JavaScript asinchroninis kontekstas: demistifikuojame užklausos srities kintamuosius

Asinchroninis programavimas yra šiuolaikinio JavaScript pagrindas, ypač aplinkose, tokiose kaip Node.js, kur svarbiausia yra apdoroti vienu metu vykstančias užklausas. Tačiau būsenos ir priklausomybių valdymas asinchroninėse operacijose gali greitai tapti sudėtingas. Užklausos srities kintamieji, pasiekiami per visą vienos užklausos gyvavimo ciklą, siūlo galingą sprendimą. Šiame straipsnyje gilinamasi į JavaScript asinchroninio konteksto sąvoką, daugiausia dėmesio skiriant užklausos srities kintamiesiems ir jų efektyvaus valdymo metodams. Išnagrinėsime įvairius metodus, nuo vietinių modulių iki trečiųjų šalių bibliotekų, pateikdami praktinių pavyzdžių ir įžvalgų, kurios padės jums kurti tvirtas ir lengvai prižiūrimas programas.

Asinchroninio konteksto supratimas JavaScript

JavaScript vienos gijos prigimtis, kartu su įvykių ciklu, leidžia atlikti neblokuojančias operacijas. Šis asinchroniškumas yra būtinas kuriant greitai reaguojančias programas. Tačiau tai taip pat sukelia iššūkių valdant kontekstą. Sinchroninėje aplinkoje kintamieji natūraliai yra apibrėžti funkcijų ir blokų ribose. Priešingai, asinchroninės operacijos gali būti išskaidytos per kelias funkcijas ir įvykių ciklo iteracijas, todėl sunku išlaikyti nuoseklų vykdymo kontekstą.

Įsivaizduokite žiniatinklio serverį, kuris vienu metu apdoroja kelias užklausas. Kiekvienai užklausai reikia savo duomenų rinkinio, pavyzdžiui, vartotojo autentifikavimo informacijos, užklausos ID žurnalų rašymui ir duomenų bazės ryšių. Be mechanizmo, skirto šiems duomenims izoliuoti, rizikuojate duomenų sugadinimu ir netikėtu elgesiu. Būtent čia į pagalbą ateina užklausos srities kintamieji.

Kas yra užklausos srities kintamieji?

Užklausos srities kintamieji yra kintamieji, būdingi vienai užklausai ar transakcijai asinchroninėje sistemoje. Jie leidžia saugoti ir pasiekti duomenis, kurie yra svarbūs tik dabartinei užklausai, užtikrinant izoliaciją tarp vienu metu vykstančių operacijų. Galvokite apie juos kaip apie specialią saugyklą, priskirtą kiekvienai gaunamai užklausai, kuri išlieka per asinchroninius iškvietimus, atliekamus tvarkant tą užklausą. Tai yra labai svarbu norint išlaikyti duomenų vientisumą ir nuspėjamumą asinchroninėse aplinkose.

Štai keletas pagrindinių naudojimo atvejų:

• Vartotojo autentifikavimas: Vartotojo informacijos saugojimas po autentifikavimo, kad ji būtų pasiekiama visoms vėlesnėms operacijoms užklausos gyvavimo ciklo metu.
• Užklausų ID žurnalų rašymui ir sekimui: Unikalaus ID priskyrimas kiekvienai užklausai ir jo perdavimas per sistemą, siekiant susieti žurnalų įrašus ir sekti vykdymo kelią.
• Duomenų bazės ryšiai: Duomenų bazės ryšių valdymas kiekvienai užklausai, siekiant užtikrinti tinkamą izoliaciją ir išvengti ryšių nutekėjimo.
• Konfigūracijos nustatymai: Užklausai specifinės konfigūracijos ar nustatymų saugojimas, kuriuos gali pasiekti skirtingos programos dalys.
• Transakcijų valdymas: Transakcijos būsenos valdymas vienos užklausos ribose.

Metodai užklausos srities kintamųjų įgyvendinimui

JavaScript galima naudoti kelis metodus užklausos srities kintamiesiems įgyvendinti. Kiekvienas metodas turi savo kompromisus sudėtingumo, našumo ir suderinamumo atžvilgiu. Išnagrinėkime keletą labiausiai paplitusių technikų.

1. Rankinis konteksto perdavimas

Pats paprasčiausias metodas apima rankinį konteksto informacijos perdavimą kaip argumentus kiekvienai asinchroninei funkcijai. Nors šis metodas yra paprastas suprasti, jis gali greitai tapti sudėtingas ir linkęs į klaidas, ypač giliai įdėtuose asinchroniniuose iškvietimuose.

Pavyzdys:

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) {
  // Naudokite userId atsakymui personalizuoti
  res.end(`Hello, user ${userId}! Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

Kaip matote, mes rankiniu būdu perduodame `userId`, `req` ir `res` kiekvienai funkcijai. Tai tampa vis sunkiau valdoma esant sudėtingesniems asinchroniniams srautams.

Trūkumai:

• Pasikartojantis kodas: Eksplicitus konteksto perdavimas kiekvienai funkcijai sukuria daug perteklinio kodo.
• Linkęs į klaidas: Lengva pamiršti perduoti kontekstą, kas veda prie klaidų.
• Refaktorizavimo sunkumai: Keičiant kontekstą reikia modifikuoti kiekvienos funkcijos signatūrą.
• Glaudus susiejimas: Funkcijos tampa glaudžiai susijusios su konkrečiu gaunamu kontekstu.

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

Node.js pristatė `AsyncLocalStorage` kaip integruotą mechanizmą kontekstui valdyti asinchroninėse operacijose. Jis suteikia būdą saugoti duomenis, kurie yra pasiekiami per visą asinchroninės užduoties gyvavimo ciklą. Paprastai tai yra rekomenduojamas metodas šiuolaikinėms Node.js programoms. `AsyncLocalStorage` veikia per `run` ir `enterWith` metodus, siekiant užtikrinti, kad kontekstas būtų teisingai perduodamas.

Pavyzdys:

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');
  // ... gauti duomenis naudojant užklausos ID žurnalų rašymui/sekimui
  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)}`);
}

Šiame pavyzdyje `asyncLocalStorage.run` sukuria naują kontekstą (pavaizduotą `Map`) ir vykdo pateiktą atgalinio ryšio funkciją (callback) tame kontekste. `requestId` yra saugomas kontekste ir yra pasiekiamas `fetchDataFromDatabase` ir `renderResponse` funkcijose naudojant `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`. `req` yra panašiai padaromas pasiekiamu. Anoniminė funkcija apgaubia pagrindinę logiką. Bet kokia asinchroninė operacija šioje funkcijoje automatiškai paveldės kontekstą.

Privalumai:

• Integruotas: Šiuolaikinėse Node.js versijose nereikia jokių išorinių priklausomybių.
• Automatinis konteksto perdavimas: Kontekstas automatiškai perduodamas per asinchronines operacijas.
• Tipų saugumas: Naudojant TypeScript galima pagerinti tipų saugumą pasiekiant konteksto kintamuosius.
• Aiškus atsakomybių atskyrimas: Funkcijoms nereikia eksplicitiškai žinoti apie kontekstą.

Trūkumai:

• Reikalinga Node.js v14.5.0 ar naujesnė versija: Senesnės Node.js versijos nepalaikomos.
• Nežymus našumo praradimas: Yra nedidelis našumo praradimas, susijęs su konteksto perjungimu.
• Rankinis saugyklos valdymas: `run` metodui reikia perduoti saugyklos objektą, todėl kiekvienai užklausai reikia sukurti Map ar panašų objektą.

3. cls-hooked (Tęstinė vietinė saugykla)

`cls-hooked` yra biblioteka, kuri suteikia tęstinę vietinę saugyklą (CLS), leidžiančią susieti duomenis su dabartiniu vykdymo kontekstu. Tai buvo populiarus pasirinkimas valdant užklausos srities kintamuosius Node.js daugelį metų, dar prieš atsirandant `AsyncLocalStorage`. Nors dabar `AsyncLocalStorage` yra labiau pageidaujamas, `cls-hooked` išlieka perspektyvus variantas, ypač senesnėms kodų bazėms arba palaikant senesnes Node.js versijas. Tačiau atminkite, kad tai turi įtakos našumui.

Pavyzdys:

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(() => {
    // Simuliuoti asinchroninę operaciją
    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');
});

Šiame pavyzdyje `cls.createNamespace` sukuria vardų erdvę (namespace) užklausos srities duomenims saugoti. Tarpinė programinė įranga (middleware) apgaubia kiekvieną užklausą `namespace.run` funkcija, kuri sukuria kontekstą užklausai. `namespace.set` saugo `requestId` kontekste, o `namespace.get` jį vėliau gauna užklausos apdorojimo funkcijoje (handler) ir imituojamos asinchroninės operacijos metu. UUID naudojamas unikaliems užklausų ID sukurti.

Privalumai:

• Plačiai naudojamas: `cls-hooked` daugelį metų buvo populiarus pasirinkimas ir turi didelę bendruomenę.
• Paprasta API: API yra gana lengva naudoti ir suprasti.
• Palaiko senesnes Node.js versijas: Jis suderinamas su senesnėmis Node.js versijomis.

Trūkumai:

• Našumo praradimas: `cls-hooked` remiasi „monkey-patching“ metodu, kuris gali sukelti našumo praradimą. Tai gali būti reikšminga didelio pralaidumo programose.
• Konfliktų potencialas: „Monkey-patching“ gali konfliktuoti su kitomis bibliotekomis.
• Priežiūros problemos: Kadangi `AsyncLocalStorage` yra natūralus sprendimas, ateities plėtra ir priežiūros pastangos greičiausiai bus sutelktos į jį.

4. Zone.js

Zone.js yra biblioteka, kuri suteikia vykdymo kontekstą, kurį galima naudoti asinchroninėms operacijoms sekti. Nors labiausiai žinoma dėl savo naudojimo Angular, Zone.js taip pat gali būti naudojama Node.js valdyti užklausos srities kintamuosius. Tačiau tai yra sudėtingesnis ir sunkesnis sprendimas, palyginti su `AsyncLocalStorage` ar `cls-hooked`, ir paprastai nerekomenduojamas, nebent jau naudojate Zone.js savo programoje.

Privalumai:

• Išsamus kontekstas: Zone.js suteikia labai išsamų vykdymo kontekstą.
• Integracija su Angular: Sklandi integracija su Angular programomis.

Trūkumai:

• Sudėtingumas: Zone.js yra sudėtinga biblioteka su stačia mokymosi kreive.
• Našumo praradimas: Zone.js gali sukelti didelį našumo praradimą.
• Perteklinis sprendimas paprastiems užklausos srities kintamiesiems: Tai yra perteklinis sprendimas paprastam užklausos srities kintamųjų valdymui.

5. Tarpinės programinės įrangos funkcijos (Middleware)

Žiniatinklio programų karkasuose, tokiuose kaip Express.js, tarpinės programinės įrangos funkcijos (middleware) suteikia patogų būdą perimti užklausas ir atlikti veiksmus, kol jos pasiekia maršrutų apdorojimo funkcijas. Galite naudoti tarpinę programinę įrangą, kad nustatytumėte užklausos srities kintamuosius ir padarytumėte juos pasiekiamus vėlesnėms tarpinės programinės įrangos ir maršrutų apdorojimo funkcijoms. Tai dažnai derinama su vienu iš kitų metodų, pavyzdžiui, `AsyncLocalStorage`.

Pavyzdys (naudojant AsyncLocalStorage su Express tarpine programine įranga):

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

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

// Tarpinė programinė įranga užklausos srities kintamiesiems nustatyti
app.use((req, res, next) => {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    const requestId = uuidv4();
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    next();
  });
});

// Maršruto apdorojimo funkcija
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');
});

Šis pavyzdys parodo, kaip naudoti tarpinę programinę įrangą, kad `requestId` būtų nustatytas `AsyncLocalStorage` prieš užklausai pasiekiant maršruto apdorojimo funkciją. Tada maršruto apdorojimo funkcija gali pasiekti `requestId` iš `AsyncLocalStorage`.

Privalumai:

• Centralizuotas konteksto valdymas: Tarpinės programinės įrangos funkcijos suteikia centralizuotą vietą užklausos srities kintamiesiems valdyti.
• Aiškus atsakomybių atskyrimas: Maršrutų apdorojimo funkcijos neturi būti tiesiogiai įtrauktos į konteksto nustatymą.
• Lengva integracija su karkasais: Tarpinės programinės įrangos funkcijos yra gerai integruotos su žiniatinklio programų karkasais, tokiais kaip Express.js.

Trūkumai:

• Reikalingas karkasas: Šis metodas pirmiausia tinka žiniatinklio programų karkasams, kurie palaiko tarpinę programinę įrangą.
• Remiasi kitomis technikomis: Tarpinę programinę įrangą paprastai reikia derinti su viena iš kitų technikų (pvz., `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked`), kad būtų galima iš tikrųjų saugoti ir perduoti kontekstą.

Geroji praktika naudojant užklausos srities kintamuosius

Štai keletas gerosios praktikos patarimų, į kuriuos verta atsižvelgti naudojant užklausos srities kintamuosius:

• Pasirinkite tinkamą metodą: Pasirinkite metodą, kuris geriausiai atitinka jūsų poreikius, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip Node.js versija, našumo reikalavimai ir sudėtingumas. Paprastai `AsyncLocalStorage` dabar yra rekomenduojamas sprendimas šiuolaikinėms Node.js programoms.
• Naudokite nuoseklų pavadinimų suteikimo susitarimą: Naudokite nuoseklų pavadinimų suteikimo susitarimą savo užklausos srities kintamiesiems, kad pagerintumėte kodo skaitomumą ir priežiūrą. Pavyzdžiui, visus užklausos srities kintamuosius pradėkite prefiksu `req_`.
• Dokumentuokite savo kontekstą: Aiškiai dokumentuokite kiekvieno užklausos srities kintamojo paskirtį ir kaip jis naudojamas programoje.
• Venkite tiesioginio jautrių duomenų saugojimo: Apsvarstykite galimybę užšifruoti ar maskuoti jautrius duomenis prieš juos saugant užklausos kontekste. Venkite tiesioginio slaptų duomenų, pavyzdžiui, slaptažodžių, saugojimo.
• Išvalykite kontekstą: Kai kuriais atvejais gali tekti išvalyti kontekstą po to, kai užklausa buvo apdorota, kad išvengtumėte atminties nutekėjimo ar kitų problemų. Naudojant `AsyncLocalStorage`, kontekstas automatiškai išvalomas, kai baigiasi `run` atgalinio ryšio funkcija, tačiau su kitais metodais, pavyzdžiui, `cls-hooked`, gali tekti eksplicitiškai išvalyti vardų erdvę.
• Atsižvelkite į našumą: Būkite sąmoningi dėl našumo pasekmių, kylančių naudojant užklausos srities kintamuosius, ypač su metodais, tokiais kaip `cls-hooked`, kurie remiasi „monkey-patching“. Kruopščiai išbandykite savo programą, kad nustatytumėte ir pašalintumėte bet kokius našumo trūkumus.
• Naudokite TypeScript tipų saugumui: Jei naudojate TypeScript, pasinaudokite juo, kad apibrėžtumėte savo užklausos konteksto struktūrą ir užtikrintumėte tipų saugumą pasiekiant konteksto kintamuosius. Tai sumažina klaidų skaičių ir pagerina priežiūrą.
• Apsvarstykite galimybę naudoti žurnalų rašymo biblioteką: Integruokite savo užklausos srities kintamuosius su žurnalų rašymo biblioteka, kad automatiškai įtrauktumėte konteksto informaciją į savo žurnalų įrašus. Tai palengvina užklausų sekimą ir problemų derinimą. Populiarios žurnalų rašymo bibliotekos, tokios kaip Winston ir Morgan, palaiko konteksto perdavimą.
• Naudokite koreliacijos ID paskirstytam sekimui: Dirbant su mikropaslaugomis ar paskirstytomis sistemomis, naudokite koreliacijos ID, kad sektumėte užklausas per kelias paslaugas. Koreliacijos ID gali būti saugomas užklausos kontekste ir perduodamas kitoms paslaugoms naudojant HTTP antraštes ar kitus mechanizmus.

Pavyzdžiai iš realaus pasaulio

Pažvelkime į keletą realaus pasaulio pavyzdžių, kaip užklausos srities kintamieji gali būti naudojami skirtingose situacijose:

• Elektroninės prekybos programa: Elektroninės prekybos programoje galite naudoti užklausos srities kintamuosius, kad saugotumėte informaciją apie vartotojo pirkinių krepšelį, pavyzdžiui, prekes krepšelyje, pristatymo adresą ir mokėjimo būdą. Šią informaciją gali pasiekti skirtingos programos dalys, tokios kaip prekių katalogas, atsiskaitymo procesas ir užsakymų apdorojimo sistema.
• Finansinė programa: Finansinėje programoje galite naudoti užklausos srities kintamuosius, kad saugotumėte informaciją apie vartotojo sąskaitą, pavyzdžiui, sąskaitos likutį, transakcijų istoriją ir investicijų portfelį. Šią informaciją gali pasiekti skirtingos programos dalys, tokios kaip sąskaitų valdymo sistema, prekybos platforma ir ataskaitų sistema.
• Sveikatos priežiūros programa: Sveikatos priežiūros programoje galite naudoti užklausos srities kintamuosius, kad saugotumėte informaciją apie pacientą, pavyzdžiui, paciento ligos istoriją, dabartinius vaistus ir alergijas. Šią informaciją gali pasiekti skirtingos programos dalys, tokios kaip elektroninė sveikatos įrašų (EHR) sistema, vaistų išrašymo sistema ir diagnostikos sistema.
• Pasaulinė turinio valdymo sistema (TVS): TVS, tvarkanti turinį keliomis kalbomis, gali saugoti vartotojo pageidaujamą kalbą užklausos srities kintamuosiuose. Tai leidžia programai automatiškai pateikti turinį teisinga kalba per visą vartotojo sesiją. Tai užtikrina lokalizuotą patirtį, atsižvelgiant į vartotojo kalbos nuostatas.
• Daugelio nuomininkų SaaS programa: Programoje „Programinė įranga kaip paslauga“ (SaaS), aptarnaujančioje kelis nuomininkus, nuomininko ID gali būti saugomas užklausos srities kintamuosiuose. Tai leidžia programai izoliuoti kiekvieno nuomininko duomenis ir išteklius, užtikrinant duomenų privatumą ir saugumą. Tai yra gyvybiškai svarbu norint išlaikyti daugelio nuomininkų architektūros vientisumą.

Išvada

Užklausos srities kintamieji yra vertingas įrankis valdant būseną ir priklausomybes asinchroninėse JavaScript programose. Suteikdami mechanizmą duomenims izoliuoti tarp vienu metu vykstančių užklausų, jie padeda užtikrinti duomenų vientisumą, pagerinti kodo priežiūrą ir supaprastinti derinimą. Nors rankinis konteksto perdavimas yra įmanomas, šiuolaikiniai sprendimai, tokie kaip Node.js `AsyncLocalStorage`, suteikia tvirtesnį ir efektyvesnį būdą valdyti asinchroninį kontekstą. Atidus tinkamo metodo pasirinkimas, gerosios praktikos laikymasis ir užklausos srities kintamųjų integravimas su žurnalų rašymo ir sekimo įrankiais gali labai pagerinti jūsų asinchroninio JavaScript kodo kokybę ir patikimumą. Asinchroniniai kontekstai gali tapti ypač naudingi mikropaslaugų architektūrose.

JavaScript ekosistemai toliau tobulėjant, svarbu neatsilikti nuo naujausių asinchroninio konteksto valdymo metodų, norint kurti mastelio keitimui pritaikytas, lengvai prižiūrimas ir tvirtas programas. `AsyncLocalStorage` siūlo švarų ir našų sprendimą užklausos srities kintamiesiems, ir jo pritaikymas yra labai rekomenduojamas naujiems projektams. Tačiau suprasti skirtingų metodų, įskaitant pasenusius sprendimus, tokius kaip `cls-hooked`, kompromisus yra svarbu prižiūrint ir migruojant esamas kodų bazes. Pasinaudokite šiomis technikomis, kad suvaldytumėte asinchroninio programavimo sudėtingumą ir kurtumėte patikimesnes bei efektyvesnes JavaScript programas pasaulinei auditorijai.