JS `Node.js` `async_hooks`：追踪异步操作上下文，实现高级监控与调试

各位观众老爷们，大家好！今天咱们来聊聊 Node.js 里一个有点“神秘”，但又非常强大的模块：async_hooks。这玩意儿，说白了，就是能帮你追踪异步操作的上下文，让你在复杂的异步代码中找到北，实现一些高级的监控和调试功能。

开场白：异步的世界，谁是你的爹？

Node.js 的一大特点就是异步非阻塞。这带来了高性能，但也引入了一个难题：异步操作之间的关系变得模糊。想象一下，你发起了一个 HTTP 请求，请求的回调函数里又发起了数据库查询，数据库查询的回调函数里又写了日志……这个调用链一旦复杂起来，就成了意大利面条，乱得一塌糊涂。

当你遇到 Bug 的时候，想知道是哪个操作触发了某个错误，或者想分析性能瓶颈，那就抓瞎了。你可能会挠头：这个异步操作，到底是谁“生的”？它的“爹”又是谁？

async_hooks 就是来解决这个问题的，它让你能够追踪异步操作的上下文，就像给每个异步操作贴上标签，记录它的“家谱”。

async_hooks 的基本概念

async_hooks 提供了一系列的钩子函数，让你可以在异步操作的不同阶段执行自定义的代码。这些钩子函数包括：

• init(asyncId, type, triggerAsyncId, resource): 当一个新的异步资源被初始化时触发。
  • asyncId: 新异步资源的唯一 ID。
  • type: 异步资源的类型，比如 PROMISE, TCPWRAP, Timeout 等。
  • triggerAsyncId: 触发这个异步资源创建的异步资源的 ID，也就是它的“爹”。
  • resource: 异步资源本身。
• before(asyncId): 在异步资源的回调函数执行之前触发。
• after(asyncId): 在异步资源的回调函数执行之后触发。
• destroy(asyncId): 当异步资源被销毁时触发。
• promiseResolve(asyncId): 当一个 Promise 被 resolve 时触发 (仅用于 Promise)。

这些钩子函数就像“埋伏”在异步操作的关键节点上的“间谍”，随时向你报告异步操作的“行踪”。

实战演练：追踪 HTTP 请求

咱们来写一个简单的例子，追踪 HTTP 请求的上下文。

const async_hooks = require('async_hooks');
const http = require('http');
const fs = require('fs');

// 创建一个 Map 来存储异步操作的上下文信息
const asyncContext = new Map();

// 创建一个 async_hooks 实例
const hook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId, resource) {
        // 如果这个异步操作是由其他异步操作触发的，就记录它的“爹”
        if (triggerAsyncId !== 0) {
            asyncContext.set(asyncId, {
                type: type,
                triggerAsyncId: triggerAsyncId,
                resource: resource,
                startTime: Date.now()
            });
            console.log(`INIT: asyncId=${asyncId}, type=${type}, triggerAsyncId=${triggerAsyncId}`);
        } else {
            asyncContext.set(asyncId, {
                type: type,
                triggerAsyncId: triggerAsyncId,
                resource: resource,
                startTime: Date.now()
            });
        }
    },
    before(asyncId) {
        // 在异步操作的回调函数执行之前，打印一些信息
        const context = asyncContext.get(asyncId);
        if (context) {
            console.log(`BEFORE: asyncId=${asyncId}, type=${context.type}, triggerAsyncId=${context.triggerAsyncId}`);
        }
    },
    after(asyncId) {
        // 在异步操作的回调函数执行之后，打印一些信息
        const context = asyncContext.get(asyncId);
        if (context) {
            console.log(`AFTER: asyncId=${asyncId}, type=${context.type}, triggerAsyncId=${context.triggerAsyncId}`);
        }
    },
    destroy(asyncId) {
        // 当异步操作被销毁时，清理上下文信息
        const context = asyncContext.get(asyncId);
        if (context) {
            const duration = Date.now() - context.startTime;
            console.log(`DESTROY: asyncId=${asyncId}, type=${context.type}, triggerAsyncId=${context.triggerAsyncId}, duration=${duration}ms`);
            asyncContext.delete(asyncId);
        }
    },
    promiseResolve(asyncId) {
        console.log(`PROMISE RESOLVE: asyncId=${asyncId}`);
    }
});

// 启用 async_hooks
hook.enable();

// 创建一个简单的 HTTP 服务器
const server = http.createServer((req, res) => {
    console.log('Request received');
    fs.readFile('example.txt', 'utf8', (err, data) => {
        if (err) {
            console.error(err);
            res.writeHead(500, {'Content-Type': 'text/plain'});
            res.end('Internal Server Error');
            return;
        }
        console.log('File read');
        res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});
        res.end(data);
    });
});

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

在这个例子中，我们创建了一个 async_hooks 实例，并定义了 init, before, after, destroy 这几个钩子函数。这些钩子函数会在异步操作的不同阶段被触发，我们可以在这些函数中记录异步操作的上下文信息，比如异步资源的类型、触发它的异步资源的 ID 等等。

当 HTTP 服务器收到请求时，会读取 example.txt 文件。这个读取操作是异步的，所以会触发 async_hooks 的钩子函数。

运行这个程序，然后用浏览器访问 http://localhost:3000，你会在控制台中看到类似下面的输出：

Server listening on port 3000
Request received
INIT: asyncId=3, type=TCPWRAP, triggerAsyncId=1
BEFORE: asyncId=3, type=TCPWRAP, triggerAsyncId=1
AFTER: asyncId=3, type=TCPWRAP, triggerAsyncId=1
INIT: asyncId=4, type=FSREQCALLBACK, triggerAsyncId=3
BEFORE: asyncId=4, type=FSREQCALLBACK, triggerAsyncId=3
File read
AFTER: asyncId=4, type=FSREQCALLBACK, triggerAsyncId=3
DESTROY: asyncId=4, type=FSREQCALLBACK, triggerAsyncId=3, duration=2ms
DESTROY: asyncId=3, type=TCPWRAP, triggerAsyncId=1, duration=6ms

从这个输出中，我们可以看到：

• asyncId=3 的异步资源类型是 TCPWRAP，它是由 asyncId=1 的异步资源触发的（triggerAsyncId=1）。TCPWRAP 通常代表网络连接。
• asyncId=4 的异步资源类型是 FSREQCALLBACK，它是由 asyncId=3 的异步资源触发的。FSREQCALLBACK 代表文件系统操作的回调函数。

通过这些信息，我们就可以追踪 HTTP 请求的上下文，了解请求的处理流程。

进阶用法：性能分析和错误追踪

除了追踪异步操作的上下文，async_hooks 还可以用于性能分析和错误追踪。

1. 性能分析

我们可以利用 async_hooks 记录每个异步操作的开始时间和结束时间，然后计算出它的执行时间，从而分析性能瓶颈。

在上面的例子中，我们已经在 init 钩子函数中记录了异步操作的开始时间，然后在 destroy 钩子函数中计算了它的执行时间。

2. 错误追踪

当程序发生错误时，我们可以利用 async_hooks 追踪错误发生的上下文，找到导致错误的异步操作。

const async_hooks = require('async_hooks');
const fs = require('fs');

const asyncContext = new Map();

const hook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId, resource) {
        asyncContext.set(asyncId, {
            type: type,
            triggerAsyncId: triggerAsyncId,
            resource: resource
        });
    },
    destroy(asyncId) {
        asyncContext.delete(asyncId);
    }
}).enable();

process.on('uncaughtException', (err) => {
    console.error('Uncaught exception:', err);
    // 找到导致错误的异步操作
    const asyncId = async_hooks.executionAsyncId();
    const context = asyncContext.get(asyncId);
    if (context) {
        console.error('Error occurred in async context:', context);
    }
    process.exit(1);
});

// 模拟一个异步错误
setTimeout(() => {
    throw new Error('Async error');
}, 100);

在这个例子中，我们监听了 uncaughtException 事件，当程序发生未捕获的异常时，会执行这个事件的处理函数。在处理函数中，我们使用 async_hooks.executionAsyncId() 获取当前执行的异步操作的 ID，然后从 asyncContext 中找到这个异步操作的上下文信息，打印出来。

注意事项：性能开销

async_hooks 提供了强大的功能，但同时也带来了性能开销。因为每次异步操作都会触发钩子函数，执行额外的代码。所以，在生产环境中，要谨慎使用 async_hooks，只在需要的时候启用它，并尽量减少钩子函数中的代码量。

替代方案：async_context

async_hooks 的性能开销是一个问题，因此出现了一些替代方案，比如 async_context。async_context 通过 AsyncLocalStorage 提供了一种更轻量级的异步上下文管理方式，避免了频繁的钩子函数调用，性能更好。

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

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// 在异步操作中设置上下文信息
asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
  asyncLocalStorage.getStore().set('userId', 123);

  // 在异步操作的回调函数中获取上下文信息
  setTimeout(() => {
    const userId = asyncLocalStorage.getStore().get('userId');
    console.log('User ID:', userId); // Output: User ID: 123
  }, 100);
});

AsyncLocalStorage 提供了一个 run 方法，可以在异步操作中设置上下文信息，然后通过 getStore 方法获取上下文信息。

总结：async_hooks 的价值与挑战

async_hooks 是一个强大的工具，可以帮助我们追踪异步操作的上下文，实现高级的监控和调试功能。但是，它也带来了性能开销，需要在生产环境中谨慎使用。async_context 是一个更轻量级的替代方案，可以作为 async_hooks 的补充。

表格：async_hooks vs async_context

特性	async_hooks	async_context (AsyncLocalStorage)
实现方式	通过钩子函数在异步操作的不同阶段执行代码	通过 AsyncLocalStorage 存储上下文信息
性能开销	较高，每次异步操作都会触发钩子函数	较低，避免了频繁的钩子函数调用
使用场景	需要详细追踪异步操作上下文的场景，比如性能分析、错误追踪	需要在异步操作中传递上下文信息的场景，比如用户认证、请求 ID
复杂性	较高，需要理解钩子函数的触发时机和参数	较低，使用 AsyncLocalStorage API 更加简单
适用性	Node.js 8+	Node.js 13.10+ (需要 --experimental-async-local-storage 标志), Node.js 14+ 无需标志

结束语：选择适合你的工具

async_hooks 和 async_context 都是优秀的工具，可以帮助我们更好地理解和调试异步代码。选择哪个工具，取决于你的具体需求和场景。如果你需要详细追踪异步操作的上下文，async_hooks 是一个不错的选择。如果你只需要在异步操作中传递上下文信息，async_context 可能更适合你。

希望今天的讲座对大家有所帮助！如果有什么问题，欢迎提问。咱们下次再见！