Асинхронний контекст JavaScript: Майстер-клас з управління змінними в межах запиту

Асинхронне програмування є наріжним каменем сучасної розробки на JavaScript, особливо в таких середовищах, як Node.js. Однак керування контекстом і змінними, що прив'язані до запиту, в асинхронних операціях може бути складним. Традиційні підходи часто призводять до складного коду та потенційного пошкодження даних. Ця стаття досліджує можливості асинхронного контексту JavaScript, зокрема зосереджуючись на AsyncLocalStorage, і як він спрощує керування змінними в межах запиту для створення надійних та масштабованих додатків.

Розуміння викликів асинхронного контексту

У синхронному програмуванні керування змінними в межах області видимості функції є простим. Кожна функція має власний контекст виконання, і змінні, оголошені в цьому контексті, є ізольованими. Однак асинхронні операції вносять складнощі, оскільки вони не виконуються лінійно. Колбеки, проміси та async/await вводять нові контексти виконання, що може ускладнити підтримку та доступ до змінних, пов'язаних з конкретним запитом чи операцією.

Розглянемо сценарій, коли вам потрібно відстежувати унікальний ідентифікатор запиту протягом усього виконання обробника запиту. Без належного механізму вам, можливо, доведеться передавати ідентифікатор запиту як аргумент у кожну функцію, залучену до обробки запиту. Цей підхід є громіздким, схильним до помилок і сильно зв'язує ваш код.

Проблема поширення контексту

• Захаращення коду: Передача змінних контексту через численні виклики функцій значно збільшує складність коду та погіршує його читабельність.
• Сильна зв'язаність: Функції стають залежними від конкретних змінних контексту, що робить їх менш придатними для повторного використання та складнішими для тестування.
• Схильність до помилок: Якщо забути передати змінну контексту або передати неправильне значення, це може призвести до непередбачуваної поведінки та проблем, які важко налагодити.
• Накладні витрати на підтримку: Зміни у змінних контексту вимагають модифікацій у багатьох частинах кодової бази.

Ці виклики підкреслюють необхідність більш елегантного та надійного рішення для керування змінними в межах запиту в асинхронних середовищах JavaScript.

Представляємо AsyncLocalStorage: рішення для асинхронного контексту

AsyncLocalStorage, представлений у Node.js v14.5.0, надає механізм для зберігання даних протягом усього життєвого циклу асинхронної операції. По суті, він створює контекст, який є постійним через асинхронні межі, дозволяючи вам отримувати доступ до змінних, специфічних для певного запиту чи операції, і змінювати їх, не передаючи їх явно.

AsyncLocalStorage працює на основі контексту виконання. Кожна асинхронна операція (наприклад, обробник запиту) отримує власне ізольоване сховище. Це гарантує, що дані, пов'язані з одним запитом, випадково не потраплять в інший, зберігаючи цілісність та ізоляцію даних.

Як працює AsyncLocalStorage

Клас AsyncLocalStorage надає наступні ключові методи:

• getStore(): Повертає поточне сховище, пов'язане з поточним контекстом виконання. Якщо сховища не існує, повертає undefined.
• run(store, callback, ...args): Виконує наданий callback у новому асинхронному контексті. Аргумент store ініціалізує сховище контексту. Усі асинхронні операції, викликані колбеком, матимуть доступ до цього сховища.
• enterWith(store): Входить у контекст наданого store. Це корисно, коли потрібно явно встановити контекст для певного блоку коду.
• disable(): Вимикає екземпляр AsyncLocalStorage. Доступ до сховища після вимкнення призведе до помилки.

Саме сховище є простим об'єктом JavaScript (або будь-яким іншим типом даних, який ви виберете), що містить змінні контексту, якими ви хочете керувати. Ви можете зберігати ідентифікатори запитів, інформацію про користувача або будь-які інші дані, що стосуються поточної операції.

Практичні приклади використання AsyncLocalStorage

Проілюструємо використання AsyncLocalStorage на кількох практичних прикладах.

Приклад 1: Відстеження ID запиту на веб-сервері

Розглянемо веб-сервер Node.js, що використовує Express.js. Ми хочемо автоматично генерувати та відстежувати унікальний ID для кожного вхідного запиту. Цей ID можна використовувати для логування, трасування та налагодження.

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

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

app.use((req, res, next) => {
  const requestId = uuidv4();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    console.log(`Request received with ID: ${requestId}`);
    next();
  });
});

app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  console.log(`Handling request with ID: ${requestId}`);
  res.send(`Hello, Request ID: ${requestId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

У цьому прикладі:

• Ми створюємо екземпляр AsyncLocalStorage.
• Ми використовуємо middleware Express для перехоплення кожного вхідного запиту.
• У межах middleware ми генеруємо унікальний ID запиту за допомогою uuidv4().
• Ми викликаємо asyncLocalStorage.run(), щоб створити новий асинхронний контекст. Ми ініціалізуємо сховище за допомогою Map, який буде містити наші змінні контексту.
• Всередині колбеку run() ми встановлюємо requestId у сховищі, використовуючи asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId).
• Потім ми викликаємо next(), щоб передати керування наступному middleware або обробнику маршруту.
• В обробнику маршруту (app.get('/')), ми отримуємо requestId зі сховища за допомогою asyncLocalStorage.getStore().get('requestId').

Тепер, незалежно від того, скільки асинхронних операцій викликається в обробнику запиту, ви завжди можете отримати доступ до ID запиту за допомогою asyncLocalStorage.getStore().get('requestId').

Приклад 2: Аутентифікація та авторизація користувача

Інший поширений випадок використання – керування інформацією про аутентифікацію та авторизацію користувача. Припустимо, у вас є middleware, яке аутентифікує користувача та отримує його ID. Ви можете зберегти ID користувача в AsyncLocalStorage, щоб він був доступний для наступних middleware та обробників маршрутів.

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

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

// Middleware для аутентифікації (приклад)
const authenticateUser = (req, res, next) => {
  // Симуляція аутентифікації користувача (замініть на вашу реальну логіку)
  const userId = req.headers['x-user-id'] || 'guest'; // Отримання ID користувача з заголовка

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId);
    console.log(`User authenticated with ID: ${userId}`);
    next();
  });
};

app.use(authenticateUser);

app.get('/profile', (req, res) => {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  console.log(`Accessing profile for user ID: ${userId}`);
  res.send(`Profile for User ID: ${userId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

У цьому прикладі middleware authenticateUser отримує ID користувача (симульовано тут читанням заголовка) і зберігає його в AsyncLocalStorage. Обробник маршруту /profile може потім отримати доступ до ID користувача, не отримуючи його як явний параметр.

Приклад 3: Управління транзакціями бази даних

У сценаріях, що включають транзакції баз даних, AsyncLocalStorage можна використовувати для керування контекстом транзакції. Ви можете зберігати з'єднання з базою даних або об'єкт транзакції в AsyncLocalStorage, гарантуючи, що всі операції з базою даних у межах конкретного запиту використовують ту саму транзакцію.

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

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

// Симуляція з'єднання з базою даних
const db = {
  query: (sql, callback) => {
    const transactionId = asyncLocalStorage.getStore()?.get('transactionId') || 'No Transaction';
    console.log(`Executing SQL: ${sql} in Transaction: ${transactionId}`);
    // Симуляція виконання запиту до бази даних
    setTimeout(() => {
      callback(null, { success: true });
    }, 50);
  },
};

// Middleware для початку транзакції
const startTransaction = (req, res, next) => {
  const transactionId = Math.random().toString(36).substring(2, 15); // Генерація випадкового ID транзакції

  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('transactionId', transactionId);
    console.log(`Starting transaction: ${transactionId}`);
    next();
  });
};

app.use(startTransaction);

app.get('/data', (req, res) => {
  db.query('SELECT * FROM data', (err, result) => {
    if (err) {
      return res.status(500).send('Error querying data');
    }
    res.send('Data retrieved successfully');
  });
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

У цьому спрощеному прикладі:

• middleware startTransaction генерує ID транзакції та зберігає його в AsyncLocalStorage.
• Симульована функція db.query отримує ID транзакції зі сховища та логує його, демонструючи, що контекст транзакції доступний у межах асинхронної операції з базою даних.

Просунуте використання та міркування

Middleware та поширення контексту

AsyncLocalStorage особливо корисний у ланцюжках middleware. Кожен middleware може отримувати доступ до спільного контексту та змінювати його, дозволяючи вам з легкістю будувати складні конвеєри обробки.

Переконайтеся, що ваші функції middleware розроблені для правильного поширення контексту. Використовуйте asyncLocalStorage.run() або asyncLocalStorage.enterWith(), щоб обгортати асинхронні операції та підтримувати потік контексту.

Обробка помилок та очищення

Правильна обробка помилок є надзвичайно важливою при використанні AsyncLocalStorage. Переконайтеся, що ви коректно обробляєте винятки та очищуєте будь-які ресурси, пов'язані з контекстом. Розгляньте використання блоків try...finally, щоб забезпечити звільнення ресурсів навіть у разі виникнення помилки.

Міркування щодо продуктивності

Хоча AsyncLocalStorage надає зручний спосіб керування контекстом, важливо пам'ятати про його вплив на продуктивність. Надмірне використання AsyncLocalStorage може створювати накладні витрати, особливо у високопродуктивних додатках. Профілюйте свій код, щоб виявити потенційні вузькі місця та оптимізувати його відповідно.

Уникайте зберігання великих обсягів даних у AsyncLocalStorage. Зберігайте лише необхідні змінні контексту. Якщо вам потрібно зберігати більші об'єкти, розгляньте можливість зберігання посилань на них замість самих об'єктів.

Альтернативи AsyncLocalStorage

Хоча AsyncLocalStorage є потужним інструментом, існують альтернативні підходи до керування асинхронним контекстом, залежно від ваших конкретних потреб та фреймворку.

• Явна передача контексту: Як згадувалося раніше, явна передача змінних контексту як аргументів функцій є базовим, хоча й менш елегантним, підходом.
• Об'єкти контексту: Створення спеціального об'єкта контексту та його передача може покращити читабельність порівняно з передачею окремих змінних.
• Рішення, специфічні для фреймворків: Багато фреймворків надають власні механізми керування контекстом. Наприклад, NestJS надає провайдери, що прив'язані до запиту.

Глобальна перспектива та найкращі практики

Працюючи з асинхронним контекстом у глобальному контексті, враховуйте наступне:

• Часові пояси: Будьте уважні до часових поясів при роботі з інформацією про дату та час у контексті. Зберігайте інформацію про часовий пояс разом із позначками часу, щоб уникнути неоднозначності.
• Локалізація: Якщо ваш додаток підтримує кілька мов, зберігайте локаль користувача в контексті, щоб забезпечити відображення контенту правильною мовою.
• Валюта: Якщо ваш додаток обробляє фінансові транзакції, зберігайте валюту користувача в контексті, щоб суми відображалися коректно.
• Формати даних: Пам'ятайте про різні формати даних, що використовуються в різних регіонах. Наприклад, формати дат та чисел можуть значно відрізнятися.

Висновок

AsyncLocalStorage надає потужне та елегантне рішення для керування змінними в межах запиту в асинхронних середовищах JavaScript. Створюючи стійкий контекст через асинхронні межі, він спрощує код, зменшує зв'язаність та покращує супроводжуваність. Розуміючи його можливості та обмеження, ви можете використовувати AsyncLocalStorage для створення надійних, масштабованих та глобально орієнтованих додатків.

Опанування асинхронного контексту є важливим для будь-якого розробника JavaScript, що працює з асинхронним кодом. Використовуйте AsyncLocalStorage та інші техніки керування контекстом, щоб писати чистіші, більш супроводжувані та надійніші додатки.