Galite įdėti skambučius į `.run()`. Iškviesti `.run()` iš esamo konteksto sukurs naują, įdėtą kontekstą. Tada `getStore()` grąžins vidinę saugyklą. Tai gali būti naudinga laikinai perrašyti arba papildyti kontekstą konkrečiai paprogramai.

Beyond Node.js: The Future with `AsyncContext`

Asinchroninio konteksto valdymo poreikis nėra būdingas tik Node.js. Pripažindamas jo svarbą visai JavaScript ekosistemai, oficialus pasiūlymas pavadinimu `AsyncContext` skinasi kelią per TC39 komitetą, kuris standartizuoja JavaScript (ECMAScript).

`AsyncContext` pasiūlymas yra labai įkvėptas Node.js `AsyncLocalStorage` ir siekia pateikti beveik identišką API, kuri būtų prieinama visose šiuolaikinėse JavaScript aplinkose, įskaitant žiniatinklio naršykles. Tai galėtų atverti galingas galimybes priekinės dalies kūrimui, pavyzdžiui, valdyti kontekstą sudėtingose sistemose, tokiose kaip React, lygiagretaus atvaizdavimo metu arba sekti vartotojo sąveikos srautus per sudėtingus komponentų medžius.

Conclusion: Embracing Declarative and Robust Asynchronous Code

Būsenos valdymas asinchroninėse operacijose yra apgaulingai sudėtinga problema, kuri daugelį metų kėlė iššūkių JavaScript kūrėjams. Kelionė nuo rankinio prop drilling ir trapių bendruomenės bibliotekų iki pagrindinės, stabilios API `AsyncLocalStorage` pavidalu žymi reikšmingą Node.js platformos subrendimą.

Suteikdamas mechanizmą saugiam, izoliuotam ir netiesiogiai platinamam kontekstui, `AsyncLocalStorage` leidžia mums rašyti švaresnį, labiau atsietą ir lengviau prižiūrimą kodą. Tai yra šiuolaikinių, stebimų sistemų, kuriose atsekimas, stebėjimas ir registravimas nėra apgalvoti, o įausti į programos struktūrą, kertinis akmuo.

Jei kuriate bet kurią netrivialią Node.js programą, kuri tvarko lygiagrečias operacijas, `AsyncLocalStorage` naudojimas nebėra tik geriausia praktika – tai yra pagrindinė technika, skirta pasiekti patikimumą ir keičiamumą asinchroniniame pasaulyje.