Асинхронний контекст JavaScript: демістифікація змінних, прив'язаних до запиту

Асинхронне програмування є наріжним каменем сучасного JavaScript, особливо в середовищах, таких як Node.js, де обробка одночасних запитів має першорядне значення. Однак управління станом і залежностями в асинхронних операціях може швидко стати складним. Змінні, що діють у межах запиту (request-scoped variables) і доступні протягом усього життєвого циклу одного запиту, пропонують потужне рішення. Ця стаття заглиблюється в концепцію асинхронного контексту JavaScript, зосереджуючись на змінних, що діють у межах запиту, та техніках ефективного управління ними. Ми розглянемо різні підходи, від нативних модулів до сторонніх бібліотек, надаючи практичні приклади та ідеї, щоб допомогти вам створювати надійні та прості в обслуговуванні додатки.

Розуміння асинхронного контексту в JavaScript

Однопотокова природа JavaScript у поєднанні з циклом подій (event loop) дозволяє виконувати неблокуючі операції. Ця асинхронність є важливою для створення чутливих до дій користувача додатків. Однак вона також створює проблеми в управлінні контекстом. У синхронному середовищі змінні природно обмежені областю видимості функцій та блоків. Натомість асинхронні операції можуть бути розкидані по кількох функціях та ітераціях циклу подій, що ускладнює підтримку послідовного контексту виконання.

Розглянемо веб-сервер, що обробляє кілька запитів одночасно. Кожен запит потребує власного набору даних, таких як інформація про автентифікацію користувача, ідентифікатори запитів для логування та з'єднання з базою даних. Без механізму для ізоляції цих даних ви ризикуєте пошкодженням даних та непередбачуваною поведінкою. Саме тут у гру вступають змінні, прив'язані до запиту.

Що таке змінні, прив'язані до запиту?

Змінні, прив'язані до запиту — це змінні, специфічні для одного запиту або транзакції в асинхронній системі. Вони дозволяють зберігати та отримувати доступ до даних, що є релевантними лише для поточного запиту, забезпечуючи ізоляцію між одночасними операціями. Уявляйте їх як виділений простір для зберігання, прикріплений до кожного вхідного запиту, який зберігається протягом усіх асинхронних викликів, зроблених під час обробки цього запиту. Це має вирішальне значення для підтримки цілісності та передбачуваності даних в асинхронних середовищах.

Ось кілька ключових сценаріїв використання:

• Автентифікація користувача: Зберігання інформації про користувача після автентифікації, роблячи її доступною для всіх наступних операцій у життєвому циклі запиту.
• Ідентифікатори запитів для логування та трасування: Призначення унікального ID кожному запиту та його поширення по системі для кореляції повідомлень у логах та відстеження шляху виконання.
• З'єднання з базою даних: Управління з'єднаннями з базою даних для кожного запиту, щоб забезпечити належну ізоляцію та запобігти витокам з'єднань.
• Налаштування конфігурації: Зберігання специфічних для запиту конфігурацій або налаштувань, до яких можуть звертатися різні частини програми.
• Управління транзакціями: Управління станом транзакції в межах одного запиту.

Підходи до реалізації змінних, прив'язаних до запиту

Для реалізації змінних, прив'язаних до запиту, в JavaScript можна використовувати декілька підходів. Кожен підхід має свої переваги та недоліки з точки зору складності, продуктивності та сумісності. Давайте розглянемо деякі з найпоширеніших технік.

1. Ручна передача контексту

Найпростіший підхід полягає в ручній передачі інформації про контекст як аргументів до кожної асинхронної функції. Хоча цей метод простий для розуміння, він може швидко стати громіздким та схильним до помилок, особливо у глибоко вкладених асинхронних викликах.

Приклад:

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)}`);
}

Як бачите, ми вручну передаємо `userId`, `req` та `res` до кожної функції. Це стає все складніше керувати при більш складних асинхронних потоках.

Недоліки:

• Шаблонний код: Явна передача контексту кожній функції створює багато надлишкового коду.
• Схильність до помилок: Легко забути передати контекст, що призводить до помилок.
• Складнощі рефакторингу: Зміна контексту вимагає модифікації сигнатури кожної функції.
• Сильна зв'язаність: Функції стають тісно пов'язаними з конкретним контекстом, який вони отримують.

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

Node.js представив `AsyncLocalStorage` як вбудований механізм для управління контекстом в асинхронних операціях. Він надає спосіб зберігання даних, доступних протягом усього життєвого циклу асинхронного завдання. Зазвичай це рекомендований підхід для сучасних додатків на Node.js. `AsyncLocalStorage` працює через методи `run` та `enterWith`, щоб забезпечити коректну передачу контексту.

Приклад:

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)}`);
}

У цьому прикладі `asyncLocalStorage.run` створює новий контекст (представлений `Map`) і виконує надану функцію зворотного виклику в цьому контексті. `requestId` зберігається в контексті та доступний у `fetchDataFromDatabase` та `renderResponse` за допомогою `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`. Аналогічно стає доступним і `req`. Анонімна функція огортає основну логіку. Будь-яка асинхронна операція в межах цієї функції автоматично успадкує контекст.

Переваги:

• Вбудований: Не вимагає зовнішніх залежностей у сучасних версіях Node.js.
• Автоматична передача контексту: Контекст автоматично поширюється на всі асинхронні операції.
• Типова безпека: Використання TypeScript може допомогти покращити типову безпеку при доступі до змінних контексту.
• Чітке розділення відповідальностей: Функції не повинні явно знати про контекст.

Недоліки:

• Вимагає Node.js v14.5.0 або новішої: Старіші версії Node.js не підтримуються.
• Незначне зниження продуктивності: Існує невелике зниження продуктивності, пов'язане з перемиканням контексту.
• Ручне управління сховищем: Метод `run` вимагає передачі об'єкта сховища, тому для кожного запиту потрібно створювати `Map` або подібний об'єкт.

3. cls-hooked (Continuation-Local Storage)

`cls-hooked` — це бібліотека, яка надає сховище, локальне для продовження (continuation-local storage, CLS), що дозволяє асоціювати дані з поточним контекстом виконання. Вона була популярним вибором для управління змінними, прив'язаними до запиту, в Node.js протягом багатьох років, ще до появи нативного `AsyncLocalStorage`. Хоча зараз `AsyncLocalStorage` є загальноприйнятим, `cls-hooked` залишається життєздатним варіантом, особливо для застарілих кодових баз або при підтримці старих версій Node.js. Однак, майте на увазі, що вона має наслідки для продуктивності.

Приклад:

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');
});

У цьому прикладі `cls.createNamespace` створює простір імен для зберігання даних, прив'язаних до запиту. Проміжне ПЗ огортає кожен запит у `namespace.run`, що встановлює контекст для запиту. `namespace.set` зберігає `requestId` у контексті, а `namespace.get` отримує його пізніше в обробнику запиту та під час симульованої асинхронної операції. UUID використовується для створення унікальних ідентифікаторів запитів.

Переваги:

• Широко використовується: `cls-hooked` був популярним вибором протягом багатьох років і має велику спільноту.
• Простий API: API відносно простий у використанні та розумінні.
• Підтримує старіші версії Node.js: Сумісний зі старими версіями Node.js.

Недоліки:

• Зниження продуктивності: `cls-hooked` покладається на monkey-patching, що може призвести до зниження продуктивності. Це може бути значним у високопродуктивних додатках.
• Потенціал для конфліктів: Monkey-patching може потенційно конфліктувати з іншими бібліотеками.
• Проблеми з підтримкою: Оскільки `AsyncLocalStorage` є нативним рішенням, майбутній розвиток та підтримка, ймовірно, будуть зосереджені на ньому.

4. Zone.js

Zone.js — це бібліотека, яка надає контекст виконання, що може використовуватися для відстеження асинхронних операцій. Хоча Zone.js відома насамперед завдяки використанню в Angular, її також можна застосовувати в Node.js для управління змінними, прив'язаними до запиту. Однак це більш складне та важке рішення порівняно з `AsyncLocalStorage` або `cls-hooked`, і зазвичай не рекомендується, якщо ви вже не використовуєте Zone.js у своєму додатку.

Переваги:

• Всеосяжний контекст: Zone.js надає дуже всеосяжний контекст виконання.
• Інтеграція з Angular: Безшовна інтеграція з додатками на Angular.

Недоліки:

• Складність: Zone.js — це складна бібліотека з крутою кривою навчання.
• Зниження продуктивності: Zone.js може значно знизити продуктивність.
• Надмірність для простих змінних, прив'язаних до запиту: Це надлишкове рішення для простого управління змінними, прив'язаними до запиту.

5. Функції проміжного ПЗ (Middleware)

У фреймворках веб-додатків, таких як Express.js, функції проміжного ПЗ (middleware) надають зручний спосіб перехоплювати запити та виконувати дії до того, як вони досягнуть обробників маршрутів. Ви можете використовувати проміжне ПЗ для встановлення змінних, прив'язаних до запиту, і робити їх доступними для наступних проміжних ПЗ та обробників маршрутів. Це часто поєднується з одним з інших методів, як `AsyncLocalStorage`.

Приклад (використання AsyncLocalStorage з проміжним ПЗ Express):

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');
});

Цей приклад демонструє, як використовувати проміжне ПЗ для встановлення `requestId` в `AsyncLocalStorage` до того, як запит досягне обробника маршруту. Обробник маршруту потім може отримати доступ до `requestId` з `AsyncLocalStorage`.

Переваги:

• Централізоване управління контекстом: Функції проміжного ПЗ надають централізоване місце для управління змінними, прив'язаними до запиту.
• Чисте розділення відповідальностей: Обробники маршрутів не потребують прямої участі у налаштуванні контексту.
• Легка інтеграція з фреймворками: Функції проміжного ПЗ добре інтегруються з веб-фреймворками, такими як Express.js.

Недоліки:

• Вимагає фреймворк: Цей підхід переважно підходить для веб-фреймворків, які підтримують проміжне ПЗ.
• Покладається на інші техніки: Проміжне ПЗ зазвичай потрібно поєднувати з однією з інших технік (наприклад, `AsyncLocalStorage`, `cls-hooked`) для фактичного зберігання та поширення контексту.

Найкращі практики використання змінних, прив'язаних до запиту

Ось деякі найкращі практики, які варто враховувати при використанні змінних, прив'язаних до запиту:

• Вибирайте правильний підхід: Виберіть підхід, який найкраще відповідає вашим потребам, враховуючи такі фактори, як версія Node.js, вимоги до продуктивності та складність. Загалом, `AsyncLocalStorage` тепер є рекомендованим рішенням для сучасних додатків на Node.js.
• Використовуйте послідовну конвенцію іменування: Використовуйте послідовну конвенцію іменування для ваших змінних, прив'язаних до запиту, щоб покращити читабельність та підтримуваність коду. Наприклад, додавайте префікс `req_` до всіх таких змінних.
• Документуйте свій контекст: Чітко документуйте призначення кожної змінної, прив'язаної до запиту, та як вона використовується в додатку.
• Уникайте прямого зберігання чутливих даних: Розгляньте можливість шифрування або маскування чутливих даних перед їх зберіганням у контексті запиту. Уникайте прямого зберігання секретів, таких як паролі.
• Очищуйте контекст: У деяких випадках вам може знадобитися очищати контекст після обробки запиту, щоб уникнути витоків пам'яті або інших проблем. З `AsyncLocalStorage` контекст автоматично очищується після завершення колбеку `run`, але з іншими підходами, як-от `cls-hooked`, вам може знадобитися явно очищати простір імен.
• Пам'ятайте про продуктивність: Будьте в курсі наслідків для продуктивності при використанні змінних, прив'язаних до запиту, особливо з підходами, як `cls-hooked`, які покладаються на monkey-patching. Ретельно тестуйте свій додаток, щоб виявити та усунути будь-які вузькі місця продуктивності.
• Використовуйте TypeScript для типової безпеки: Якщо ви використовуєте TypeScript, скористайтеся ним для визначення структури вашого контексту запиту та забезпечення типової безпеки при доступі до змінних контексту. Це зменшує кількість помилок та покращує підтримуваність.
• Розгляньте використання бібліотеки для логування: Інтегруйте ваші змінні, прив'язані до запиту, з бібліотекою для логування, щоб автоматично включати інформацію про контекст у ваші лог-повідомлення. Це полегшує відстеження запитів та налагодження проблем. Популярні бібліотеки логування, такі як Winston та Morgan, підтримують поширення контексту.
• Використовуйте ідентифікатори кореляції для розподіленого трасування: При роботі з мікросервісами або розподіленими системами використовуйте ідентифікатори кореляції для відстеження запитів через кілька сервісів. Ідентифікатор кореляції можна зберігати в контексті запиту та передавати іншим сервісам за допомогою HTTP-заголовків або інших механізмів.

Приклади з реального світу

Розглянемо деякі реальні приклади того, як змінні, прив'язані до запиту, можна використовувати в різних сценаріях:

• Додаток для електронної комерції: У додатку для електронної комерції ви можете використовувати змінні, прив'язані до запиту, для зберігання інформації про кошик користувача, таку як товари в кошику, адреса доставки та спосіб оплати. Ця інформація може бути доступна різним частинам програми, таким як каталог товарів, процес оформлення замовлення та система обробки замовлень.
• Фінансовий додаток: У фінансовому додатку ви можете використовувати змінні, прив'язані до запиту, для зберігання інформації про рахунок користувача, таку як баланс рахунку, історія транзакцій та інвестиційний портфель. Ця інформація може бути доступна різним частинам програми, таким як система управління рахунками, торгова платформа та система звітності.
• Медичний додаток: У медичному додатку ви можете використовувати змінні, прив'язані до запиту, для зберігання інформації про пацієнта, таку як медична історія пацієнта, поточні ліки та алергії. Ця інформація може бути доступна різним частинам програми, таким як система електронних медичних записів (EHR), система виписування рецептів та діагностична система.
• Глобальна система управління контентом (CMS): CMS, що обробляє контент кількома мовами, може зберігати бажану мову користувача у змінних, прив'язаних до запиту. Це дозволяє додатку автоматично надавати контент правильною мовою протягом усього сеансу користувача. Це забезпечує локалізований досвід, поважаючи мовні уподобання користувача.
• Багатокористувацький SaaS-додаток: У додатку "Програмне забезпечення як послуга" (SaaS), що обслуговує кількох орендарів (tenants), ідентифікатор орендаря можна зберігати у змінних, прив'язаних до запиту. Це дозволяє додатку ізолювати дані та ресурси для кожного орендаря, забезпечуючи конфіденційність та безпеку даних. Це життєво важливо для підтримки цілісності багатокористувацької архітектури.

Висновок

Змінні, прив'язані до запиту, є цінним інструментом для управління станом і залежностями в асинхронних додатках на JavaScript. Надаючи механізм для ізоляції даних між одночасними запитами, вони допомагають забезпечити цілісність даних, покращити підтримуваність коду та спростити налагодження. Хоча ручна передача контексту можлива, сучасні рішення, такі як `AsyncLocalStorage` в Node.js, надають більш надійний та ефективний спосіб обробки асинхронного контексту. Ретельний вибір правильного підходу, дотримання найкращих практик та інтеграція змінних, прив'язаних до запиту, з інструментами логування та трасування можуть значно підвищити якість та надійність вашого асинхронного коду на JavaScript. Асинхронні контексти можуть стати особливо корисними в архітектурах мікросервісів.

Оскільки екосистема JavaScript продовжує розвиватися, бути в курсі останніх технік управління асинхронним контекстом є вирішальним для створення масштабованих, підтримуваних та надійних додатків. `AsyncLocalStorage` пропонує чисте та продуктивне рішення для змінних, прив'язаних до запиту, і його використання настійно рекомендується для нових проєктів. Однак розуміння компромісів різних підходів, включаючи застарілі рішення, як-от `cls-hooked`, є важливим для підтримки та міграції існуючих кодових баз. Використовуйте ці техніки, щоб приборкати складнощі асинхронного програмування та створювати більш надійні та ефективні додатки на JavaScript для глобальної аудиторії.