JavaScript Async Local Storage: Làm chủ Quản lý Ngữ cảnh trong Môi trường Bất đồng bộ

Lập trình bất đồng bộ là nền tảng của JavaScript hiện đại, đặc biệt là trong Node.js cho các ứng dụng phía máy chủ và ngày càng phổ biến trong trình duyệt. Tuy nhiên, việc quản lý ngữ cảnh – dữ liệu cụ thể cho một yêu cầu, phiên người dùng hoặc giao dịch – qua các hoạt động bất đồng bộ có thể là một thách thức. Các kỹ thuật tiêu chuẩn như truyền dữ liệu qua các lệnh gọi hàm có thể trở nên cồng kềnh và dễ gây lỗi, đặc biệt trong các ứng dụng phức tạp. Đây là lúc Async Local Storage (ALS) xuất hiện như một giải pháp mạnh mẽ.

Async Local Storage (ALS) là gì?

Async Local Storage (ALS) cung cấp một cách để lưu trữ dữ liệu cục bộ cho một hoạt động bất đồng bộ cụ thể. Hãy coi nó như bộ nhớ cục bộ của luồng (thread-local storage) trong các ngôn ngữ lập trình khác, nhưng được điều chỉnh cho mô hình đơn luồng, hướng sự kiện của JavaScript. ALS cho phép bạn liên kết dữ liệu với ngữ cảnh thực thi bất đồng bộ hiện tại, giúp dữ liệu đó có thể truy cập được trong toàn bộ chuỗi lệnh gọi bất đồng bộ mà không cần truyền tường minh dưới dạng đối số.

Về cơ bản, ALS tạo ra một không gian lưu trữ được tự động lan truyền qua các hoạt động bất đồng bộ được khởi tạo trong cùng một ngữ cảnh. Điều này đơn giản hóa việc quản lý ngữ cảnh và giảm đáng kể mã soạn sẵn (boilerplate code) cần thiết để duy trì trạng thái qua các ranh giới bất đồng bộ.

Tại sao nên sử dụng Async Local Storage?

ALS mang lại một số lợi ích chính trong phát triển JavaScript bất đồng bộ:

• Quản lý ngữ cảnh đơn giản hóa: Tránh việc truyền các biến ngữ cảnh qua nhiều lệnh gọi hàm, giảm sự lộn xộn của mã và cải thiện khả năng đọc.
• Cải thiện gỡ lỗi: Dễ dàng theo dõi dữ liệu theo yêu cầu trong suốt ngăn xếp lệnh gọi bất đồng bộ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc gỡ lỗi và khắc phục sự cố.
• Giảm mã soạn sẵn: Loại bỏ nhu cầu truyền bá ngữ cảnh thủ công, giúp mã sạch hơn và dễ bảo trì hơn.
• Nâng cao hiệu suất: Việc truyền bá ngữ cảnh được xử lý tự động, giảm thiểu chi phí hiệu suất liên quan đến việc truyền ngữ cảnh thủ công.
• Truy cập ngữ cảnh tập trung: Cung cấp một vị trí duy nhất, được xác định rõ ràng để truy cập dữ liệu ngữ cảnh, đơn giản hóa việc truy cập và sửa đổi.

Các trường hợp sử dụng Async Local Storage

ALS đặc biệt hữu ích trong các kịch bản mà bạn cần theo dõi dữ liệu theo yêu cầu qua các hoạt động bất đồng bộ. Dưới đây là một số trường hợp sử dụng phổ biến:

1. Theo dõi yêu cầu trong Máy chủ Web

Trong một máy chủ web, mỗi yêu cầu đến có thể được coi là một ngữ cảnh bất đồng bộ riêng biệt. ALS có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin cụ thể của yêu cầu, chẳng hạn như ID yêu cầu, ID người dùng, mã thông báo xác thực và các dữ liệu liên quan khác. Điều này cho phép bạn dễ dàng truy cập thông tin này từ bất kỳ phần nào của ứng dụng xử lý yêu cầu, bao gồm middleware, controllers và các truy vấn cơ sở dữ liệu.

Ví dụ (Node.js với 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(`Request ${requestId} started`);
    next();
  });
});

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

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

Trong ví dụ này, mỗi yêu cầu đến được gán một ID yêu cầu duy nhất, được lưu trữ trong Async Local Storage. ID này sau đó có thể được truy cập từ bất kỳ phần nào của trình xử lý yêu cầu, cho phép bạn theo dõi yêu cầu trong suốt vòng đời của nó.

2. Quản lý phiên người dùng

ALS cũng có thể được sử dụng để quản lý phiên người dùng. Khi người dùng đăng nhập, bạn có thể lưu trữ dữ liệu phiên của người dùng (ví dụ: ID người dùng, vai trò, quyền hạn) trong ALS. Điều này cho phép bạn dễ dàng truy cập dữ liệu phiên của người dùng từ bất kỳ phần nào của ứng dụng cần đến nó, mà không cần phải truyền nó dưới dạng đối số.

Ví dụ:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function authenticateUser(username, password) {
  // Mô phỏng xác thực
  if (username === 'user' && password === 'password') {
    const userSession = { userId: 123, username: 'user', roles: ['admin'] };
    asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
      asyncLocalStorage.getStore().set('userSession', userSession);
      console.log('User authenticated, session stored in 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(`Async operation: User ID: ${userSession.userId}`);
        resolve();
      } else {
        console.log('Async operation: No user session found');
        resolve();
      }
    }, 100);
  });
}

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

main();

Trong ví dụ này, sau khi xác thực thành công, phiên người dùng được lưu trữ trong ALS. Hàm `someAsyncOperation` sau đó có thể truy cập dữ liệu phiên này mà không cần nó được truyền tường minh dưới dạng đối số.

3. Quản lý giao dịch

Trong các giao dịch cơ sở dữ liệu, ALS có thể được sử dụng để lưu trữ đối tượng giao dịch. Điều này cho phép bạn truy cập đối tượng giao dịch từ bất kỳ phần nào của ứng dụng tham gia vào giao dịch, đảm bảo rằng tất cả các hoạt động được thực hiện trong cùng một phạm vi giao dịch.

4. Ghi nhật ký và Kiểm toán

ALS có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin cụ thể theo ngữ cảnh cho mục đích ghi nhật ký và kiểm toán. Ví dụ, bạn có thể lưu trữ ID người dùng, ID yêu cầu và dấu thời gian trong ALS, sau đó đưa thông tin này vào các thông điệp nhật ký của bạn. Điều này giúp dễ dàng theo dõi hoạt động của người dùng và xác định các vấn đề bảo mật tiềm ẩn.

Cách sử dụng Async Local Storage

Sử dụng Async Local Storage bao gồm ba bước chính:

1. Tạo một thể hiện AsyncLocalStorage: Tạo một thể hiện của lớp `AsyncLocalStorage`.
2. Chạy mã trong một ngữ cảnh: Sử dụng phương thức `run()` để thực thi mã trong một ngữ cảnh cụ thể. Phương thức `run()` nhận hai đối số: một kho lưu trữ (thường là một Map hoặc một đối tượng) và một hàm gọi lại. Kho lưu trữ sẽ có sẵn cho tất cả các hoạt động bất đồng bộ được khởi tạo trong hàm gọi lại.
3. Truy cập kho lưu trữ: Sử dụng phương thức `getStore()` để truy cập kho lưu trữ từ bên trong ngữ cảnh bất đồng bộ.

Ví dụ:

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

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

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

main();

API của AsyncLocalStorage

Lớp `AsyncLocalStorage` cung cấp các phương thức sau:

• constructor(): Tạo một thể hiện AsyncLocalStorage mới.
• run(store, callback, ...args): Chạy hàm gọi lại được cung cấp trong một ngữ cảnh nơi kho lưu trữ đã cho có sẵn. Kho lưu trữ thường là một `Map` hoặc đối tượng JavaScript thuần túy. Bất kỳ hoạt động bất đồng bộ nào được khởi tạo trong hàm gọi lại sẽ kế thừa ngữ cảnh này. Các đối số bổ sung có thể được truyền cho hàm gọi lại.
• getStore(): Trả về kho lưu trữ hiện tại cho ngữ cảnh bất đồng bộ hiện tại. Trả về `undefined` nếu không có kho lưu trữ nào được liên kết với ngữ cảnh hiện tại.
• disable(): Vô hiệu hóa thể hiện AsyncLocalStorage. Sau khi bị vô hiệu hóa, `run()` và `getStore()` sẽ không còn hoạt động.

Những lưu ý và Thực tiễn tốt nhất

Mặc dù ALS là một công cụ mạnh mẽ, điều quan trọng là phải sử dụng nó một cách hợp lý. Dưới đây là một số lưu ý và thực tiễn tốt nhất:

• Tránh lạm dụng: Đừng sử dụng ALS cho mọi thứ. Chỉ sử dụng nó khi bạn cần theo dõi ngữ cảnh qua các ranh giới bất đồng bộ. Hãy xem xét các giải pháp đơn giản hơn như các biến thông thường nếu ngữ cảnh không cần được truyền qua các lệnh gọi bất đồng bộ.
• Hiệu suất: Mặc dù ALS nhìn chung là hiệu quả, việc sử dụng quá mức có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Đo lường và tối ưu hóa mã của bạn khi cần thiết. Hãy chú ý đến kích thước của kho lưu trữ bạn đặt vào ALS. Các đối tượng lớn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, đặc biệt nếu có nhiều hoạt động bất đồng bộ đang được khởi tạo.
• Quản lý ngữ cảnh: Đảm bảo rằng bạn quản lý đúng vòng đời của kho lưu trữ. Tạo một kho lưu trữ mới cho mỗi yêu cầu hoặc phiên, và dọn dẹp kho lưu trữ khi không còn cần thiết. Mặc dù bản thân ALS giúp quản lý phạm vi, dữ liệu *bên trong* kho lưu trữ vẫn cần được xử lý và thu gom rác đúng cách.
• Xử lý lỗi: Hãy chú ý đến việc xử lý lỗi. Nếu một lỗi xảy ra trong một hoạt động bất đồng bộ, ngữ cảnh có thể bị mất. Hãy xem xét sử dụng các khối try-catch để xử lý lỗi và đảm bảo rằng ngữ cảnh được duy trì đúng cách.
• Gỡ lỗi: Gỡ lỗi các ứng dụng dựa trên ALS có thể là một thách thức. Sử dụng các công cụ gỡ lỗi và ghi nhật ký để theo dõi luồng thực thi và xác định các vấn đề tiềm ẩn.
• Khả năng tương thích: ALS có sẵn trong Node.js phiên bản 14.5.0 trở lên. Đảm bảo rằng môi trường của bạn hỗ trợ ALS trước khi sử dụng. Đối với các phiên bản Node.js cũ hơn, hãy xem xét sử dụng các giải pháp thay thế như continuation-local storage (CLS), mặc dù chúng có thể có các đặc điểm hiệu suất và API khác.

Các giải pháp thay thế cho Async Local Storage

Trước khi có sự ra đời của ALS, các nhà phát triển thường dựa vào các kỹ thuật khác để quản lý ngữ cảnh trong JavaScript bất đồng bộ. Dưới đây là một số lựa chọn thay thế phổ biến:

• Truyền ngữ cảnh tường minh: Truyền các biến ngữ cảnh dưới dạng đối số cho mọi hàm trong chuỗi lệnh gọi. Cách tiếp cận này đơn giản nhưng có thể trở nên tẻ nhạt và dễ gây lỗi trong các ứng dụng phức tạp. Nó cũng làm cho việc tái cấu trúc trở nên khó khăn hơn, vì việc thay đổi dữ liệu ngữ cảnh đòi hỏi phải sửa đổi chữ ký của nhiều hàm.
• Continuation-Local Storage (CLS): CLS cung cấp chức năng tương tự như ALS, nhưng nó dựa trên một cơ chế khác. CLS sử dụng kỹ thuật monkey-patching để chặn các hoạt động bất đồng bộ và truyền bá ngữ cảnh. Cách tiếp cận này có thể phức tạp hơn và có thể có những tác động về hiệu suất.
• Thư viện và Framework: Một số thư viện và framework cung cấp cơ chế quản lý ngữ cảnh của riêng họ. Ví dụ, Express.js cung cấp middleware để quản lý dữ liệu theo yêu cầu.

Mặc dù những lựa chọn thay thế này có thể hữu ích trong một số tình huống nhất định, ALS cung cấp một giải pháp thanh lịch và hiệu quả hơn để quản lý ngữ cảnh trong JavaScript bất đồng bộ.

Kết luận

Async Local Storage (ALS) là một công cụ mạnh mẽ để quản lý ngữ cảnh trong các ứng dụng JavaScript bất đồng bộ. Bằng cách cung cấp một cách để lưu trữ dữ liệu cục bộ cho một hoạt động bất đồng bộ cụ thể, ALS đơn giản hóa việc quản lý ngữ cảnh, cải thiện việc gỡ lỗi và giảm mã soạn sẵn. Cho dù bạn đang xây dựng một máy chủ web, quản lý phiên người dùng hay xử lý các giao dịch cơ sở dữ liệu, ALS có thể giúp bạn viết mã sạch hơn, dễ bảo trì hơn và hiệu quả hơn.

Lập trình bất đồng bộ ngày càng trở nên phổ biến trong JavaScript, làm cho việc hiểu các công cụ như ALS ngày càng trở nên quan trọng. Bằng cách hiểu cách sử dụng đúng đắn và các hạn chế của nó, các nhà phát triển có thể tạo ra các ứng dụng mạnh mẽ và dễ quản lý hơn, có khả năng mở rộng và thích ứng với nhu cầu đa dạng của người dùng trên toàn cầu. Hãy thử nghiệm với ALS trong các dự án của bạn và khám phá cách nó có thể đơn giản hóa quy trình làm việc bất đồng bộ và cải thiện kiến trúc ứng dụng tổng thể của bạn.

Tài nguyên tham khảo thêm

• Tài liệu Node.js AsyncLocalStorage
• gói npm async-local-storage (cho các phiên bản Node.js cũ hơn)
• Async Local Storage trong Node.js - YouTube