Асинхронный контекст JavaScript: управление переменными, привязанными к запросу

Асинхронное программирование — краеугольный камень современной разработки на JavaScript, особенно в таких средах, как Node.js, где неблокирующий ввод-вывод имеет решающее значение для производительности. Однако управление контекстом в асинхронных операциях может быть сложной задачей. Именно здесь в игру вступает асинхронный контекст JavaScript, в частности AsyncLocalStorage.

Что такое асинхронный контекст?

Асинхронный контекст относится к возможности связывать данные с асинхронной операцией, которая сохраняется на протяжении всего ее жизненного цикла. Это необходимо в сценариях, когда вам нужно поддерживать информацию, привязанную к запросу (например, идентификатор пользователя, идентификатор запроса, информация трассировки) в нескольких асинхронных вызовах. Без надлежащего управления контекстом отладка, ведение журнала и безопасность могут стать значительно сложнее.

Сложность поддержания контекста в асинхронных операциях

Традиционные подходы к управлению контекстом, такие как явная передача переменных через вызовы функций, могут стать громоздкими и подверженными ошибкам по мере увеличения сложности асинхронного кода. Ад коллбэков и цепочки промисов могут скрыть поток контекста, что приведет к проблемам с обслуживанием и потенциальным уязвимостям безопасности. Рассмотрим этот упрощенный пример:

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.userId;

  fetchData(userId, (data) => {
    transformData(userId, data, (transformedData) => {
      logData(userId, transformedData, () => {
        res.send(transformedData);
      });
    });
  });
}

В этом примере userId многократно передается через вложенные коллбэки. Этот подход не только многословен, но и тесно связывает функции, делая их менее пригодными для повторного использования и более сложными для тестирования.

Знакомство с AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage — это встроенный модуль в Node.js, который предоставляет механизм для хранения данных, локальных для определенного асинхронного контекста. Он позволяет задавать и извлекать значения, которые автоматически распространяются через асинхронные границы в рамках одного и того же контекста выполнения. Это значительно упрощает управление переменными, привязанными к запросу.

Как работает AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage работает путем создания контекста хранилища, связанного с текущей асинхронной операцией. Когда инициируется новая асинхронная операция (например, промис, коллбэк), контекст хранилища автоматически распространяется на новую операцию. Это гарантирует, что одни и те же данные будут доступны на протяжении всей цепочки асинхронных вызовов.

Основные способы использования AsyncLocalStorage

Вот простой пример использования AsyncLocalStorage:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.userId;

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);

    fetchData().then(data => {
      return transformData(data);
    }).then(transformedData => {
      return logData(transformedData);
    }).then(() => {
      res.send(transformedData);
    });
  });
}

async function fetchData() {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... получить данные с помощью userId
  return data;
}

async function transformData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... преобразовать данные с помощью userId
  return transformedData;
}

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... записать данные с помощью userId
  return;
}

В этом примере:

• Мы создаем экземпляр AsyncLocalStorage.
• В функции processRequest мы используем asyncLocalStorage.run для выполнения функции в контексте нового экземпляра хранилища (в данном случае Map).
• Мы устанавливаем userId в хранилище, используя asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• Внутри асинхронных операций (fetchData, transformData, logData) мы можем получить userId, используя asyncLocalStorage.getStore().get('userId').

Варианты использования AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage особенно полезен в следующих сценариях:

1. Трассировка запросов

В распределенных системах трассировка запросов между несколькими сервисами имеет решающее значение для мониторинга производительности и выявления узких мест. AsyncLocalStorage можно использовать для хранения уникального идентификатора запроса, который распространяется между границами сервисов. Это позволяет сопоставлять журналы и метрики из разных сервисов, обеспечивая полное представление о пути запроса. Например, рассмотрим микросервисную архитектуру, в которой запрос пользователя проходит через API-шлюз, службу аутентификации и службу обработки данных. Используя AsyncLocalStorage, уникальный идентификатор запроса может быть сгенерирован на API-шлюзе и автоматически распространен на все последующие сервисы, участвующие в обработке запроса.

2. Контекст ведения журнала

При ведении журнала событий часто полезно включать контекстную информацию, такую как идентификатор пользователя, идентификатор запроса или идентификатор сеанса. AsyncLocalStorage можно использовать для автоматического включения этой информации в сообщения журнала, что упрощает отладку и анализ проблем. Представьте себе сценарий, в котором вам необходимо отслеживать активность пользователя в вашем приложении. Сохраняя идентификатор пользователя в AsyncLocalStorage, вы можете автоматически включать его во все сообщения журнала, связанные с сеансом этого пользователя, предоставляя ценную информацию о его поведении и потенциальных проблемах, с которыми он может столкнуться.

3. Аутентификация и авторизация

AsyncLocalStorage можно использовать для хранения информации аутентификации и авторизации, такой как роли и разрешения пользователя. Это позволяет вам применять политики контроля доступа во всем приложении, не передавая явно учетные данные пользователя каждой функции. Рассмотрите приложение электронной коммерции, в котором разные пользователи имеют разные уровни доступа (например, администраторы, обычные клиенты). Сохраняя роли пользователя в AsyncLocalStorage, вы можете легко проверить их разрешения, прежде чем разрешить им выполнять определенные действия, гарантируя, что только авторизованные пользователи могут получить доступ к конфиденциальным данным или функциональности.

4. Транзакции баз данных

При работе с базами данных часто необходимо управлять транзакциями в нескольких асинхронных операциях. AsyncLocalStorage можно использовать для хранения соединения с базой данных или объекта транзакции, гарантируя, что все операции в одном и том же запросе выполняются в одной и той же транзакции. Например, если пользователь размещает заказ, вам может потребоваться обновить несколько таблиц (например, заказы, элементы_заказа, инвентарь). Сохраняя объект транзакции базы данных в AsyncLocalStorage, вы можете гарантировать, что все эти обновления выполняются в рамках одной транзакции, гарантируя атомарность и согласованность.

5. Мульти-арендность

В мульти-арендных приложениях важно изолировать данные и ресурсы для каждого арендатора. AsyncLocalStorage можно использовать для хранения идентификатора арендатора, что позволяет вам динамически направлять запросы в соответствующее хранилище данных или ресурс в зависимости от текущего арендатора. Представьте себе платформу SaaS, где несколько организаций используют один и тот же экземпляр приложения. Сохраняя идентификатор арендатора в AsyncLocalStorage, вы можете гарантировать, что данные каждой организации хранятся отдельно и что у них есть доступ только к собственным ресурсам.

Лучшие практики использования AsyncLocalStorage

Хотя AsyncLocalStorage является мощным инструментом, важно использовать его разумно, чтобы избежать потенциальных проблем с производительностью и поддерживать ясность кода. Вот некоторые лучшие практики, которые следует помнить:

1. Минимизируйте хранение данных

Храните в AsyncLocalStorage только те данные, которые абсолютно необходимы. Хранение больших объемов данных может повлиять на производительность, особенно в средах с высокой степенью конкуренции. Например, вместо хранения всего объекта пользователя подумайте о хранении только идентификатора пользователя и извлечении объекта пользователя из кеша или базы данных при необходимости.

2. Избегайте чрезмерного переключения контекста

Частое переключение контекста также может повлиять на производительность. Сведите к минимуму количество раз, когда вы задаете и извлекаете значения из AsyncLocalStorage. Кэшируйте часто используемые значения локально внутри функции, чтобы уменьшить накладные расходы на доступ к контексту хранилища. Например, если вам нужно несколько раз получить доступ к идентификатору пользователя в функции, получите его один раз из AsyncLocalStorage и сохраните в локальной переменной для последующего использования.

3. Используйте четкие и последовательные соглашения об именах

Используйте четкие и последовательные соглашения об именах для ключей, которые вы храните в AsyncLocalStorage. Это улучшит читаемость и удобство обслуживания кода. Например, используйте последовательный префикс для всех ключей, связанных с определенной функцией или доменом, например request.id или user.id.

4. Очищайте после использования

Хотя AsyncLocalStorage автоматически очищает контекст хранилища, когда асинхронная операция завершается, рекомендуется явно очищать контекст хранилища, когда он больше не нужен. Это может помочь предотвратить утечки памяти и повысить производительность. Вы можете достичь этого, используя метод exit для явной очистки контекста.

5. Учитывайте последствия для производительности

Помните о последствиях использования AsyncLocalStorage для производительности, особенно в средах с высокой степенью конкуренции. Протестируйте свой код, чтобы убедиться, что он соответствует вашим требованиям к производительности. Профилируйте свое приложение, чтобы выявить потенциальные узкие места, связанные с управлением контекстом. Рассмотрите альтернативные подходы, такие как явная передача контекста, если AsyncLocalStorage приводит к неприемлемым накладным расходам на производительность.

6. Используйте с осторожностью в библиотеках

Избегайте использования AsyncLocalStorage непосредственно в библиотеках, предназначенных для общего использования. Библиотеки не должны делать предположения о контексте, в котором они используются. Вместо этого предоставьте пользователям возможность явно передавать контекстную информацию. Это позволяет пользователям контролировать управление контекстом в своих приложениях и избегать потенциальных конфликтов или непредвиденного поведения.

Альтернативы AsyncLocalStorage

Хотя AsyncLocalStorage — удобный и мощный инструмент, он не всегда является лучшим решением для каждого сценария. Вот некоторые альтернативы, которые следует учитывать:

1. Явная передача контекста

Самый простой подход — явно передавать контекстную информацию в качестве аргументов функциям. Этот подход прост и понятен, но он может стать громоздким по мере увеличения сложности кода. Явная передача контекста подходит для простых сценариев, когда контекст относительно невелик и код не имеет глубокой вложенности. Однако для более сложных сценариев это может привести к коду, который сложно читать и обслуживать.

2. Объекты контекста

Вместо передачи отдельных переменных вы можете создать объект контекста, который инкапсулирует всю контекстную информацию. Это может упростить сигнатуры функций и сделать код более читаемым. Объекты контекста — хороший компромисс между явной передачей контекста и AsyncLocalStorage. Они предоставляют способ группировки связанной контекстной информации вместе, делая код более организованным и понятным. Однако они по-прежнему требуют явной передачи объекта контекста каждой функции.

3. Async Hooks (для диагностики)

Модуль async_hooks Node.js предоставляет более общий механизм для отслеживания асинхронных операций. Хотя его использование сложнее, чем AsyncLocalStorage, он предлагает большую гибкость и контроль. async_hooks предназначен в первую очередь для целей диагностики и отладки. Он позволяет отслеживать жизненный цикл асинхронных операций и собирать информацию об их выполнении. Однако он не рекомендуется для общего управления контекстом из-за его потенциальных накладных расходов на производительность.

4. Диагностический контекст (OpenTelemetry)

OpenTelemetry предоставляет стандартизированный API для сбора и экспорта данных телеметрии, включая трассировки, метрики и журналы. Его функции диагностического контекста предлагают передовое и надежное решение для управления распространением контекста в распределенных системах. Интеграция с OpenTelemetry предоставляет независимый от поставщика способ обеспечения согласованности контекста в различных сервисах и платформах. Это особенно полезно в сложных микросервисных архитектурах, где контекст необходимо распространять между границами сервисов.

Примеры из реальной жизни

Давайте рассмотрим несколько реальных примеров использования AsyncLocalStorage в различных сценариях.

1. Приложение электронной коммерции: трассировка запросов

В приложении электронной коммерции вы можете использовать AsyncLocalStorage для отслеживания запросов пользователей в нескольких сервисах, таких как каталог продуктов, корзина покупок и платежный шлюз. Это позволяет вам отслеживать производительность каждого сервиса и выявлять узкие места, которые могут влиять на пользовательский опыт.

// В API-шлюзе
const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    res.setHeader('X-Request-Id', requestId);
    next();
  });
});

// В службе каталога продуктов
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Записываем идентификатор запроса вместе с другими деталями
  logger.info(`[${requestId}] Получение сведений о продукте для идентификатора продукта: ${productId}`);
  // ... получить сведения о продукте
}

2. Платформа SaaS: мульти-арендность

На платформе SaaS вы можете использовать AsyncLocalStorage для хранения идентификатора арендатора и динамической маршрутизации запросов в соответствующее хранилище данных или ресурс в зависимости от текущего арендатора. Это гарантирует, что данные каждого арендатора хранятся отдельно и что у них есть доступ только к своим собственным ресурсам.

// Промежуточное ПО для извлечения идентификатора арендатора из запроса
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Функция для получения данных для конкретного арендатора
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Микросервисная архитектура: контекст ведения журнала

В микросервисной архитектуре вы можете использовать AsyncLocalStorage для хранения идентификатора пользователя и автоматического включения его в сообщения журнала из разных сервисов. Это упрощает отладку и анализ проблем, которые могут влиять на конкретного пользователя.

// В службе аутентификации
app.use((req, res, next) => {
  const userId = req.user.id;
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    next();
  });
});

// В службе обработки данных
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[User ID: ${userId}] Обработка данных: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... обработать данные
}

Заключение

AsyncLocalStorage — ценный инструмент для управления переменными, привязанными к запросу, в асинхронных средах JavaScript. Это упрощает управление контекстом в асинхронных операциях, делая код более читаемым, удобным в обслуживании и безопасным. Понимая его варианты использования, лучшие практики и альтернативы, вы можете эффективно использовать AsyncLocalStorage для создания надежных и масштабируемых приложений. Однако крайне важно тщательно учитывать последствия его производительности и использовать его разумно, чтобы избежать потенциальных проблем. Используйте AsyncLocalStorage вдумчиво, чтобы улучшить свои методы асинхронной разработки на JavaScript.

Включая четкие примеры, практические советы и всесторонний обзор, это руководство призвано предоставить разработчикам во всем мире знания для эффективного управления асинхронным контекстом с помощью AsyncLocalStorage в своих приложениях JavaScript. Помните о последствиях для производительности и альтернативах, чтобы обеспечить наилучшее решение для ваших конкретных потребностей.