در ادامه مطلب قبلی، یکی از مشکلاتی که طراحی Builder از آن رنج می‌برد، نقض کردن قانون command query separation است که در ادامه درباره‌ی این اصل بیشتر بحث خواهیم کرد.

اصل Command query separation یا به اختصار CQS، در کتاب Object-Oriented Software Construction توسط Bertrand Meyer معرفی شد‌ه‌است. بر اساس آن، عملیات‌های سیستم باید یا Command باشند و یا Query و نه هر دوی آن‌ها. وقتی یک کلاینت به امضای یک متد توجه می‌کند، اینکه این متد چه کاری را انجام میدهد Commands نام داشته و به شیء فرمان می‌دهد تا کاری را انجام بدهد. این عملیات وضعیت خود شیء و یا اشیاء دیگر را تغییر می‌دهد. در اینجا Queries به شیء فرمان می‌دهند تا نتیجه‌ی سؤال ( ویا درخواست) را برگرداند.

در آن سوی دیگر، متدهایی را که وضعیت شیء را تغییر می‌‌دهند، به عنوان Command در نظر میگیریم (بدون آنکه مقداری را برگردانند). اگر این نوع متدها، مقداری را برگردانند، باعث سردرگمی کلاینت می‌شوند؛ زیرا کلاینت نمی‌داند این متد باعث تغییر شیء شده‌است و یا Query؟

public class FileStore
    {
        public string WorkingDirectory { get; set; }

        public string Save(int id, string message)
        {
            var path = Path.Combine(this.WorkingDirectory + id + ".txt");
            File.WriteAllText(path, message);
            return path;
        }

        public event EventHandler<MessageEventArgs> MessageRead;

        public void Read(int id)
        {
            var path = Path.Combine(this.WorkingDirectory + id + ".txt");
            var msg = File.ReadAllText(path);
            this.MessageRead(this, new MessageEventArgs { Message = msg });    
        }
    }

 public string Read(int id)
 {
     var path = Path.Combine(this.WorkingDirectory + id + ".txt");
     var msg = File.ReadAllText(path);
     this.MessageRead(this, new MessageEventArgs { Message = msg });
     return msg;
  }

public void Save(int id, string message)
{
    var path = Path.Combine(this.WorkingDirectory + id + ".txt");
    File.WriteAllText(path, message);
}

public class FileStore
    {
        public string WorkingDirectory { get; set; }

        public void Save(int id, string message)
        {
            var path = GetFileName(id);  //ok to query from Command
            File.WriteAllText(path, message);            
        }

        public string Read(int id)
        {
            var path = GetFileName(id);
            var msg = File.ReadAllText(path);
            return msg;
        }
     
        public string GetFileName(int id)
        {
            return Path.Combine(this.WorkingDirectory , id + ".txt");     
        }
    }

در فضایی که همواره هیچ تضمینی وجود ندارد که درخواست ارسال شده‌ی به یک API، همواره مسیر خود را همانطور که انتظار می‌رود طی کرده و پاسخ مورد نظر را در اختیار ما قرار می‌دهد، بی‌شک تلاش مجدد برای پردازش درخواست مورد نظر، به دلیل خطاهای گذرا، یکی از راهکارهای مورد استفاده خواهد بود. تصور کنید قصد طراحی یک مجموعه API عمومی را دارید، به‌نحوی که مصرف کنندگان بدون نگرانی از ایجاد خرابی یا تغییرات ناخواسته، امکان تلاش مجدد در سناریوهای مختلف مشکل در ارتباط با سرور را داشته باشند. حتما توجه کنید که برخی از متدهای HTTP مانند GET، به اصطلاح Idempotent هستند و در طراحی آنها همواره باید این موضوع مدنظر قرار بگیرد و خروجی مشابهی برای درخواست‌های تکراری همانند، مهیا کنید.

در تصویر بالا، حالتی که درخواست، توسط کلاینت ارسال شده و در آن لحظه ارتباط قطع شده‌است یا با یک خطای گذرا در سرور مواجه شده‌است و همچنین سناریویی که درخواست توسط سرور دریافت و پردازش شده‌است ولی کلاینت پاسخی را دریافت نکرده‌است، قابل مشاهده‌است.

نکته: Idempotence یکی از ویژگی های پایه‌ای عملیاتی در ریاضیات و علوم کامپیوتر است و فارغ از اینکه چندین بار اجرا شوند، نتیجه یکسانی را برای آرگومان‌های همسان، خروجی خواهند داد. این خصوصیت در کانتکست‌های مختلفی از جمله سیستم‌های پایگاه داده و وب سرویس‌ها قابل توجه می‌باشد.

Idempotent and Safe HTTP Methods

طبق HTTP RFC، متدهایی که پاسخ یکسانی را برای درخواست‌های همسان مهیا می‌کنند، به اصطلاح Idempotent هستند. همچنین متدهایی که باعث نشوند تغییری در وضعیت سیستم در سمت سرور ایجاد شود، به اصطلاح Safe در نظر گرفته خواهند شد. برای هر دو خصوصیت عنوان شده، سناریوهای استثناء و قابل بحثی وجود دارند؛ به‌عنوان مثال در مورد خصوصیت Safe بودن، درخواست GET ای را تصور کنید که یکسری لاگ آماری هم ثبت می‌کند یا عملیات بازنشانی کش را نیز انجام می‌دهد که در خیلی از موارد به عنوان یک قابلیت شناسایی خواهد شد. در این سناریوها و طبق RFC، باتوجه به اینکه هدف مصرف کننده، ایجاد Side-effect نبوده‌است، هیچ مسئولیتی در قبال این تغییرات نخواهد داشت. لیست زیر شامل متدهای مختلف HTTP به همراه دو خصوصیت ذکر شده می باشد:

Request Identifier as a Solution

راهکاری که عموما مورد استفاده قرار می‌گیرد، استفاده از یک شناسه‌ی یکتا برای درخواست ارسالی و ارسال آن به سرور از طریق هدر HTTP می باشد. تصویر زیر از کتاب API Design Patterns، روش استفاده و مراحل جلوگیری از پردازش درخواست تکراری با شناسه‌ای همسان را نشان می‌دهد:

در اینجا ابتدا مصرف کننده درخواستی با شناسه «۱» را برای پردازش به سرور ارسال می‌کند. سپس سرور که لیستی از شناسه‌های پردازش شده‌ی قبلی را نگهداری کرده‌است، تشخیص می‌دهد که این درخواست قبلا دریافت شده‌است یا خیر. پس از آن، عملیات درخواستی انجام شده و شناسه‌ی درخواست، به همراه پاسخ ارسالی به کلاینت، در فضایی ذخیره سازی می‌شود. در ادامه اگر همان درخواست مجددا به سمت سرور ارسال شود، بدون پردازش مجدد، پاسخ پردازش شده‌ی قبلی، به کلاینت تحویل داده می شود.

Implementation in .NET

ممکن است پیاده‌سازی‌های مختلفی را از این الگوی طراحی در اینترنت مشاهده کنید که به پیاده سازی یک Middleware بسنده کرده‌اند و صرفا بررسی این مورد که درخواست جاری قبلا دریافت شده‌است یا خیر را جواب می دهند که ناقص است. برای اینکه اطمینان حاصل کنیم درخواست مورد نظر دریافت و پردازش شده‌است، باید در منطق عملیات مورد نظر دست برده و تغییراتی را اعمال کنیم. برای این منظور فرض کنید در بستری هستیم که می توانیم از مزایای خصوصیات ACID دیتابیس رابطه‌ای مانند SQLite استفاده کنیم. ایده به این شکل است که شناسه درخواست دریافتی را در تراکنش مشترک با عملیات اصلی ذخیره کنیم و در صورت بروز هر گونه خطا در اصل عملیات، کل تغییرات برگشت خورده و کلاینت امکان تلاش مجدد با شناسه‌ی مورد نظر را داشته باشد. برای این منظور مدل زیر را در نظر بگیرید:

public class IdempotentId(string id, DateTime time)
{
    public string Id { get; private init; } = id;
    public DateTime Time { get; private init; } = time;
}

هدف از این موجودیت ثبت و نگهداری شناسه‌های درخواست‌های دریافتی می‌باشد. در ادامه واسط IIdempotencyStorage را برای مدیریت نحوه ذخیره سازی و پاکسازی شناسه‌های دریافتی خواهیم داشت:

public interface IIdempotencyStorage
{
    Task<bool> TryPersist(string idempotentId, CancellationToken cancellationToken);
    Task CleanupOutdated(CancellationToken cancellationToken);
    bool IsKnownException(Exception ex);
}

در اینجا متد TryPersist سعی می‌کند با شناسه دریافتی یک رکورد را ثبت کند و اگر تکراری باشد، خروجی false خواهد داشت. متد CleanupOutdated برای پاکسازی شناسه‌هایی که زمان مشخصی (مثلا ۱۲ ساعت) از دریافت آنها گذشته است، استفاده خواهد شد که توسط یک وظیفه‌ی زمان‌بندی شده می تواند اجرا شود؛ به این صورت، امکان استفاده‌ی مجدد از آن شناسه‌ها برای کلاینت‌ها مهیا خواهد شد. پیاده سازی واسط تعریف شده، به شکل زیر خواهد بود:

/// <summary>
/// To prevent from race-condition, this default implementation relies on primary key constraints.
/// </summary>
file sealed class IdempotencyStorage(
    AppDbContext dbContext,
    TimeProvider dateTime,
    ILogger<IdempotencyStorage> logger) : IIdempotencyStorage
{
    private const string ConstraintName = "PK_IdempotentId";

    public Task CleanupOutdated(CancellationToken cancellationToken)
    {
        throw new NotImplementedException(); //TODO: cleanup the outdated ids based on configurable duration
    }

    public bool IsKnownException(Exception ex)
    {
        return ex is UniqueConstraintException e && e.ConstraintName.Contains(ConstraintName);
    }

    // To tackle race-condition issue, the implementation relies on storage capabilities, such as primary constraint for given IdempotentId.
    public async Task<bool> TryPersist(string idempotentId, CancellationToken cancellationToken)
    {
        try
        {
            dbContext.Add(new IdempotentId(idempotentId, dateTime.GetUtcNow().UtcDateTime));
            await dbContext.SaveChangesAsync(cancellationToken);

            return true;
        }
        catch (UniqueConstraintException e) when (e.ConstraintName.Contains(ConstraintName))
        {
            logger.LogInformation(e, "The given idempotentId [{IdempotentId}] already exists in the storage.", idempotentId);
            return false;
        }
    }
}

همانطور که مشخص است در اینجا سعی شده‌است تا با شناسه‌ی دریافتی، یک رکورد جدید ثبت شود که در صورت بروز خطای UniqueConstraint، خروجی با مقدار false را خروجی خواهد داد که می توان از آن نتیجه گرفت که این درخواست قبلا دریافت و پردازش شده‌است (در ادامه نحوه‌ی استفاده از آن را خواهیم دید).

در این پیاده سازی از کتابخانه MediatR استفاده می کنیم؛ در همین راستا برای مدیریت تراکنش ها به صورت زیر می توان TransactionBehavior را پیاده سازی کرد:

internal sealed class TransactionBehavior<TRequest, TResponse>(
    AppDbContext dbContext,
    ILogger<TransactionBehavior<TRequest, TResponse>> logger) :
    IPipelineBehavior<TRequest, TResponse>
    where TRequest : IBaseCommand
    where TResponse : IErrorOr
{
    public async Task<TResponse> Handle(
        TRequest command,
        RequestHandlerDelegate<TResponse> next,
        CancellationToken cancellationToken)
    {
        string commandName = typeof(TRequest).Name;
        await using var transaction = await dbContext.Database.BeginTransactionAsync(IsolationLevel.ReadCommitted, cancellationToken);

        TResponse? result;
        try
        {
            logger.LogInformation("Begin transaction {TransactionId} for handling {CommandName} ({@Command})", transaction.TransactionId, commandName, command);

            result = await next();
            if (result.IsError)
            {
                await transaction.RollbackAsync(cancellationToken);

                logger.LogInformation("Rollback transaction {TransactionId} for handling {CommandName} ({@Command}) due to failure result.", transaction.TransactionId, commandName, command);

                return result;
            }

            await transaction.CommitAsync(cancellationToken);

            logger.LogInformation("Commit transaction {TransactionId} for handling {CommandName} ({@Command})", transaction.TransactionId, commandName, command);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            await transaction.RollbackAsync(cancellationToken);

            logger.LogError(ex, "An exception occured within transaction {TransactionId} for handling {CommandName} ({@Command})", transaction.TransactionId, commandName, command);

            throw;
        }

        return result;
    }
}

در اینجا مستقیما AppDbContext تزریق شده و با استفاده از خصوصیت Database آن، کار مدیریت تراکنش انجام شده‌است. همچنین باتوجه به اینکه برای مدیریت خطاها از کتابخانه‌ی ErrorOr استفاده می کنیم و خروجی همه‌ی Command های سیستم، حتما یک وهله از کلاس ErrorOr است که واسط IErrorOr را پیاده سازی کرده‌است، یک محدودیت روی تایپ جنریک اعمال کردیم که این رفتار، فقط برروی IBaseCommand ها اجرا شود. تعریف واسط IBaseCommand به شکل زیر می‌باشد:

 
/// <summary>
/// This is marker interface which is used as a constraint of behaviors.
/// </summary>
public interface IBaseCommand
{
}

public interface ICommand : IBaseCommand, IRequest<ErrorOr<Unit>>
{
}

public interface ICommand<T> : IBaseCommand, IRequest<ErrorOr<T>>
{
}

public interface ICommandHandler<in TCommand> : IRequestHandler<TCommand, ErrorOr<Unit>>
    where TCommand : ICommand
{
    Task<ErrorOr<Unit>> IRequestHandler<TCommand, ErrorOr<Unit>>.Handle(TCommand request, CancellationToken cancellationToken)
    {
        return Handle(request, cancellationToken);
    }

    new Task<ErrorOr<Unit>> Handle(TCommand command, CancellationToken cancellationToken);
}

public interface ICommandHandler<in TCommand, T> : IRequestHandler<TCommand, ErrorOr<T>>
    where TCommand : ICommand<T>
{
    Task<ErrorOr<T>> IRequestHandler<TCommand, ErrorOr<T>>.Handle(TCommand request, CancellationToken cancellationToken)
    {
        return Handle(request, cancellationToken);
    }

    new Task<ErrorOr<T>> Handle(TCommand command, CancellationToken cancellationToken);
}

در ادامه برای پیاده‌سازی IdempotencyBehavior و محدود کردن آن، واسط IIdempotentCommand را به شکل زیر خواهیم داشت:

/// <summary>
/// This is marker interface which is used as a constraint of behaviors.
/// </summary>
public interface IIdempotentCommand
{
    string IdempotentId { get; }
}

public abstract class IdempotentCommand : ICommand, IIdempotentCommand
{
    public string IdempotentId { get; init; } = string.Empty;
}

public abstract class IdempotentCommand<T> : ICommand<T>, IIdempotentCommand
{
    public string IdempotentId { get; init; } = string.Empty;
}

در اینجا یک پراپرتی، برای نگهداری شناسه‌ی درخواست دریافتی با نام IdempotentId در نظر گرفته شده‌است. این پراپرتی باید از طریق مقداری که از هدر درخواست HTTP دریافت می‌کنیم مقداردهی شود. به عنوان مثال برای ثبت کاربر جدید، به شکل زیر باید عمل کرد:

[HttpPost]
public async Task<ActionResult<long>> Register(
     [FromBody] RegisterUserCommand command,
     [FromIdempotencyToken] string idempotentId,
     CancellationToken cancellationToken)
{
     command.IdempotentId = idempotentId;
     var result = await sender.Send(command, cancellationToken);

     return result.ToActionResult();
}

در اینجا از همان Command به عنوان DTO ورودی استفاده شده‌است که وابسته به سطح Backward compatibility مورد نیاز، می توان از DTO مجزایی هم استفاده کرد. سپس از طریق FromIdempotencyToken سفارشی، شناسه‌ی درخواست، دریافت شده و بر روی command مورد نظر، تنظیم شده‌است.

رفتار سفارشی IdempotencyBehavior از ۲ بخش تشکیل شده‌است؛ در قسمت اول سعی می شود، قبل از اجرای هندلر مربوط به command مورد نظر، شناسه‌ی دریافتی را در storage تعبیه شده ثبت کند:

internal sealed class IdempotencyBehavior<TRequest, TResponse>(
    IIdempotencyStorage storage,
    ILogger<IdempotencyBehavior<TRequest, TResponse>> logger) :
    IPipelineBehavior<TRequest, TResponse>
    where TRequest : IIdempotentCommand
    where TResponse : IErrorOr
{
    public async Task<TResponse> Handle(
        TRequest command,
        RequestHandlerDelegate<TResponse> next,
        CancellationToken cancellationToken)
    {
        string commandName = typeof(TRequest).Name;

        if (string.IsNullOrWhiteSpace(command.IdempotentId))
        {
            logger.LogWarning(
                "The given command [{CommandName}] ({@Command}) marked as idempotent but has empty IdempotentId",
                commandName, command);
            return await next();
        }

        if (await storage.TryPersist(command.IdempotentId, cancellationToken) == false)
        {
            return (dynamic)Error.Conflict(
                $"The given command [{commandName}] with idempotent-id [{command.IdempotentId}] has already been received and processed.");
        }

        return await next();
    }
}

در اینجا IIdempotencyStorage تزریق شده و در صورتی که امکان ذخیره سازی وجود نداشته باشد، خطای Confilict که به‌خطای 409 ترجمه خواهد شد، برگشت داده می‌شود. در غیر این صورت ادامه‌ی عملیات اصلی باید اجرا شود. پس از آن اگر به هر دلیلی در زمان پردازش عملیات اصلی،‌ درخواست همزمانی با همان شناسه، توسط سرور دریافت شده و پردازش شود، عملیات جاری با خطای UniqueConstaint برروی PK_IdempotentId در زمان نهایی سازی تراکنش جاری، مواجه خواهد شد. برای این منظور بخش دوم این رفتار به شکل زیر خواهد بود:

internal sealed class IdempotencyExceptionBehavior<TRequest, TResponse>(IIdempotencyStorage storage) :
    IPipelineBehavior<TRequest, TResponse>
    where TRequest : IIdempotentCommand
    where TResponse : IErrorOr
{
    public async Task<TResponse> Handle(
        TRequest command,
        RequestHandlerDelegate<TResponse> next,
        CancellationToken cancellationToken)
    {
        if (string.IsNullOrWhiteSpace(command.IdempotentId)) return await next();

        string commandName = typeof(TRequest).Name;
        try
        {
            return await next();
        }
        catch (Exception ex) when (storage.IsKnownException(ex))
        {
            return (dynamic)Error.Conflict(
                $"The given command [{commandName}] with idempotent-id [{command.IdempotentId}] has already been received and processed.");
        }
    }
}

در اینجا عملیات اصلی در بدنه try اجرا شده و در صورت بروز خطایی مرتبط با Idempotency، خروجی Confilict برگشت داده خواهد شد. باید توجه داشت که نحوه ثبت رفتارهای تعریف شده تا اینجا باید به ترتیب زیر انجام شود:

services.AddMediatR(config =>
{
   config.RegisterServicesFromAssemblyContaining(typeof(DependencyInjection));

   // maintaining the order of below behaviors is crucial.
   config.AddOpenBehavior(typeof(LoggingBehavior<,>));
   config.AddOpenBehavior(typeof(IdempotencyExceptionBehavior<,>));
   config.AddOpenBehavior(typeof(TransactionBehavior<,>));
   config.AddOpenBehavior(typeof(IdempotencyBehavior<,>));
});

به این ترتیب بدنه اصلی هندلرهای موجود در سیستم هیچ تغییری نخواهند داشت و به صورت ضمنی و انتخابی، امکان تعیین command هایی که نیاز است به صورت Idempotent اجرا شوند را خواهیم داشت.

References

https://www.mscharhag.com/p/rest-api-design

https://www.manning.com/books/api-design-patterns

https://codeopinion.com/idempotent-commands/