JavaScript Async Context: Request-Scoped Variabelen voor Globale Applicaties

In het voortdurend evoluerende landschap van webontwikkeling vereist het bouwen van robuuste en schaalbare applicaties, vooral die gericht op een wereldwijd publiek, een diepgaand begrip van asynchrone programmering en contextbeheer. Deze blogpost duikt in de fascinerende wereld van JavaScript Async Context, een krachtige techniek voor het omgaan met request-scoped variabelen en het aanzienlijk verbeteren van de prestaties, onderhoudbaarheid en debugbaarheid van uw applicaties, met name in de context van microservices en gedistribueerde systemen.

De uitdaging begrijpen: Asynchrone operaties en contextverlies

Moderne webapplicaties zijn gebouwd op asynchrone operaties. Van het afhandelen van gebruikersverzoeken tot het interageren met databases, het aanroepen van API's en het uitvoeren van achtergrondtaken, de asynchrone aard van JavaScript is fundamenteel. Deze asynchroniteit introduceert echter een aanzienlijke uitdaging: contextverlies. Wanneer een verzoek wordt verwerkt, moet data gerelateerd aan dat verzoek (bijv. gebruikers-ID, sessie-informatie, correlatie-ID's voor tracing) toegankelijk zijn gedurende de gehele verwerkingscyclus, zelfs over meerdere asynchrone functieaanroepen heen.

Stel u een scenario voor waarin een gebruiker, bijvoorbeeld uit Tokio (Japan), een verzoek indient bij een wereldwijd e-commerceplatform. Het verzoek activeert een reeks operaties: authenticatie, autorisatie, data ophalen uit de database (misschien gevestigd in Ierland), orderverwerking en ten slotte het verzenden van een bevestigingsmail. Zonder goed contextbeheer zou cruciale informatie zoals de landinstelling van de gebruiker (voor valuta- en taalformattering), het oorspronkelijke IP-adres van het verzoek (voor beveiliging) en een unieke identifier om het verzoek over al deze services te volgen, verloren gaan naarmate de asynchrone operaties zich ontvouwen.

Traditioneel hebben ontwikkelaars vertrouwd op workarounds zoals het handmatig doorgeven van contextvariabelen via functieparameters of het gebruiken van globale variabelen. Deze benaderingen zijn echter vaak omslachtig, foutgevoelig en kunnen leiden tot code die moeilijk te lezen en te onderhouden is. Handmatig context doorgeven kan snel onhandelbaar worden naarmate het aantal asynchrone operaties en geneste functieaanroepen toeneemt. Globale variabelen kunnen daarentegen onbedoelde neveneffecten introduceren en het moeilijk maken om te redeneren over de staat van de applicatie, vooral in multi-threaded omgevingen of bij microservices.

Introductie van Async Context: Een krachtige oplossing

JavaScript Async Context biedt een schonere en elegantere oplossing voor het probleem van contextpropagatie. Het stelt u in staat om data (context) te associëren met een asynchrone operatie en zorgt ervoor dat deze data automatisch beschikbaar is gedurende de gehele uitvoeringsketen, ongeacht het aantal asynchrone aanroepen of het niveau van nesting. Deze context is request-scoped, wat betekent dat de context die bij het ene verzoek hoort, geïsoleerd is van andere verzoeken, waardoor data-integriteit wordt gewaarborgd en kruisbesmetting wordt voorkomen.

Belangrijkste voordelen van het gebruik van Async Context:

• Verbeterde leesbaarheid van de code: Vermindert de noodzaak voor handmatige contextdoorgifte, wat resulteert in schonere en beknoptere code.
• Verbeterde onderhoudbaarheid: Maakt het gemakkelijker om contextdata te volgen en te beheren, wat debuggen en onderhoud vereenvoudigt.
• Vereenvoudigde foutafhandeling: Maakt gecentraliseerde foutafhandeling mogelijk door toegang te bieden tot contextinformatie tijdens foutrapportage.
• Verbeterde prestaties: Optimaliseert het gebruik van resources door ervoor te zorgen dat de juiste contextdata beschikbaar is wanneer dat nodig is.
• Verhoogde veiligheid: Faciliteert veilige operaties door het eenvoudig volgen van gevoelige informatie, zoals gebruikers-ID's en authenticatietokens, over alle asynchrone aanroepen heen.

Async Context implementeren in Node.js (en daarbuiten)

Hoewel de JavaScript-taal zelf geen ingebouwde Async Context-functie heeft, zijn er verschillende bibliotheken en technieken ontstaan om deze functionaliteit te bieden, met name in de Node.js-omgeving. Laten we een paar veelvoorkomende benaderingen bekijken:

1. De `async_hooks` module (Node.js core)

Node.js biedt een ingebouwde module genaamd `async_hooks` die low-level API's biedt voor het traceren van asynchrone resources. Het stelt u in staat om de levenscyclus van asynchrone operaties te volgen en in te haken op verschillende gebeurtenissen zoals creatie, vóór uitvoering en na uitvoering. Hoewel krachtig, vereist de `async_hooks` module meer handmatige inspanning om contextpropagatie te implementeren en wordt deze doorgaans gebruikt als bouwsteen voor bibliotheken op een hoger niveau.

            const async_hooks = require('async_hooks');

const context = new Map();

let executionAsyncId = 0;

const init = (asyncId, type, triggerAsyncId, resource) => {
  context.set(asyncId, {}); // Initialiseer een contextobject voor elke asynchrone operatie
};

const before = (asyncId) => {
  executionAsyncId = asyncId;
};

const after = (asyncId) => {
  executionAsyncId = 0; // Wis de huidige execution asyncId
};

const destroy = (asyncId) => {
  context.delete(asyncId); // Verwijder context wanneer de asynchrone operatie is voltooid
};

const asyncHook = async_hooks.createHook({
  init,
  before,
  after,
  destroy,
});

asyncHook.enable();

function getContext() {
  return context.get(executionAsyncId) || {};
}

function setContext(data) {
  const currentContext = getContext();
  context.set(executionAsyncId, { ...currentContext, ...data });
}

async function doSomethingAsync() {
  const contextData = getContext();
  console.log('Inside doSomethingAsync context:', contextData);
  // ... asynchrone operatie ...
}

async function main() {
  // Simuleer een verzoek
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);
  setContext({ requestId });
  console.log('Outside doSomethingAsync context:', getContext());
  await doSomethingAsync();
}

main();

            

              
                Copy
              
            
          

Uitleg:

• `async_hooks.createHook()`: Creëert een hook die de levenscyclusgebeurtenissen van asynchrone resources onderschept.
• `init`: Wordt aangeroepen wanneer een nieuwe asynchrone resource wordt gecreëerd. We gebruiken dit om een contextobject voor de resource te initialiseren.
• `before`: Wordt aangeroepen vlak voordat de callback van een asynchrone resource wordt uitgevoerd. We gebruiken dit om de executiecontext bij te werken.
• `after`: Wordt aangeroepen nadat de callback is uitgevoerd.
• `destroy`: Wordt aangeroepen wanneer een asynchrone resource wordt vernietigd. We verwijderen de bijbehorende context.
• `getContext()` en `setContext()`: Hulpfuncties om te lezen van en te schrijven naar de context store.

Hoewel dit voorbeeld de kernprincipes demonstreert, is het vaak eenvoudiger en beter onderhoudbaar om een specifieke bibliotheek te gebruiken.

2. Gebruik van de `cls-hooked` of `continuation-local-storage` bibliotheken

Voor een meer gestroomlijnde aanpak bieden bibliotheken zoals `cls-hooked` (of zijn voorganger `continuation-local-storage`, waarop `cls-hooked` is gebaseerd) abstracties op een hoger niveau over `async_hooks`. Deze bibliotheken vereenvoudigen het proces van het creëren en beheren van context. Ze gebruiken doorgaans een "store" (vaak een `Map` of een vergelijkbare datastructuur) om contextdata vast te houden, en ze propageren de context automatisch over asynchrone operaties.

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function middleware(req, res, next) {
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(2, 15);
  asyncLocalStorage.run({ requestId }, () => {
    // De rest van de logica voor de afhandeling van het verzoek...
    console.log('Middleware Context:', asyncLocalStorage.getStore());
    next();
  });
}

async function doSomethingAsync() {
  const store = asyncLocalStorage.getStore();
  console.log('Inside doSomethingAsync:', store);
  // ... asynchrone operatie ...
}

async function routeHandler(req, res) {
  console.log('Route Handler Context:', asyncLocalStorage.getStore());
  await doSomethingAsync();
  res.send('Request processed');
}

// Simuleer een verzoek
const request = { /*...*/ };
const response = { send: (message) => console.log('Response:', message) };

middleware(request, response, () => {
  routeHandler(request, response);
});

            

              
                Copy
              
            
          

Uitleg:

• `AsyncLocalStorage`: Deze kernklasse van Node.js wordt gebruikt om een instantie te creëren voor het beheren van asynchrone context.
• `asyncLocalStorage.run(context, callback)`: Deze methode wordt gebruikt om de context in te stellen voor de opgegeven callback-functie. Het propageert de context automatisch naar alle asynchrone operaties die binnen de callback worden uitgevoerd.
• `asyncLocalStorage.getStore()`: Deze methode wordt gebruikt om toegang te krijgen tot de huidige context binnen een asynchrone operatie. Het haalt de context op die is ingesteld door `asyncLocalStorage.run()`.

Het gebruik van `AsyncLocalStorage` vereenvoudigt contextbeheer. Het handelt automatisch de propagatie van contextdata over asynchrone grenzen af, waardoor de boilerplate-code wordt verminderd.

3. Contextpropagatie in Frameworks

Veel moderne webframeworks, zoals NestJS, Express, Koa en andere, bieden ingebouwde ondersteuning of aanbevolen patronen voor het implementeren van Async Context binnen hun applicatiestructuur. Deze frameworks integreren vaak met bibliotheken zoals `cls-hooked` of bieden hun eigen mechanismen voor contextbeheer. De keuze van het framework dicteert vaak de meest geschikte manier om request-scoped variabelen af te handelen, maar de onderliggende principes blijven hetzelfde.

In NestJS kunt u bijvoorbeeld de `REQUEST` scope en de `AsyncLocalStorage` module gebruiken om de request-context te beheren. Hierdoor kunt u toegang krijgen tot request-specifieke data binnen services en controllers, wat het gemakkelijker maakt om authenticatie, logging en andere request-gerelateerde operaties af te handelen.

Praktische voorbeelden en gebruiksscenario's

Laten we onderzoeken hoe Async Context kan worden toegepast in verschillende praktische scenario's binnen globale applicaties:

1. Logging en Tracing

Stel je een gedistribueerd systeem voor met microservices die in verschillende regio's zijn geïmplementeerd (bijv. een service in Singapore voor Aziatische gebruikers, een service in Brazilië voor Zuid-Amerikaanse gebruikers en een service in Duitsland voor Europese gebruikers). Elke service handelt een deel van de totale verzoekverwerking af. Met Async Context kunt u eenvoudig een unieke correlatie-ID genereren en propageren voor elk verzoek terwijl het door het systeem stroomt. Deze ID kan worden toegevoegd aan log-statements, waardoor u de reis van het verzoek over meerdere services kunt traceren, zelfs over geografische grenzen heen.

            
// Pseudo-code voorbeeld (Illustratief)
const correlationId = generateCorrelationId();
asyncLocalStorage.run({ correlationId }, async () => {
  // Service 1
  log('Service 1: Request received', { correlationId });
  await callService2();
});

async function callService2() {
  // Service 2
  log('Service 2: Processing request', { correlationId: asyncLocalStorage.getStore().correlationId });
  // ... Roep een database aan, etc.
}

            

              
                Copy
              
            
          

Deze aanpak maakt efficiënt en effectief debuggen, prestatieanalyse en monitoring van uw applicatie op verschillende geografische locaties mogelijk. Overweeg gestructureerde logging te gebruiken (bijv. JSON-formaat) voor gemakkelijke parsing en querying over verschillende loggingplatforms (bijv. ELK Stack, Splunk).

2. Authenticatie en autorisatie

Op een wereldwijd e-commerceplatform kunnen gebruikers uit verschillende landen verschillende toestemmingsniveaus hebben. Met Async Context kunt u gebruikersauthenticatie-informatie (bijv. gebruikers-ID, rollen, permissies) opslaan in de context. Deze informatie wordt direct beschikbaar voor alle delen van de applicatie tijdens de levenscyclus van een verzoek. Deze aanpak elimineert de noodzaak om herhaaldelijk gebruikersauthenticatie-informatie door te geven via functieaanroepen of meerdere databasequeries voor dezelfde gebruiker uit te voeren. Deze aanpak is vooral handig als uw platform Single Sign-On (SSO) ondersteunt met identiteitsproviders uit verschillende landen, zoals Japan, Australië of Canada, wat zorgt voor een naadloze en veilige ervaring voor gebruikers wereldwijd.

            
// Pseudo-code
// Middleware
async function authenticateUser(req, res, next) {
  const user = await authenticate(req.headers.authorization); // Ga uit van authenticatielogica
  asyncLocalStorage.run({ user }, () => {
    next();
  });
}

// Binnen een route handler
function getUserData() {
  const user = asyncLocalStorage.getStore().user;
  // Toegang tot gebruikersinformatie, bijv. user.roles, user.country, etc.
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Lokalisatie en Internationalisatie (i18n)

Een globale applicatie moet zich aanpassen aan de voorkeuren van de gebruiker, inclusief taal, valuta en datum/tijd-formaten. Door gebruik te maken van Async Context, kunt u landinstellingen en andere gebruikersinstellingen opslaan in de context. Deze data wordt dan automatisch gepropageerd naar alle componenten van de applicatie, wat dynamische content-rendering, valutaconversies en datum/tijd-formattering mogelijk maakt op basis van de locatie of de voorkeurstaal van de gebruiker. Dit maakt het gemakkelijker om applicaties te bouwen voor de internationale gemeenschap, van bijvoorbeeld Argentinië tot Vietnam.

            
// Pseudo-code
// Middleware
async function setLocale(req, res, next) {
  const userLocale = req.headers['accept-language'] || 'en-US';
  asyncLocalStorage.run({ locale: userLocale }, () => {
    next();
  });
}

// Binnen een component
function formatPrice(price, currency) {
  const locale = asyncLocalStorage.getStore().locale;
  // Gebruik een lokalisatiebibliotheek (bijv. Intl) om de prijs te formatteren
  const formattedPrice = new Intl.NumberFormat(locale, { style: 'currency', currency }).format(price);
  return formattedPrice;
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Foutafhandeling en rapportage

Wanneer er fouten optreden in een complexe, wereldwijd gedistribueerde applicatie, is het cruciaal om voldoende context vast te leggen om het probleem snel te diagnosticeren en op te lossen. Door Async Context te gebruiken, kunt u foutenlogs verrijken met request-specifieke informatie, zoals gebruikers-ID's, correlatie-ID's of zelfs de locatie van de gebruiker. Dit maakt het gemakkelijker om de hoofdoorzaak van de fout te identificeren en de specifieke verzoeken die zijn getroffen aan te wijzen. Als uw applicatie verschillende diensten van derden gebruikt, zoals betalingsgateways in Singapore of cloudopslag in Australië, worden deze contextdetails van onschatbare waarde tijdens het oplossen van problemen.

            
// Pseudo-code
try {
  // ... een of andere operatie ...
} catch (error) {
  const contextData = asyncLocalStorage.getStore();
  logError(error, { ...contextData }); // Voeg contextinformatie toe aan de foutenlog
  // ... handel de fout af ...
}

            

              
                Copy
              
            
          

Best Practices en overwegingen

Hoewel Async Context veel voordelen biedt, is het essentieel om best practices te volgen om een effectieve en onderhoudbare implementatie te garanderen:

• Gebruik een gespecialiseerde bibliotheek: Maak gebruik van bibliotheken zoals `cls-hooked` of framework-specifieke functies voor contextbeheer om contextpropagatie te vereenvoudigen en te stroomlijnen.
• Wees bewust van geheugengebruik: Grote contextobjecten kunnen geheugen verbruiken. Sla alleen de data op die nodig is voor het huidige verzoek.
• Wis contexten aan het einde van een verzoek: Zorg ervoor dat contexten correct worden gewist nadat het verzoek is voltooid. Dit voorkomt dat contextdata lekt naar volgende verzoeken.
• Denk aan foutafhandeling: Implementeer robuuste foutafhandeling om te voorkomen dat onbehandelde uitzonderingen de contextpropagatie verstoren.
• Test grondig: Schrijf uitgebreide tests om te verifiëren dat contextdata correct wordt gepropageerd over alle asynchrone operaties en in alle scenario's. Overweeg te testen met gebruikers in verschillende wereldwijde tijdzones (bijv. testen op verschillende tijdstippen van de dag met gebruikers in Londen, Peking of New York).
• Documentatie: Documenteer uw strategie voor contextbeheer duidelijk, zodat ontwikkelaars deze kunnen begrijpen en er effectief mee kunnen werken. Voeg deze documentatie toe aan de rest van de codebase.
• Vermijd overmatig gebruik: Gebruik Async Context oordeelkundig. Sla geen data op in de context die al beschikbaar is als functieparameters of die niet relevant is voor het huidige verzoek.
• Prestatieoverwegingen: Hoewel Async Context zelf doorgaans geen significante prestatie-overhead introduceert, kunnen de operaties die u met de data binnen de context uitvoert de prestaties beïnvloeden. Optimaliseer datatoegang en minimaliseer onnodige berekeningen.
• Veiligheidsoverwegingen: Sla nooit gevoelige data (bijv. wachtwoorden) rechtstreeks op in de context. Behandel en beveilig de informatie die u in de context gebruikt, en zorg ervoor dat u te allen tijde de beste veiligheidspraktijken volgt.

Conclusie: De ontwikkeling van globale applicaties versterken

JavaScript Async Context biedt een krachtige en elegante oplossing voor het beheren van request-scoped variabelen in moderne webapplicaties. Door deze techniek te omarmen, kunnen ontwikkelaars robuustere, beter onderhoudbare en performantere applicaties bouwen, vooral die gericht op een wereldwijd publiek. Van het stroomlijnen van logging en tracing tot het faciliteren van authenticatie en lokalisatie, Async Context ontsluit tal van voordelen waarmee u echt schaalbare en gebruiksvriendelijke applicaties voor internationale gebruikers kunt creëren, wat een positieve impact heeft op uw wereldwijde gebruikers en bedrijf.

Door de principes te begrijpen, de juiste tools te selecteren (zoals `async_hooks` of bibliotheken als `cls-hooked`), en zich te houden aan best practices, kunt u de kracht van Async Context benutten om uw ontwikkelingsworkflow te verbeteren en uitzonderlijke gebruikerservaringen te creëren voor een diverse en wereldwijde gebruikersbasis. Of u nu een microservice-architectuur, een grootschalig e-commerceplatform of een eenvoudige API bouwt, het begrijpen en effectief gebruiken van Async Context is cruciaal voor succes in de snel evoluerende wereld van webontwikkeling van vandaag.