Асинхронне локальне сховище JavaScript: Опанування управлінням контекстом в асинхронних середовищах

Асинхронне програмування є фундаментальним для сучасного JavaScript, особливо в Node.js для серверних застосунків і все частіше в браузері. Однак управління контекстом – даними, специфічними для запиту, сесії користувача або транзакції – через асинхронні операції може бути складним. Стандартні методи, такі як передача даних через виклики функцій, можуть стати громіздкими та схильними до помилок, особливо в складних застосунках. Саме тут на допомогу приходить асинхронне локальне сховище (Async Local Storage, ALS) як потужне рішення.

Що таке асинхронне локальне сховище (ALS)?

Асинхронне локальне сховище (ALS) надає спосіб зберігання даних, які є локальними для конкретної асинхронної операції. Уявіть це як локальне сховище потоку (thread-local storage) в інших мовах програмування, але адаптоване для однопотокової, керованої подіями моделі JavaScript. ALS дозволяє пов'язувати дані з поточним асинхронним контекстом виконання, роблячи їх доступними в усьому ланцюжку асинхронних викликів без явної передачі як аргументів.

По суті, ALS створює простір для зберігання, який автоматично поширюється через асинхронні операції, ініційовані в одному й тому ж контексті. Це спрощує управління контекстом і значно зменшує кількість шаблонного коду, необхідного для підтримки стану через асинхронні межі.

Навіщо використовувати асинхронне локальне сховище?

ALS пропонує кілька ключових переваг в асинхронній розробці на JavaScript:

• Спрощене управління контекстом: Уникайте передачі змінних контексту через численні виклики функцій, зменшуючи захаращеність коду та покращуючи читабельність.
• Покращене налагодження: Легко відстежуйте дані, специфічні для запиту, по всьому стеку асинхронних викликів, що полегшує налагодження та усунення несправностей.
• Зменшення шаблонного коду: Усуньте необхідність вручну поширювати контекст, що призводить до чистішого та більш підтримуваного коду.
• Підвищена продуктивність: Поширення контексту обробляється автоматично, мінімізуючи накладні витрати на продуктивність, пов'язані з ручною передачею контексту.
• Централізований доступ до контексту: Надає єдине, чітко визначене місце для доступу до даних контексту, спрощуючи доступ та модифікацію.

Сценарії використання асинхронного локального сховища

ALS особливо корисне в сценаріях, де потрібно відстежувати дані, специфічні для запиту, через асинхронні операції. Ось кілька поширених випадків використання:

1. Відстеження запитів у вебсерверах

У вебсервері кожен вхідний запит можна розглядати як окремий асинхронний контекст. ALS можна використовувати для зберігання інформації, специфічної для запиту, такої як ID запиту, ID користувача, токен автентифікації та інші відповідні дані. Це дозволяє легко отримувати доступ до цієї інформації з будь-якої частини вашого застосунку, яка обробляє запит, включаючи проміжне ПЗ, контролери та запити до бази даних.

Приклад (Node.js з Express):

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(`Запит ${requestId} розпочато`);
    next();
  });
});

app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  console.log(`Обробка запиту ${requestId}`);
  res.send(`Привіт, ID запиту: ${requestId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Сервер слухає порт 3000');
});

У цьому прикладі кожному вхідному запиту присвоюється унікальний ID, який зберігається в асинхронному локальному сховищі. Потім цей ID можна отримати з будь-якої частини обробника запиту, що дозволяє відстежувати запит протягом усього його життєвого циклу.

2. Управління сесіями користувачів

ALS також можна використовувати для управління сесіями користувачів. Коли користувач входить у систему, ви можете зберегти дані його сесії (наприклад, ID користувача, ролі, дозволи) в ALS. Це дозволяє легко отримувати доступ до даних сесії користувача з будь-якої частини вашого застосунку, яка цього потребує, без необхідності передавати їх як аргументи.

Приклад:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function authenticateUser(username, password) {
  // Симуляція автентифікації
  if (username === 'user' && password === 'password') {
    const userSession = { userId: 123, username: 'user', roles: ['admin'] };
    asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
      asyncLocalStorage.getStore().set('userSession', userSession);
      console.log('Користувача автентифіковано, сесію збережено в ALS');
      return true;
    });
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

function getUserSession() {
  return asyncLocalStorage.getStore() ? asyncLocalStorage.getStore().get('userSession') : null;
}

function someAsyncOperation() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      const userSession = getUserSession();
      if (userSession) {
        console.log(`Асинхронна операція: ID користувача: ${userSession.userId}`);
        resolve();
      } else {
        console.log('Асинхронна операція: сесію користувача не знайдено');
        resolve();
      }
    }, 100);
  });
}

async function main() {
  if (authenticateUser('user', 'password')) {
    await someAsyncOperation();
  } else {
    console.log('Автентифікація не вдалася');
  }
}

main();

У цьому прикладі, після успішної автентифікації, сесія користувача зберігається в ALS. Функція `someAsyncOperation` може потім отримати доступ до цих даних сесії, не вимагаючи їх явної передачі як аргументу.

3. Управління транзакціями

У транзакціях з базами даних ALS можна використовувати для зберігання об'єкта транзакції. Це дозволяє отримувати доступ до об'єкта транзакції з будь-якої частини вашого застосунку, яка бере участь у транзакції, забезпечуючи виконання всіх операцій в межах однієї транзакційної області.

4. Логування та аудит

ALS можна використовувати для зберігання контекстно-специфічної інформації для цілей логування та аудиту. Наприклад, ви можете зберігати ID користувача, ID запиту та часову мітку в ALS, а потім включати цю інформацію у свої повідомлення в логах. Це полегшує відстеження активності користувачів та виявлення потенційних проблем безпеки.

Як використовувати асинхронне локальне сховище

Використання асинхронного локального сховища включає три основні кроки:

1. Створення екземпляра AsyncLocalStorage: Створіть екземпляр класу `AsyncLocalStorage`.
2. Запуск коду в межах контексту: Використовуйте метод `run()` для виконання коду в певному контексті. Метод `run()` приймає два аргументи: сховище (зазвичай Map або об'єкт) та функцію зворотного виклику. Сховище буде доступне для всіх асинхронних операцій, ініційованих у межах цієї функції.
3. Доступ до сховища: Використовуйте метод `getStore()` для доступу до сховища з асинхронного контексту.

Приклад:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function doSomethingAsync() {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      const value = asyncLocalStorage.getStore().get('myKey');
      console.log('Значення з ALS:', value);
      resolve();
    }, 500);
  });
}

async function main() {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), async () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('myKey', 'Привіт від ALS!');
    await doSomethingAsync();
  });
}

main();

API AsyncLocalStorage

Клас `AsyncLocalStorage` надає наступні методи:

• constructor(): Створює новий екземпляр AsyncLocalStorage.
• run(store, callback, ...args): Запускає надану функцію зворотного виклику в контексті, де доступне вказане сховище. Сховище зазвичай є `Map` або простим об'єктом JavaScript. Будь-які асинхронні операції, ініційовані в межах колбеку, успадкують цей контекст. Додаткові аргументи можуть бути передані до функції зворотного виклику.
• getStore(): Повертає поточне сховище для поточного асинхронного контексту. Повертає `undefined`, якщо з поточним контекстом не пов'язано жодного сховища.
• disable(): Вимикає екземпляр AsyncLocalStorage. Після вимкнення `run()` та `getStore()` більше не функціонуватимуть.

Рекомендації та найкращі практики

Хоча ALS є потужним інструментом, важливо використовувати його розсудливо. Ось деякі рекомендації та найкращі практики:

• Уникайте надмірного використання: Не використовуйте ALS для всього. Використовуйте його лише тоді, коли потрібно відстежувати контекст через асинхронні межі. Розгляньте простіші рішення, такі як звичайні змінні, якщо контекст не потрібно поширювати через асинхронні виклики.
• Продуктивність: Хоча ALS загалом ефективний, надмірне використання може вплинути на продуктивність. Вимірюйте та оптимізуйте свій код за потреби. Пам'ятайте про розмір сховища, яке ви розміщуєте в ALS. Великі об'єкти можуть вплинути на продуктивність, особливо якщо ініціюється багато асинхронних операцій.
• Управління контекстом: Переконайтеся, що ви належним чином керуєте життєвим циклом сховища. Створюйте нове сховище для кожного запиту або сесії та очищуйте його, коли воно більше не потрібне. Хоча ALS сам допомагає керувати областю видимості, дані *в межах* сховища все ще вимагають належної обробки та збирання сміття.
• Обробка помилок: Пам'ятайте про обробку помилок. Якщо помилка виникає в асинхронній операції, контекст може бути втрачено. Розгляньте використання блоків try-catch для обробки помилок та забезпечення належного збереження контексту.
• Налагодження: Налагодження застосунків на основі ALS може бути складним. Використовуйте інструменти для налагодження та логування для відстеження потоку виконання та виявлення потенційних проблем.
• Сумісність: ALS доступний у Node.js версії 14.5.0 і вище. Переконайтеся, що ваше середовище підтримує ALS, перш ніж його використовувати. Для старіших версій Node.js розгляньте використання альтернативних рішень, таких як continuation-local storage (CLS), хоча вони можуть мати інші характеристики продуктивності та API.

Альтернативи асинхронному локальному сховищу

До появи ALS розробники часто покладалися на інші методи управління контекстом в асинхронному JavaScript. Ось деякі поширені альтернативи:

• Явна передача контексту: Передача змінних контексту як аргументів до кожної функції в ланцюжку викликів. Цей підхід простий, але може стати виснажливим і схильним до помилок у складних застосунках. Він також ускладнює рефакторинг, оскільки зміна даних контексту вимагає модифікації сигнатури багатьох функцій.
• Continuation-Local Storage (CLS): CLS надає функціональність, подібну до ALS, але базується на іншому механізмі. CLS використовує monkey-patching для перехоплення асинхронних операцій та поширення контексту. Цей підхід може бути складнішим і мати наслідки для продуктивності.
• Бібліотеки та фреймворки: Деякі бібліотеки та фреймворки надають власні механізми управління контекстом. Наприклад, Express.js надає проміжне ПЗ для управління даними, специфічними для запиту.

Хоча ці альтернативи можуть бути корисними в певних ситуаціях, ALS пропонує більш елегантне та ефективне рішення для управління контекстом в асинхронному JavaScript.

Висновок

Асинхронне локальне сховище (ALS) — це потужний інструмент для управління контекстом в асинхронних застосунках на JavaScript. Надаючи спосіб зберігання даних, локальних для конкретної асинхронної операції, ALS спрощує управління контекстом, покращує налагодження та зменшує кількість шаблонного коду. Незалежно від того, чи створюєте ви вебсервер, керуєте сесіями користувачів чи обробляєте транзакції з базами даних, ALS може допомогти вам писати чистіший, більш підтримуваний та ефективніший код.

Асинхронне програмування стає все більш поширеним у JavaScript, що робить розуміння таких інструментів, як ALS, все більш критичним. Розуміючи його правильне використання та обмеження, розробники можуть створювати більш надійні та керовані застосунки, здатні масштабуватися та адаптуватися до різноманітних потреб користувачів у всьому світі. Експериментуйте з ALS у своїх проєктах і дізнайтеся, як він може спростити ваші асинхронні робочі процеси та покращити загальну архітектуру застосунку.

Додаткові ресурси

• Документація Node.js по AsyncLocalStorage
• npm-пакет async-local-storage (для старіших версій Node.js)
• Async Local Storage в Node.js - YouTube