JavaScript asynkron kontext: Request-scoped variabler avmystifierade

Asynkron programmering är en hörnsten i modern JavaScript, särskilt i miljöer som Node.js där hantering av samtidiga förfrågningar är av yttersta vikt. Att hantera tillstånd och beroenden över asynkrona operationer kan dock snabbt bli komplext. Request-scoped variabler, som är tillgängliga under hela livscykeln för en enskild förfrågan, erbjuder en kraftfull lösning. Denna artikel dyker djupt ner i konceptet med JavaScripts asynkrona kontext, med fokus på request-scoped variabler och tekniker för att effektivt hantera dem. Vi kommer att utforska olika metoder, från inbyggda moduler till tredjepartsbibliotek, och ge praktiska exempel och insikter för att hjälpa dig bygga robusta och underhållbara applikationer.

Förstå asynkron kontext i JavaScript

JavaScripts entrådiga natur, i kombination med dess event-loop, möjliggör icke-blockerande operationer. Denna asynkronicitet är avgörande för att bygga responsiva applikationer. Det medför dock också utmaningar med att hantera kontext. I en synkron miljö är variabler naturligt scopade inom funktioner och block. Asynkrona operationer kan däremot vara utspridda över flera funktioner och iterationer i event-loopen, vilket gör det svårt att upprätthålla en konsekvent exekveringskontext.

Tänk dig en webbserver som hanterar flera förfrågningar samtidigt. Varje förfrågan behöver sin egen uppsättning data, såsom användarautentiseringsinformation, förfrågnings-ID:n för loggning och databasanslutningar. Utan en mekanism för att isolera dessa data riskerar du datakorruption och oväntat beteende. Det är här request-scoped variabler kommer in i bilden.

Vad är request-scoped variabler?

Request-scoped variabler är variabler som är specifika för en enskild förfrågan eller transaktion inom ett asynkront system. De låter dig lagra och komma åt data som endast är relevanta för den aktuella förfrågan, vilket säkerställer isolering mellan samtidiga operationer. Se dem som ett dedikerat lagringsutrymme kopplat till varje inkommande förfrågan, som består över asynkrona anrop som görs under hanteringen av den förfrågan. Detta är avgörande för att upprätthålla dataintegritet och förutsägbarhet i asynkrona miljöer.

Här är några centrala användningsfall:

• Användarautentisering: Lagra användarinformation efter autentisering och göra den tillgänglig för alla efterföljande operationer inom en förfrågans livscykel.
• Förfrågnings-ID:n för loggning och spårning: Tilldela ett unikt ID till varje förfrågan och propagera det genom systemet för att korrelera loggmeddelanden och spåra exekveringsvägen.
• Databasanslutningar: Hantera databasanslutningar per förfrågan för att säkerställa korrekt isolering och förhindra anslutningsläckor.
• Konfigurationsinställningar: Lagra förfrågningsspecifik konfiguration eller inställningar som kan nås av olika delar av applikationen.
• Transaktionshantering: Hantera transaktionstillstånd inom en enskild förfrågan.

Metoder för att implementera request-scoped variabler

Flera metoder kan användas för att implementera request-scoped variabler i JavaScript. Varje metod har sina egna avvägningar när det gäller komplexitet, prestanda och kompatibilitet. Låt oss utforska några av de vanligaste teknikerna.

1. Manuell kontextpropagering

Den mest grundläggande metoden innebär att manuellt skicka kontextinformation som argument till varje asynkron funktion. Även om det är enkelt att förstå kan denna metod snabbt bli besvärlig och felbenägen, särskilt i djupt nästlade asynkrona anrop.

Exempel:

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) {
  // Use userId to personalize the response
  res.end(`Hello, user ${userId}! Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

Som du kan se skickar vi manuellt `userId`, `req` och `res` till varje funktion. Detta blir allt svårare att hantera med mer komplexa asynkrona flöden.

Nackdelar:

• Boilerplate-kod: Att explicit skicka kontext till varje funktion skapar mycket redundant kod.
• Felbenäget: Det är lätt att glömma att skicka med kontexten, vilket leder till buggar.
• Svårigheter vid refaktorering: Att ändra kontexten kräver att varje funktionssignatur modifieras.
• Tät koppling: Funktioner blir tätt kopplade till den specifika kontext de tar emot.

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

Node.js introducerade `AsyncLocalStorage` som en inbyggd mekanism för att hantera kontext över asynkrona operationer. Den erbjuder ett sätt att lagra data som är tillgängliga under hela livscykeln för en asynkron uppgift. Detta är generellt den rekommenderade metoden för moderna Node.js-applikationer. `AsyncLocalStorage` fungerar via metoderna `run` och `enterWith` för att säkerställa att kontexten propageras korrekt.

Exempel:

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');
  // ... fetch data using the request ID for logging/tracing
  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)}`);
}

I detta exempel skapar `asyncLocalStorage.run` en ny kontext (representerad av en `Map`) och exekverar den angivna callback-funktionen inom den kontexten. `requestId` lagras i kontexten och är tillgängligt i `fetchDataFromDatabase` och `renderResponse` med hjälp av `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`. `req` görs tillgängligt på liknande sätt. Den anonyma funktionen omsluter huvudlogiken. Varje asynkron operation inom denna funktion kommer automatiskt att ärva kontexten.

Fördelar:

• Inbyggt: Inga externa beroenden krävs i moderna Node.js-versioner.
• Automatisk kontextpropagering: Kontexten propageras automatiskt över asynkrona operationer.
• Typsäkerhet: Att använda TypeScript kan hjälpa till att förbättra typsäkerheten vid åtkomst till kontextvariabler.
• Tydlig ansvarsfördelning: Funktioner behöver inte vara explicit medvetna om kontexten.

Nackdelar:

• Kräver Node.js v14.5.0 eller senare: Äldre versioner av Node.js stöds inte.
• Liten prestanda-overhead: Det finns en liten prestanda-overhead associerad med kontextväxling.
• Manuell hantering av lagring: Metoden `run` kräver att ett lagringsobjekt skickas med, så ett Map-objekt eller liknande måste skapas för varje förfrågan.

3. cls-hooked (Continuation-Local Storage)

`cls-hooked` är ett bibliotek som tillhandahåller continuation-local storage (CLS), vilket gör att du kan associera data med den aktuella exekveringskontexten. Det har varit ett populärt val för att hantera request-scoped variabler i Node.js i många år, och fanns före det inbyggda `AsyncLocalStorage`. Även om `AsyncLocalStorage` nu generellt föredras, är `cls-hooked` fortfarande ett gångbart alternativ, särskilt för äldre kodbaser eller vid stöd för äldre Node.js-versioner. Tänk dock på att det har prestandaimplikationer.

Exempel:

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(() => {
    // Simulate asynchronous operation
    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');
});

I detta exempel skapar `cls.createNamespace` ett namnutrymme för att lagra request-scoped data. Middleware-funktionen omsluter varje förfrågan i `namespace.run`, vilket etablerar kontexten för förfrågan. `namespace.set` lagrar `requestId` i kontexten, och `namespace.get` hämtar det senare i request-handlern och under den simulerade asynkrona operationen. UUID används för att skapa unika förfrågnings-ID:n.

Fördelar:

• Välanvänt: `cls-hooked` har varit ett populärt val i många år och har en stor community.
• Enkelt API: API:et är relativt enkelt att använda och förstå.
• Stöder äldre Node.js-versioner: Det är kompatibelt med äldre versioner av Node.js.

Nackdelar:

• Prestanda-overhead: `cls-hooked` förlitar sig på monkey-patching, vilket kan introducera prestanda-overhead. Detta kan vara betydande i applikationer med hög genomströmning.
• Risk för konflikter: Monkey-patching kan potentiellt konflikta med andra bibliotek.
• Underhållsbekymmer: Eftersom `AsyncLocalStorage` är den inbyggda lösningen kommer framtida utveckling och underhållsarbete sannolikt att fokuseras på den.

4. Zone.js

Zone.js är ett bibliotek som tillhandahåller en exekveringskontext som kan användas för att spåra asynkrona operationer. Även om det främst är känt för sin användning i Angular, kan Zone.js också användas i Node.js för att hantera request-scoped variabler. Det är dock en mer komplex och tyngre lösning jämfört med `AsyncLocalStorage` eller `cls-hooked`, och rekommenderas generellt inte om du inte redan använder Zone.js i din applikation.

Fördelar:

• Omfattande kontext: Zone.js tillhandahåller en mycket omfattande exekveringskontext.
• Integration med Angular: Sömlös integration med Angular-applikationer.

Nackdelar:

• Komplexitet: Zone.js är ett komplext bibliotek med en brant inlärningskurva.
• Prestanda-overhead: Zone.js kan introducera betydande prestanda-overhead.
• Överflödigt för enkla request-scoped variabler: Det är en överdimensionerad lösning för enkel hantering av request-scoped variabler.

5. Middleware-funktioner

I webbapplikationsramverk som Express.js erbjuder middleware-funktioner ett bekvämt sätt att fånga upp förfrågningar och utföra åtgärder innan de når route-handlerna. Du kan använda middleware för att ställa in request-scoped variabler och göra dem tillgängliga för efterföljande middleware och route-handlers. Detta kombineras ofta med en av de andra metoderna som `AsyncLocalStorage`.

Exempel (med AsyncLocalStorage och Express-middleware):

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

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

// Middleware to set request-scoped variables
app.use((req, res, next) => {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    const requestId = uuidv4();
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    next();
  });
});

// Route handler
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');
});

Detta exempel visar hur man använder middleware för att ställa in `requestId` i `AsyncLocalStorage` innan förfrågan når route-handlern. Route-handlern kan sedan komma åt `requestId` från `AsyncLocalStorage`.

Fördelar:

• Centraliserad kontexthantering: Middleware-funktioner erbjuder en centraliserad plats för att hantera request-scoped variabler.
• Tydlig ansvarsfördelning: Route-handlers behöver inte vara direkt involverade i att sätta upp kontexten.
• Enkel integration med ramverk: Middleware-funktioner är väl integrerade med webbapplikationsramverk som Express.js.

Nackdelar:

• Kräver ett ramverk: Denna metod är främst lämplig för webbapplikationsramverk som stöder middleware.
• Förlitar sig på andra tekniker: Middleware behöver vanligtvis kombineras med en av de andra teknikerna (t.ex. `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked`) för att faktiskt lagra och propagera kontexten.

Bästa praxis för att använda request-scoped variabler

Här är några bästa praxis att tänka på när du använder request-scoped variabler:

• Välj rätt metod: Välj den metod som bäst passar dina behov, med hänsyn till faktorer som Node.js-version, prestandakrav och komplexitet. Generellt är `AsyncLocalStorage` nu den rekommenderade lösningen för moderna Node.js-applikationer.
• Använd en konsekvent namnkonvention: Använd en konsekvent namnkonvention för dina request-scoped variabler för att förbättra kodens läsbarhet och underhållbarhet. Till exempel, prefixa alla request-scoped variabler med `req_`.
• Dokumentera din kontext: Dokumentera tydligt syftet med varje request-scoped variabel och hur den används i applikationen.
• Undvik att lagra känslig data direkt: Överväg att kryptera eller maskera känslig data innan den lagras i request-kontexten. Undvik att lagra hemligheter som lösenord direkt.
• Städa upp kontexten: I vissa fall kan du behöva rensa kontexten efter att förfrågan har behandlats för att undvika minnesläckor eller andra problem. Med `AsyncLocalStorage` rensas kontexten automatiskt när `run`-callbacken är klar, men med andra metoder som `cls-hooked` kan du behöva rensa namnutrymmet explicit.
• Var medveten om prestanda: Var medveten om prestandaimplikationerna av att använda request-scoped variabler, särskilt med metoder som `cls-hooked` som förlitar sig på monkey-patching. Testa din applikation noggrant för att identifiera och åtgärda eventuella prestandaflaskhalsar.
• Använd TypeScript for typsäkerhet: Om du använder TypeScript, utnyttja det för att definiera strukturen på din request-kontext och säkerställa typsäkerhet vid åtkomst till kontextvariabler. Detta minskar fel och förbättrar underhållbarheten.
• Överväg att använda ett loggningsbibliotek: Integrera dina request-scoped variabler med ett loggningsbibliotek för att automatiskt inkludera kontextinformation i dina loggmeddelanden. Detta gör det enklare att spåra förfrågningar och felsöka problem. Populära loggningsbibliotek som Winston och Morgan stöder kontextpropagering.
• Använd korrelations-ID:n för distribuerad spårning: När du hanterar mikrotjänster eller distribuerade system, använd korrelations-ID:n för att spåra förfrågningar över flera tjänster. Korrelations-ID:t kan lagras i request-kontexten och propageras till andra tjänster med hjälp av HTTP-headers eller andra mekanismer.

Verkliga exempel

Låt oss titta på några verkliga exempel på hur request-scoped variabler kan användas i olika scenarier:

• E-handelsapplikation: I en e-handelsapplikation kan du använda request-scoped variabler för att lagra information om användarens varukorg, såsom varorna i korgen, leveransadressen och betalningsmetoden. Denna information kan nås av olika delar av applikationen, såsom produktkatalogen, kassaprocessen och orderhanteringssystemet.
• Finansiell applikation: I en finansiell applikation kan du använda request-scoped variabler för att lagra information om användarens konto, såsom kontosaldo, transaktionshistorik och investeringsportfölj. Denna information kan nås av olika delar av applikationen, såsom kontohanteringssystemet, handelsplattformen och rapporteringssystemet.
• Sjukvårdsapplikation: I en sjukvårdsapplikation kan du använda request-scoped variabler för att lagra information om patienten, såsom patientens sjukdomshistoria, nuvarande mediciner och allergier. Denna information kan nås av olika delar av applikationen, såsom det elektroniska journalsystemet (EHR), förskrivningssystemet och diagnostiksystemet.
• Globalt innehållshanteringssystem (CMS): Ett CMS som hanterar innehåll på flera språk kan lagra användarens föredragna språk i request-scoped variabler. Detta gör att applikationen automatiskt kan servera innehåll på rätt språk under hela användarens session. Detta säkerställer en lokaliserad upplevelse som respekterar användarens språkpreferenser.
• Multi-tenant SaaS-applikation: I en Software-as-a-Service (SaaS)-applikation som betjänar flera hyresgäster (tenants) kan hyresgästens ID lagras i request-scoped variabler. Detta gör att applikationen kan isolera data och resurser för varje hyresgäst, vilket säkerställer dataskydd och säkerhet. Detta är avgörande för att upprätthålla integriteten i multi-tenant-arkitekturen.

Slutsats

Request-scoped variabler är ett värdefullt verktyg för att hantera tillstånd och beroenden i asynkrona JavaScript-applikationer. Genom att erbjuda en mekanism för att isolera data mellan samtidiga förfrågningar hjälper de till att säkerställa dataintegritet, förbättra kodens underhållbarhet och förenkla felsökning. Även om manuell kontextpropagering är möjlig, erbjuder moderna lösningar som Node.js `AsyncLocalStorage` ett mer robust och effektivt sätt att hantera asynkron kontext. Att noggrant välja rätt metod, följa bästa praxis och integrera request-scoped variabler med loggnings- och spårningsverktyg kan avsevärt förbättra kvaliteten och tillförlitligheten i din asynkrona JavaScript-kod. Asynkrona kontexter kan bli särskilt användbara i mikrotjänstarkitekturer.

I takt med att JavaScripts ekosystem fortsätter att utvecklas är det avgörande att hålla sig uppdaterad med de senaste teknikerna för att hantera asynkron kontext för att bygga skalbara, underhållbara och robusta applikationer. `AsyncLocalStorage` erbjuder en ren och högpresterande lösning för request-scoped variabler, och dess användning rekommenderas starkt för nya projekt. Att förstå avvägningarna mellan olika metoder, inklusive äldre lösningar som `cls-hooked`, är dock viktigt för att underhålla och migrera befintliga kodbaser. Omfamna dessa tekniker för att tämja komplexiteten i asynkron programmering och bygga mer tillförlitliga och effektiva JavaScript-applikationer för en global publik.