Ärvning av asynkrona kontextvariabler i JavaScript: Bemästra kontextpropagationskedjan

Asynkron programmering är en hörnsten i modern JavaScript-utveckling, särskilt i Node.js och webbläsarmiljöer. Samtidigt som det erbjuder betydande prestandafördelar, introducerar det också komplexitet, speciellt när det gäller att hantera kontext över asynkrona operationer. Att säkerställa att variabler och relevant data är tillgängliga genom hela exekveringskedjan är avgörande för uppgifter som loggning, autentisering, spårning och hantering av anrop. Det är här förståelse och implementering av korrekt ärvning av asynkrona kontextvariabler blir väsentligt.

Förstå utmaningarna med asynkron kontext

I synkron JavaScript är det enkelt att komma åt variabler. Variabler som deklareras i ett överordnat scope är lättillgängliga i underordnade scopes. Asynkrona operationer stör dock denna enkla modell. Callbacks, promises och async/await introducerar punkter där exekveringskontexten kan skifta, vilket potentiellt kan leda till att man förlorar åtkomst till viktig data. Tänk på följande exempel:

            function processRequest(req, res) {
  const userId = req.headers['user-id'];

  setTimeout(() => {
    // Problem: Hur kommer vi åt userId här?
    console.log(`Processing request for user: ${userId}`); // userId kan vara odefinierad!
    res.send('Request processed');
  }, 1000);
}

            

              
                Copy
              
            
          

I detta förenklade scenario kanske `userId` som hämtats från request-headers inte är tillförlitligt tillgängligt inuti `setTimeout`-callbacken. Detta beror på att callbacken exekveras i en annan iteration av händelseloopen, vilket potentiellt förlorar den ursprungliga kontexten.

Introduktion till AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage, som introducerades i Node.js 14, tillhandahåller en mekanism för att lagra och hämta data som kvarstår över asynkrona operationer. Det fungerar som trådlokal lagring i andra språk, men är specifikt utformat för JavaScripts händelsedrivna, icke-blockerande miljö.

Hur AsyncLocalStorage fungerar

AsyncLocalStorage låter dig skapa en lagringsinstans som behåller sin data under hela livstiden för en asynkron exekveringskontext. Denna kontext propageras automatiskt över `await`-anrop, promises och andra asynkrona gränser, vilket säkerställer att den lagrade datan förblir tillgänglig.

Grundläggande användning av AsyncLocalStorage

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.headers['user-id'];

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

    setTimeout(() => {
      const currentUserId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
      console.log(`Processing request for user: ${currentUserId}`);
      res.send('Request processed');
    }, 1000);
  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

I detta reviderade exempel skapar `AsyncLocalStorage.run()` en ny exekveringskontext med en initial lagring (i detta fall en `Map`). `userId` lagras sedan i denna kontext med `asyncLocalStorage.getStore().set()`. Inuti `setTimeout`-callbacken hämtar `asyncLocalStorage.getStore().get()` `userId` från kontexten, vilket säkerställer att den är tillgänglig även efter den asynkrona fördröjningen.

Nyckelkoncept: Store och Run

• Store: "Store" är en behållare för din kontextdata. Det kan vara vilket JavaScript-objekt som helst, men det är vanligt att använda en `Map` eller ett enkelt objekt. Denna lagring är unik för varje asynkron exekveringskontext.
• Run: `run()`-metoden exekverar en funktion inom kontexten för AsyncLocalStorage-instansen. Den accepterar en lagring och en callback-funktion. Allt inom den callbacken (och alla asynkrona operationer den utlöser) kommer att ha tillgång till den lagringen.

AsyncResource: Överbryggar klyftan till nativa asynkrona operationer

Medan AsyncLocalStorage erbjuder en kraftfull mekanism för kontextpropagation i JavaScript-kod, utökas den inte automatiskt till nativa asynkrona operationer som filsystemåtkomst eller nätverksanrop. AsyncResource överbryggar denna klyfta genom att låta dig explicit associera dessa operationer med den aktuella AsyncLocalStorage-kontexten.

Förstå AsyncResource

AsyncResource låter dig skapa en representation av en asynkron operation som kan spåras av AsyncLocalStorage. Detta säkerställer att AsyncLocalStorage-kontexten propageras korrekt till de callbacks eller promises som är associerade med den nativa asynkrona operationen.

Använda AsyncResource

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.headers['user-id'];

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

    const resource = new AsyncResource('file-read-operation');

    fs.readFile('data.txt', 'utf8', (err, data) => {
      resource.runInAsyncScope(() => {
        const currentUserId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
        console.log(`Processing data for user ${currentUserId}: ${data.length} bytes read`);
        res.send('Request processed');
        resource.emitDestroy();
      });
    });
  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

I detta exempel används `AsyncResource` för att kapsla in `fs.readFile`-operationen. `resource.runInAsyncScope()` säkerställer att callback-funktionen för `fs.readFile` exekveras inom kontexten för AsyncLocalStorage, vilket gör `userId` tillgängligt. Anropet `resource.emitDestroy()` är avgörande för att frigöra resurser och förhindra minnesläckor efter att den asynkrona operationen har slutförts. Observera: Att inte anropa `emitDestroy()` kan leda till resursläckor och instabilitet i applikationen.

Nyckelkoncept: Resurshantering

• Skapa resurs: Skapa en `AsyncResource`-instans innan du initierar den asynkrona operationen. Konstruktorn tar ett namn (används för felsökning) och ett valfritt `triggerAsyncId`.
• Kontextpropagation: Använd `runInAsyncScope()` för att exekvera callback-funktionen inom AsyncLocalStorage-kontexten.
• Resursförstöring: Anropa `emitDestroy()` när den asynkrona operationen är klar för att frigöra resurser.

Bygga en kontextpropagationskedja

Den verkliga kraften hos AsyncLocalStorage och AsyncResource ligger i deras förmåga att skapa en kontextpropagationskedja som spänner över flera asynkrona operationer och funktionsanrop. Detta gör att du kan upprätthålla en konsekvent och tillförlitlig kontext i hela din applikation.

Exempel: Ett asynkront flöde i flera lager

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

async function fetchData() {
  return new Promise((resolve) => {
    const resource = new AsyncResource('data-fetch');
    fs.readFile('data.txt', 'utf8', (err, data) => {
      resource.runInAsyncScope(() => {
        resolve(data);
        resource.emitDestroy();
      });
    });
  });
}

async function processData(data) {
  const currentUserId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  console.log(`Processing data for user ${currentUserId}: ${data.length} bytes`);
  return `Processed by user ${currentUserId}: ${data.substring(0, 20)}...`;
}

async function sendResponse(processedData, res) {
  res.send(processedData);
}

function processRequest(req, res) {
  const userId = req.headers['user-id'];

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

    const data = await fetchData();
    const processedData = await processData(data);
    await sendResponse(processedData, res);
  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

I det här exemplet initierar `processRequest` flödet. Den använder `AsyncLocalStorage.run()` för att etablera den initiala kontexten med `userId`. `fetchData` läser data från en fil asynkront med `AsyncResource`. `processData` kommer sedan åt `userId` från AsyncLocalStorage för att bearbeta datan. Slutligen skickar `sendResponse` den bearbetade datan tillbaka till klienten. Nyckeln är att `userId` är tillgängligt genom hela denna asynkrona kedja tack vare kontextpropagationen som tillhandahålls av AsyncLocalStorage.

Fördelar med en kontextpropagationskedja

• Förenklad loggning: Få tillgång till anropsspecifik information (t.ex. användar-ID, anrops-ID) i din logik utan att explicit skicka den vidare genom flera funktionsanrop. Detta gör felsökning och granskning enklare.
• Centraliserad konfiguration: Lagra konfigurationsinställningar som är relevanta för ett visst anrop eller en operation i AsyncLocalStorage-kontexten. Detta gör att du dynamiskt kan justera applikationens beteende baserat på kontexten.
• Förbättrad observerbarhet: Integrera med spårningssystem för att följa exekveringsflödet av asynkrona operationer och identifiera prestandaflaskhalsar.
• Förbättrad säkerhet: Hantera säkerhetsrelaterad information (t.ex. autentiseringstokens, auktoriseringsroller) inom kontexten, vilket säkerställer konsekvent och säker åtkomstkontroll.

Bästa praxis för att använda AsyncLocalStorage och AsyncResource

Även om AsyncLocalStorage och AsyncResource är kraftfulla verktyg bör de användas med omdöme för att undvika prestanda-overhead och potentiella fallgropar.

Minimera storleken på "Store"

Lagra endast den data som är absolut nödvändig för den asynkrona kontexten. Undvik att lagra stora objekt eller onödig data, eftersom detta kan påverka prestandan. Överväg att använda lättviktsdatastrukturer som Maps eller vanliga JavaScript-objekt.

Undvik överdrivet kontextbyte

Frekventa anrop till `AsyncLocalStorage.run()` kan introducera prestanda-overhead. Gruppera relaterade asynkrona operationer inom en enda kontext när det är möjligt. Undvik att nästla AsyncLocalStorage-kontexter i onödan.

Hantera fel på ett elegant sätt

Se till att fel inom AsyncLocalStorage-kontexten hanteras korrekt. Använd try-catch-block eller felhanterings-middleware för att förhindra att ohanterade undantag stör kontextpropagationskedjan. Överväg att logga fel med kontextspecifik information hämtad från AsyncLocalStorage-lagringen för enklare felsökning.

Använd AsyncResource ansvarsfullt

Anropa alltid `resource.emitDestroy()` efter att den asynkrona operationen har slutförts för att frigöra resurser. Att inte göra det kan leda till minnesläckor och instabilitet i applikationen. Använd AsyncResource endast när det är nödvändigt för att överbrygga klyftan mellan JavaScript-kod och nativa asynkrona operationer. För rent asynkrona JavaScript-operationer räcker ofta AsyncLocalStorage ensamt.

Tänk på prestandakonsekvenser

AsyncLocalStorage och AsyncResource introducerar en viss prestanda-overhead. Även om det generellt är acceptabelt för de flesta applikationer är det viktigt att vara medveten om den potentiella påverkan, särskilt i prestandakritiska scenarier. Profilera din kod och mät prestandapåverkan av att använda AsyncLocalStorage och AsyncResource för att säkerställa att det uppfyller din applikations krav.

Exempel: Implementera en anpassad logger med AsyncLocalStorage

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

const logger = {
  log: (message) => {
    const requestId = asyncLocalStorage.getStore()?.get('requestId') || 'N/A';
    console.log(`[${requestId}] ${message}`);
  },
  error: (message) => {
    const requestId = asyncLocalStorage.getStore()?.get('requestId') || 'N/A';
    console.error(`[${requestId}] ERROR: ${message}`);
  },
};

function processRequest(req, res, next) {
  const requestId = Math.random().toString(36).substring(7); // Generera ett unikt request-ID

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    logger.log('Request received');
    next(); // Lämna över kontrollen till nästa middleware
  });
}

// Exempelanvändning (i en Express.js-applikation)
// app.use(processRequest);
// app.get('/data', (req, res) => {
//   logger.log('Fetching data...');
//   res.send('Data retrieved successfully');
// });

// Vid fel:
// try {
//   // lite kod som kan kasta ett fel
// } catch (error) {
//   logger.error(`An error occurred: ${error.message}`);
//   // ...
// }

            

              
                Copy
              
            
          

Detta exempel visar hur AsyncLocalStorage kan användas för att implementera en anpassad logger som automatiskt inkluderar anrops-ID i varje loggmeddelande. Detta eliminerar behovet av att explicit skicka anrops-ID till loggningsfunktionerna, vilket gör koden renare och lättare att underhålla.

Alternativ till AsyncLocalStorage

Även om AsyncLocalStorage erbjuder en robust lösning för kontextpropagation, finns det andra tillvägagångssätt. Beroende på de specifika behoven i din applikation kan dessa alternativ vara mer lämpliga.

Explicit kontextöverföring

Det enklaste tillvägagångssättet är att explicit skicka kontextdata som argument till funktionsanrop. Även om det är enkelt kan detta bli krångligt och felbenäget, särskilt i komplexa asynkrona flöden. Det kopplar också funktioner hårt till kontextdatan, vilket gör koden mindre modulär och återanvändbar.

cls-hooked (Community-modul)

`cls-hooked` är en populär community-modul som erbjuder liknande funktionalitet som AsyncLocalStorage, men som förlitar sig på att "monkey-patcha" Node.js API. Även om det kan vara enklare att använda i vissa fall, rekommenderas det generellt att använda det nativa AsyncLocalStorage när det är möjligt, eftersom det har bättre prestanda och är mindre benäget att introducera kompatibilitetsproblem.

Bibliotek för kontextpropagation

Flera bibliotek erbjuder abstraktioner på högre nivå för kontextpropagation. Dessa bibliotek erbjuder ofta funktioner som automatisk spårning, loggningsintegration och stöd för olika kontexttyper. Exempel inkluderar bibliotek utformade för specifika ramverk eller observerbarhetsplattformar.

Slutsats

JavaScript AsyncLocalStorage och AsyncResource tillhandahåller kraftfulla mekanismer för att hantera kontext över asynkrona operationer. Genom att förstå koncepten för lagring, körning och resurshantering kan du bygga robusta, underhållsbara och observerbara asynkrona applikationer. Även om alternativ finns, erbjuder AsyncLocalStorage en nativ lösning med god prestanda för de flesta användningsfall. Genom att följa bästa praxis och noggrant överväga prestandakonsekvenserna kan du utnyttja AsyncLocalStorage för att förenkla din kod och förbättra den övergripande kvaliteten på dina asynkrona applikationer. Detta resulterar i kod som inte bara är enklare att felsöka, utan också säkrare, mer tillförlitlig och skalbar i dagens komplexa asynkrona miljöer. Glöm inte det avgörande steget att anropa `resource.emitDestroy()` när du använder `AsyncResource` för att förhindra potentiella minnesläckor. Omfamna dessa verktyg för att bemästra komplexiteten i asynkron kontext och bygga verkligt exceptionella JavaScript-applikationer.