Асинхронний контекст у JavaScript: керування змінними в межах запиту

Асинхронне програмування є наріжним каменем сучасної розробки на JavaScript, особливо в середовищах, таких як Node.js, де неблокуючий ввід-вивід має вирішальне значення для продуктивності. Однак керування контекстом у асинхронних операціях може бути складним. Саме тут на допомогу приходить асинхронний контекст JavaScript, зокрема AsyncLocalStorage.

Що таке асинхронний контекст?

Асинхронний контекст — це здатність пов'язувати дані з асинхронною операцією, які зберігаються протягом її життєвого циклу. Це важливо для сценаріїв, де потрібно підтримувати інформацію в межах запиту (наприклад, ID користувача, ID запиту, інформацію для трасування) через численні асинхронні виклики. Без належного керування контекстом налагодження, логування та безпека можуть значно ускладнитися.

Проблема підтримки контексту в асинхронних операціях

Традиційні підходи до керування контекстом, такі як явна передача змінних через виклики функцій, можуть стати громіздкими та схильними до помилок зі збільшенням складності асинхронного коду. Пекло колбеків (Callback hell) та ланцюжки промісів можуть приховувати потік контексту, що призводить до проблем з обслуговуванням та потенційних вразливостей безпеки. Розглянемо цей спрощений приклад:

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

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

У цьому прикладі userId неодноразово передається через вкладені колбеки. Цей підхід не тільки багатослівний, але й тісно пов'язує функції, роблячи їх менш придатними для повторного використання та складнішими для тестування.

Представляємо AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage — це вбудований модуль у Node.js, який надає механізм для зберігання даних, локальних для конкретного асинхронного контексту. Він дозволяє встановлювати та отримувати значення, які автоматично поширюються через асинхронні межі в межах одного контексту виконання. Це значно спрощує керування змінними в межах запиту.

Як працює AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage працює, створюючи контекст зберігання, пов'язаний з поточною асинхронною операцією. Коли ініціюється нова асинхронна операція (наприклад, проміс, колбек), контекст зберігання автоматично поширюється на нову операцію. Це гарантує, що ті самі дані доступні протягом усього ланцюжка асинхронних викликів.

Базове використання AsyncLocalStorage

Ось базовий приклад використання 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');
  // ... отримуємо дані, використовуючи userId
  return data;
}

async function transformData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... трансформуємо дані, використовуючи userId
  return transformedData;
}

async function logData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  // ... логуємо дані, використовуючи userId
  return;
}

У цьому прикладі:

• Ми створюємо екземпляр AsyncLocalStorage.
• У функції processRequest ми використовуємо asyncLocalStorage.run для виконання функції в контексті нового сховища (у цьому випадку Map).
• Ми встановлюємо userId у сховищі за допомогою asyncLocalStorage.getStore().set('userId', userId).
• В асинхронних операціях (fetchData, transformData, logData) ми можемо отримати userId за допомогою asyncLocalStorage.getStore().get('userId').

Сценарії використання AsyncLocalStorage

AsyncLocalStorage особливо корисний у таких сценаріях:

1. Трасування запитів

У розподілених системах трасування запитів через кілька сервісів є вирішальним для моніторингу продуктивності та виявлення вузьких місць. AsyncLocalStorage можна використовувати для зберігання унікального ID запиту, який поширюється через межі сервісів. Це дозволяє корелювати логи та метрики з різних сервісів, надаючи повне уявлення про шлях запиту. Наприклад, розглянемо мікросервісну архітектуру, де запит користувача проходить через API-шлюз, сервіс автентифікації та сервіс обробки даних. Використовуючи AsyncLocalStorage, унікальний ID запиту може бути згенерований на API-шлюзі та автоматично поширений на всі наступні сервіси, що беруть участь в обробці запиту.

2. Контекст логування

Під час логування подій часто корисно включати контекстну інформацію, таку як ID користувача, ID запиту або ID сесії. AsyncLocalStorage можна використовувати для автоматичного включення цієї інформації в повідомлення логів, що полегшує налагодження та аналіз проблем. Уявіть сценарій, де вам потрібно відстежувати активність користувача у вашому застосунку. Зберігаючи ID користувача в AsyncLocalStorage, ви можете автоматично включати його в усі повідомлення логів, пов'язані з сесією цього користувача, надаючи цінні відомості про його поведінку та потенційні проблеми, з якими він може зіткнутися.

3. Аутентифікація та авторизація

AsyncLocalStorage можна використовувати для зберігання інформації про аутентифікацію та авторизацію, такої як ролі та дозволи користувача. Це дозволяє застосовувати політики контролю доступу у вашому застосунку, не передаючи явно облікові дані користувача кожній функції. Розглянемо e-commerce застосунок, де різні користувачі мають різні рівні доступу (наприклад, адміністратори, звичайні клієнти). Зберігаючи ролі користувача в AsyncLocalStorage, ви можете легко перевіряти його дозволи перед тим, як дозволити йому виконувати певні дії, забезпечуючи, що тільки авторизовані користувачі можуть отримати доступ до конфіденційних даних або функціоналу.

4. Транзакції баз даних

Під час роботи з базами даних часто необхідно керувати транзакціями через кілька асинхронних операцій. AsyncLocalStorage можна використовувати для зберігання з'єднання з базою даних або об'єкта транзакції, забезпечуючи, що всі операції в межах одного запиту виконуються в рамках однієї транзакції. Наприклад, якщо користувач розміщує замовлення, вам може знадобитися оновити кілька таблиць (наприклад, orders, order_items, inventory). Зберігаючи об'єкт транзакції бази даних в AsyncLocalStorage, ви можете забезпечити, що всі ці оновлення виконуються в рамках однієї транзакції, гарантуючи атомарність та узгодженість.

5. Мульти-орендність (Multi-Tenancy)

У мульти-орендних застосунках важливо ізолювати дані та ресурси для кожного орендаря. AsyncLocalStorage можна використовувати для зберігання ID орендаря, що дозволяє динамічно направляти запити до відповідного сховища даних або ресурсу на основі поточного орендаря. Уявіть SaaS-платформу, де кілька організацій використовують один екземпляр застосунку. Зберігаючи ID орендаря в AsyncLocalStorage, ви можете забезпечити, що дані кожної організації зберігаються окремо, і що вони мають доступ тільки до своїх власних ресурсів.

Найкращі практики використання AsyncLocalStorage

Хоча AsyncLocalStorage є потужним інструментом, важливо використовувати його розсудливо, щоб уникнути потенційних проблем з продуктивністю та зберегти ясність коду. Ось деякі найкращі практики, які варто враховувати:

1. Мінімізуйте зберігання даних

Зберігайте в AsyncLocalStorage лише ті дані, які є абсолютно необхідними. Зберігання великих обсягів даних може вплинути на продуктивність, особливо в середовищах з високою конкурентністю. Наприклад, замість зберігання всього об'єкта користувача, розгляньте можливість зберігання лише ID користувача та отримання об'єкта користувача з кешу або бази даних за потреби.

2. Уникайте надмірного перемикання контексту

Часте перемикання контексту також може вплинути на продуктивність. Мінімізуйте кількість разів, коли ви встановлюєте та отримуєте значення з AsyncLocalStorage. Кешуйте часто використовувані значення локально в межах функції, щоб зменшити накладні витрати на доступ до контексту зберігання. Наприклад, якщо вам потрібно отримати доступ до ID користувача кілька разів у межах функції, отримайте його один раз з AsyncLocalStorage і збережіть у локальній змінній для подальшого використання.

3. Використовуйте чіткі та послідовні угоди про іменування

Використовуйте чіткі та послідовні угоди про іменування для ключів, які ви зберігаєте в AsyncLocalStorage. Це покращить читабельність та зручність обслуговування коду. Наприклад, використовуйте послідовний префікс для всіх ключів, пов'язаних з певною функцією або доменом, наприклад, request.id або user.id.

4. Очищуйте після використання

Хоча AsyncLocalStorage автоматично очищає контекст зберігання після завершення асинхронної операції, хорошою практикою є явне очищення контексту зберігання, коли він більше не потрібен. Це може допомогти запобігти витокам пам'яті та покращити продуктивність. Ви можете досягти цього, використовуючи метод exit для явного очищення контексту.

5. Враховуйте наслідки для продуктивності

Будьте в курсі наслідків використання AsyncLocalStorage для продуктивності, особливо в середовищах з високою конкурентністю. Проводьте бенчмаркінг вашого коду, щоб переконатися, що він відповідає вашим вимогам до продуктивності. Профілюйте ваш застосунок, щоб виявити потенційні вузькі місця, пов'язані з керуванням контекстом. Розгляньте альтернативні підходи, такі як явна передача контексту, якщо AsyncLocalStorage створює неприйнятні накладні витрати на продуктивність.

6. Використовуйте з обережністю в бібліотеках

Уникайте прямого використання AsyncLocalStorage у бібліотеках, призначених для загального використання. Бібліотеки не повинні робити припущень про контекст, у якому вони використовуються. Замість цього надайте користувачам опції для явної передачі контекстної інформації. Це дозволяє користувачам контролювати, як керується контекстом у їхніх застосунках, та уникати потенційних конфліктів або неочікуваної поведінки.

Альтернативи AsyncLocalStorage

Хоча AsyncLocalStorage є зручним та потужним інструментом, він не завжди є найкращим рішенням для кожного сценарію. Ось деякі альтернативи, які варто розглянути:

1. Явна передача контексту

Найпростіший підхід — це явна передача контекстної інформації як аргументів до функцій. Цей підхід є простим і зрозумілим, але може стати громіздким зі збільшенням складності коду. Явна передача контексту підходить для простих сценаріїв, де контекст відносно невеликий, а код не є глибоко вкладеним. Однак для складніших сценаріїв це може призвести до коду, який важко читати та підтримувати.

2. Об'єкти контексту

Замість передачі окремих змінних, ви можете створити об'єкт контексту, який інкапсулює всю контекстну інформацію. Це може спростити сигнатури функцій і зробити код більш читабельним. Об'єкти контексту є хорошим компромісом між явною передачею контексту та AsyncLocalStorage. Вони надають спосіб групувати пов'язану контекстну інформацію, роблячи код більш організованим і легшим для розуміння. Однак вони все ще вимагають явної передачі об'єкта контексту кожній функції.

3. Async Hooks (для діагностики)

Модуль Node.js async_hooks надає більш загальний механізм для відстеження асинхронних операцій. Хоча він складніший у використанні, ніж AsyncLocalStorage, він пропонує більшу гнучкість та контроль. async_hooks в основному призначений для діагностики та налагодження. Він дозволяє відстежувати життєвий цикл асинхронних операцій та збирати інформацію про їх виконання. Однак його не рекомендується використовувати для загального керування контекстом через потенційні накладні витрати на продуктивність.

4. Діагностичний контекст (OpenTelemetry)

OpenTelemetry надає стандартизований API для збору та експорту телеметричних даних, включаючи трасування, метрики та логи. Його функції діагностичного контексту пропонують передове та надійне рішення для керування поширенням контексту в розподілених системах. Інтеграція з OpenTelemetry забезпечує незалежний від постачальника спосіб забезпечення узгодженості контексту між різними сервісами та платформами. Це особливо корисно в складних мікросервісних архітектурах, де контекст потрібно поширювати через межі сервісів.

Приклади з реального світу

Давайте розглянемо деякі реальні приклади того, як AsyncLocalStorage можна використовувати в різних сценаріях.

1. E-commerce застосунок: Трасування запитів

В e-commerce застосунку ви можете використовувати AsyncLocalStorage для відстеження запитів користувачів через кілька сервісів, таких як каталог товарів, кошик та платіжний шлюз. Це дозволяє вам моніторити продуктивність кожного сервісу та виявляти вузькі місця, які можуть впливати на досвід користувача.

// В API-шлюзі
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();
  });
});

// У сервісі каталогу товарів
async function getProductDetails(productId) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // Логуємо ID запиту разом з іншими деталями
  logger.info(`[${requestId}] Отримання деталей для товару з ID: ${productId}`);
  // ... отримуємо деталі товару
}

2. SaaS-платформа: Мульти-орендність

На SaaS-платформі ви можете використовувати AsyncLocalStorage для зберігання ID орендаря та динамічного направлення запитів до відповідного сховища даних або ресурсу на основі поточного орендаря. Це гарантує, що дані кожного орендаря зберігаються окремо, і що вони мають доступ тільки до своїх власних ресурсів.

// Проміжне ПЗ для вилучення ID орендаря із запиту
app.use((req, res, next) => {
  const tenantId = req.headers['x-tenant-id'];
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('tenantId', tenantId);
    next();
  });
});

// Функція для отримання даних для конкретного орендаря
async function fetchData(query) {
  const tenantId = asyncLocalStorage.getStore().get('tenantId');
  const db = getDatabaseConnection(tenantId);
  return db.query(query);
}

3. Мікросервісна архітектура: Контекст логування

У мікросервісній архітектурі ви можете використовувати AsyncLocalStorage для зберігання ID користувача та автоматичного включення його в повідомлення логів з різних сервісів. Це полегшує налагодження та аналіз проблем, які можуть впливати на конкретного користувача.

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

// У сервісі обробки даних
async function processData(data) {
  const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
  logger.info(`[ID користувача: ${userId}] Обробка даних: ${JSON.stringify(data)}`);
  // ... обробляємо дані
}

Висновок

AsyncLocalStorage — це цінний інструмент для керування змінними в межах запиту в асинхронних середовищах JavaScript. Він спрощує керування контекстом у асинхронних операціях, роблячи код більш читабельним, легшим для підтримки та безпечнішим. Розуміючи його сценарії використання, найкращі практики та альтернативи, ви можете ефективно використовувати AsyncLocalStorage для створення надійних та масштабованих застосунків. Однак важливо ретельно враховувати його вплив на продуктивність і використовувати його розсудливо, щоб уникнути потенційних проблем. Використовуйте AsyncLocalStorage продумано, щоб покращити свої практики розробки асинхронного JavaScript.

Завдяки чітким прикладам, практичним порадам та всеосяжному огляду, цей посібник має на меті надати розробникам по всьому світу знання для ефективного керування асинхронним контекстом за допомогою AsyncLocalStorage у їхніх JavaScript-застосунках. Не забувайте враховувати наслідки для продуктивності та альтернативи, щоб забезпечити найкраще рішення для ваших конкретних потреб.