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Node.js 使用 Async Hooks 跟踪异步错误

2022-09-067.7k 阅读

一、Node.js 异步编程基础

在深入探讨 Node.js 使用 Async Hooks 跟踪异步错误之前，我们先来回顾一下 Node.js 中的异步编程基础。Node.js 以其非阻塞 I/O 模型而闻名，这使得它非常适合处理高并发的网络应用。在 Node.js 中，许多操作，如文件系统 I/O、网络请求等，都是异步执行的。

1.1 回调函数

回调函数是 Node.js 中最基本的异步编程模式。例如，读取文件的操作：

const fs = require('fs');

fs.readFile('example.txt', 'utf8', (err, data) => {
    if (err) {
        console.error('读取文件出错:', err);
        return;
    }
    console.log('文件内容:', data);
});

在这个例子中，fs.readFile 是一个异步操作，它接受一个回调函数作为参数。当文件读取完成或发生错误时，这个回调函数会被调用。如果发生错误，err 参数会包含错误信息；如果读取成功，data 参数会包含文件内容。

1.2 Promise

随着异步操作变得越来越复杂，回调函数可能会导致“回调地狱”，代码的可读性和维护性都会下降。Promise 是一种更优雅的异步编程解决方案。它代表一个尚未完成但预计未来会完成的操作，并提供了一种链式调用的方式来处理异步操作的结果。

const fs = require('fs').promises;

fs.readFile('example.txt', 'utf8')
  .then(data => {
        console.log('文件内容:', data);
    })
  .catch(err => {
        console.error('读取文件出错:', err);
    });

在这个例子中，fs.readFile 返回一个 Promise。如果 Promise 被解决（resolved），then 方法中的回调函数会被调用，参数为解决的值（即文件内容）；如果 Promise 被拒绝（rejected），catch 方法中的回调函数会被调用，参数为拒绝的原因（即错误信息）。

1.3 async/await

async/await 是基于 Promise 的语法糖，它让异步代码看起来更像同步代码，进一步提高了代码的可读性。

const fs = require('fs').promises;

async function readFileContent() {
    try {
        const data = await fs.readFile('example.txt', 'utf8');
        console.log('文件内容:', data);
    } catch (err) {
        console.error('读取文件出错:', err);
    }
}

readFileContent();

在 async 函数中，await 关键字只能在 async 函数内部使用。它会暂停 async 函数的执行，直到 Promise 被解决或拒绝。如果 Promise 被解决，await 会返回解决的值；如果 Promise 被拒绝，await 会抛出拒绝的原因，我们可以使用 try...catch 块来捕获错误。

二、异步错误处理的挑战

虽然 Promise 和 async/await 大大简化了异步编程，但在处理复杂的异步操作时，错误跟踪仍然是一个挑战。

2.1 异步调用栈的丢失

在传统的同步代码中，当一个错误发生时，错误的调用栈可以清晰地显示错误发生的位置。例如：

function add(a, b) {
    return a + b;
}

function multiply(a, b) {
    return a * b;
}

function calculate() {
    const result1 = add(2, 3);
    const result2 = multiply(result1, 4);
    const finalResult = add(result2, 5);
    return finalResult;
}

try {
    const result = calculate();
    console.log('计算结果:', result);
} catch (err) {
    console.error('错误:', err);
    console.error('调用栈:', err.stack);
}

如果在 calculate 函数内部发生错误，err.stack 会显示从 calculate 函数到错误发生点的完整调用栈。

然而，在异步代码中，情况就不同了。考虑以下使用 Promise 的例子：

function asyncAdd(a, b) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        setTimeout(() => {
            if (typeof a!== 'number' || typeof b!== 'number') {
                reject(new Error('参数必须是数字'));
            }
            resolve(a + b);
        }, 1000);
    });
}

function asyncMultiply(a, b) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        setTimeout(() => {
            if (typeof a!== 'number' || typeof b!== 'number') {
                reject(new Error('参数必须是数字'));
            }
            resolve(a * b);
        }, 1000);
    });
}

async function asyncCalculate() {
    const result1 = await asyncAdd(2, 3);
    const result2 = await asyncMultiply(result1, 4);
    const finalResult = await asyncAdd(result2, 5);
    return finalResult;
}

asyncCalculate()
  .then(result => {
        console.log('计算结果:', result);
    })
  .catch(err => {
        console.error('错误:', err);
        console.error('调用栈:', err.stack);
    });

如果在 asyncAdd、asyncMultiply 或 asyncCalculate 中发生错误，err.stack 可能不会显示完整的异步调用栈。这是因为异步操作是在事件循环的不同阶段执行的，导致调用栈信息丢失。

2.2 多个异步操作交织的错误

当有多个异步操作交织在一起时，错误的来源可能更难确定。例如，在一个 Web 应用中，可能同时进行数据库查询、文件读取和网络请求等异步操作。如果其中一个操作失败，很难直接从错误信息中判断是哪个具体的操作导致了错误。

const fs = require('fs').promises;
const axios = require('axios');

async function complexOperation() {
    try {
        const fileData = await fs.readFile('config.json', 'utf8');
        const config = JSON.parse(fileData);
        const response = await axios.get(config.apiUrl);
        return response.data;
    } catch (err) {
        console.error('操作出错:', err);
        // 很难从这个错误信息中确定是文件读取、JSON 解析还是网络请求出错
    }
}

complexOperation();

在这个例子中，如果 err 是一个 SyntaxError，可能是 JSON.parse 出错；如果是 AxiosError，则是网络请求出错；但从 console.error 的输出很难直接判断。

三、Async Hooks 简介

Async Hooks 是 Node.js v8.1.0 引入的一个实验性模块，它提供了一种跟踪异步资源生命周期的方法，包括异步操作的创建、激活、停用和销毁。这对于跟踪异步错误非常有帮助，因为它可以帮助我们重建异步调用栈。

3.1 安装和启用

在使用 Async Hooks 之前，需要确保 Node.js 版本为 v8.1.0 及以上。由于它是实验性模块，在使用时需要通过命令行标志启用：

node --experimental-async_hooks yourScript.js

在代码中，可以通过以下方式引入 Async Hooks 模块：

const async_hooks = require('async_hooks');

3.2 核心概念

Async Hooks 主要围绕以下几个核心概念：

  • AsyncWrap：这是所有异步资源的抽象基类。每个异步操作都可以看作是一个 AsyncWrap 的实例。
  • asyncId：每个异步操作都有一个唯一的 asyncId，用于标识该异步操作。
  • triggerAsyncId：表示导致当前异步操作创建的异步操作的 asyncId。这对于构建异步调用栈非常关键。

四、使用 Async Hooks 跟踪异步错误

4.1 创建异步操作跟踪器

我们可以通过创建一个跟踪器来记录异步操作的生命周期。以下是一个简单的示例：

const async_hooks = require('async_hooks');

const asyncHook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId) {
        console.log(`异步操作 ${asyncId} 初始化，类型: ${type}，触发者: ${triggerAsyncId}`);
    },
    before(asyncId) {
        console.log(`异步操作 ${asyncId} 开始`);
    },
    after(asyncId) {
        console.log(`异步操作 ${asyncId} 结束`);
    },
    destroy(asyncId) {
        console.log(`异步操作 ${asyncId} 销毁`);
    },
    promiseResolve(asyncId) {
        console.log(`Promise 异步操作 ${asyncId} 解决`);
    }
});

asyncHook.enable();

setTimeout(() => {
    console.log('定时器回调');
}, 1000);

在这个例子中，我们创建了一个 async_hooks 钩子，并启用它。createHook 方法接受一个对象，对象中的方法会在异步操作的不同阶段被调用。init 方法在异步操作初始化时被调用，before 方法在异步操作开始执行前被调用，after 方法在异步操作执行结束后被调用，destroy 方法在异步操作被销毁时被调用，promiseResolve 方法在 Promise 被解决时被调用。

4.2 跟踪异步错误

通过记录异步操作的生命周期，我们可以更好地跟踪异步错误。当一个异步操作抛出错误时，我们可以通过 asyncId 和 triggerAsyncId 来追溯错误的来源。

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

const asyncHook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId) {
        // 为每个异步操作创建一个跟踪对象
        global[asyncId] = {
            type,
            triggerAsyncId,
            stack: new Error().stack
        };
    },
    destroy(asyncId) {
        // 异步操作结束时，删除跟踪对象
        delete global[asyncId];
    }
});

asyncHook.enable();

async function readFileWithError() {
    try {
        const data = await fs.readFile('nonexistent.txt', 'utf8');
        console.log('文件内容:', data);
    } catch (err) {
        const currentAsyncId = async_hooks.executionAsyncId();
        const errorInfo = global[currentAsyncId];
        console.error('读取文件出错:', err);
        console.error('错误来源异步操作类型:', errorInfo.type);
        console.error('触发错误的异步操作:', errorInfo.triggerAsyncId);
        console.error('错误发生时的调用栈:', errorInfo.stack);
    }
}

readFileWithError();

在这个例子中，我们在 init 方法中为每个异步操作创建一个跟踪对象，并记录其类型、触发者的 asyncId 和创建时的调用栈。当读取文件操作抛出错误时，我们获取当前异步操作的 asyncId，并从全局对象中获取对应的跟踪信息。这样我们就可以更详细地了解错误发生的上下文，包括错误来源的异步操作类型、触发该操作的异步操作以及错误发生时的调用栈。

4.3 构建异步调用栈

为了更直观地构建异步调用栈，我们可以利用 asyncId 和 triggerAsyncId 之间的关系。

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

const stackTraces = [];

const asyncHook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId) {
        stackTraces[asyncId] = {
            type,
            triggerAsyncId,
            stack: new Error().stack
        };
    },
    destroy(asyncId) {
        delete stackTraces[asyncId];
    }
});

asyncHook.enable();

async function outerAsyncOperation() {
    try {
        await innerAsyncOperation();
    } catch (err) {
        const currentAsyncId = async_hooks.executionAsyncId();
        const errorInfo = stackTraces[currentAsyncId];
        console.error('操作出错:', err);
        console.error('错误来源异步操作类型:', errorInfo.type);
        console.error('触发错误的异步操作:', errorInfo.triggerAsyncId);
        console.error('错误发生时的调用栈:', errorInfo.stack);

        // 构建异步调用栈
        let asyncCallStack = [];
        let current = currentAsyncId;
        while (current) {
            const trace = stackTraces[current];
            asyncCallStack.unshift({
                type: trace.type,
                stack: trace.stack
            });
            current = trace.triggerAsyncId;
        }
        console.log('异步调用栈:', asyncCallStack);
    }
}

async function innerAsyncOperation() {
    await fs.readFile('nonexistent.txt', 'utf8');
}

outerAsyncOperation();

在这个例子中，我们在全局数组 stackTraces 中记录每个异步操作的跟踪信息。当错误发生时，我们通过 asyncId 和 triggerAsyncId 逐步追溯，构建出完整的异步调用栈。这样可以更清晰地看到异步操作之间的调用关系，从而更容易定位错误。

五、实际应用场景

5.1 调试复杂的异步应用

在大型的 Node.js 应用中，可能存在大量交织的异步操作，如数据库查询、文件系统操作、网络请求等。当出现错误时，使用 Async Hooks 可以帮助开发人员快速定位错误来源。例如，在一个电商应用中，可能在处理订单时，需要同时查询库存、读取配置文件、调用支付接口等异步操作。如果订单处理失败，通过 Async Hooks 可以明确是哪个具体的异步操作导致了错误，以及该操作是如何被触发的。

const async_hooks = require('async_hooks');
const fs = require('fs').promises;
const axios = require('axios');

const asyncHook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type, triggerAsyncId) {
        global[asyncId] = {
            type,
            triggerAsyncId,
            stack: new Error().stack
        };
    },
    destroy(asyncId) {
        delete global[asyncId];
    }
});

asyncHook.enable();

async function processOrder() {
    try {
        const config = await fs.readFile('config.json', 'utf8');
        const { inventoryUrl, paymentUrl } = JSON.parse(config);

        const inventoryResponse = await axios.get(inventoryUrl);
        if (inventoryResponse.data.stock < 1) {
            throw new Error('库存不足');
        }

        const paymentResponse = await axios.post(paymentUrl, { amount: 100 });
        console.log('订单处理成功:', paymentResponse.data);
    } catch (err) {
        const currentAsyncId = async_hooks.executionAsyncId();
        const errorInfo = global[currentAsyncId];
        console.error('订单处理出错:', err);
        console.error('错误来源异步操作类型:', errorInfo.type);
        console.error('触发错误的异步操作:', errorInfo.triggerAsyncId);
        console.error('错误发生时的调用栈:', errorInfo.stack);
    }
}

processOrder();

在这个例子中，如果订单处理出错，通过 Async Hooks 记录的信息，我们可以确定是库存查询（axios.get）还是支付请求（axios.post）出错，以及该操作是由读取配置文件操作触发的。

5.2 性能优化

Async Hooks 不仅可以用于错误跟踪，还可以用于性能优化。通过记录异步操作的生命周期，我们可以分析哪些异步操作花费的时间最长，从而针对性地进行优化。例如，在一个日志记录系统中，可能存在多个异步的文件写入操作。通过 Async Hooks 可以确定哪些文件写入操作耗时较长，是否可以通过批量写入或优化文件系统配置来提高性能。

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

const startTime = new Map();
const asyncHook = async_hooks.createHook({
    init(asyncId, type) {
        startTime.set(asyncId, Date.now());
    },
    destroy(asyncId) {
        const endTime = Date.now();
        const elapsedTime = endTime - startTime.get(asyncId);
        console.log(`异步操作 ${asyncId} 类型 ${type} 耗时: ${elapsedTime} ms`);
        startTime.delete(asyncId);
    }
});

asyncHook.enable();

async function logMessage(message) {
    await fs.writeFile('log.txt', message + '\n', { flag: 'a' });
}

logMessage('第一条日志');

在这个例子中，我们使用 Map 来记录每个异步操作的开始时间，在操作销毁时计算其耗时。这样可以帮助我们发现性能瓶颈，优化应用的性能。

六、注意事项

6.1 性能开销

Async Hooks 虽然强大，但它会带来一定的性能开销。因为它需要在异步操作的各个阶段进行额外的记录和处理。在生产环境中使用时，需要评估这种性能开销是否可以接受。如果性能要求非常高，可以考虑在开发和测试阶段使用 Async Hooks 进行错误跟踪和性能分析，然后在生产环境中禁用它。

6.2 兼容性

由于 Async Hooks 是实验性模块，在不同的 Node.js 版本中可能存在兼容性问题。在使用之前，需要查阅官方文档，了解当前版本的特性和限制。同时，也要关注官方是否有将其转正的计划，以及转正后的 API 变化。

6.3 复杂性

使用 Async Hooks 增加了代码的复杂性。需要对异步操作的生命周期有深入的理解，并且要小心处理跟踪信息的存储和管理。在实际应用中，应该封装好相关的逻辑，提供简洁的接口，以便其他开发人员使用。

通过深入了解和合理使用 Async Hooks，我们可以在 Node.js 应用中更有效地跟踪异步错误，提高应用的稳定性和可维护性。无论是在开发复杂的 Web 应用，还是在进行性能优化时，Async Hooks 都能成为我们强大的工具。同时，我们也要注意其性能开销、兼容性和代码复杂性等问题，以确保在实际应用中能够充分发挥其优势。