Node.js Entwurfsmuster: Seminar zu wartbaren Backends

Überblick über Node.js Design Patterns

• Was Design Patterns sind und warum sie in JavaScript oft schlanker ausfallen
• Die „Gang of Four“: Katalog der Design Patterns und welche JavaScript schon eingebaut hat
• Anti-Patterns in Node.js: Callback-Hölle, Gott-Modul, blockierter Event Loop
• „Zalgo“ vermeiden: eine API ruft Callbacks immer synchron oder immer asynchron auf
• Bausteine für Muster in JavaScript und TypeScript: Klassen, Closures, Module

Erzeugungsmuster in Node.js

• Das Singleton-Problem: eine Instanz für Konfiguration, Verbindungspool oder Logger
• Das klassische Singleton Pattern: privater Konstruktor und getInstance() in TypeScript
• Singletons in Node.js: Modul-Caching liefert bei jedem Import dieselbe Instanz
• Grenzen des Modul-Singletons: doppelte Pakete in node_modules, ESM- und CJS-Kopien
• Das Prototype Pattern und die Prototypkette von JavaScript
• Die Klonmethode des Prototyps: structuredClone() gegenüber flacher Kopie mit Spread
• Das Factory Pattern: Objekte abhängig von Konfiguration oder Umgebung erzeugen
• Asynchrone Factory: static async create() statt Konstruktor mit Ein-/Ausgabe
• Das Builder Pattern: komplexe Objekte schrittweise aufbauen
• Implementierung eines Builders: verkettbare Methoden, Prüfung in build()

Strukturmuster in Node.js

• Das Adapter Pattern: unpassende Schnittstellen verbinden
• Implementierung eines Adapters: Callback-API auf Promises abbilden, util.promisify()
• Das Proxy Pattern: Zugriffe kontrollieren, verzögern oder zwischenspeichern
• Implementierung eines Proxys mit dem eingebauten Proxy und Reflect
• Das Composite Pattern: Baumstrukturen einheitlich behandeln
• Implementierung von Composites: Verzeichnisbaum mit Größenberechnung über fs/promises
• Das Decorator Pattern: Verhalten zur Laufzeit ergänzen
• Implementierung von Decorators: Funktionen höherer Ordnung für Cache, Retry und Logging
• TypeScript-Decorators nach ECMAScript-Vorschlag und Legacy-experimentalDecorators

Verhaltensmuster in Node.js

• Die Zuständigkeitskette (Chain of Responsibility): Anfrage durch eine Kette von Handlern
• Implementierung einer Storage-Klasse: Speicher-Backends nacheinander befragen
• Das Command Pattern: Aktionen als Objekte, Rückgängig und Wiederholen
• Implementierung von Commands: Befehlswarteschlange mit Protokoll
• Befehlsausführer erweitern: Undo-Stapel und erneuter Versuch fehlgeschlagener Befehle
• Das Iterator Pattern und das Iterationsprotokoll mit Symbol.iterator
• Implementierung von Iteratoren: Generatoren und async Iteratoren mit for await
• Iterator-Hilfsmethoden wie map(), filter() und take() direkt auf Iteratoren
• Das Observer Pattern: Abonnenten über Zustandsänderungen benachrichtigen
• Implementierung von Observern mit EventEmitter: on, once, off und error
• Listener-Lecks erkennen: MaxListenersExceededWarning und Abmelden per AbortSignal
• Das Strategy Pattern: austauschbare Algorithmen
• Implementierung von Strategien: Objekte oder Funktionen in einer Map nach Schlüssel

Node-spezifische Muster

• Middleware als Zuständigkeitskette in Express, Fastify und Koa
• Streams und Pipelines: Daten mit pipeline() und Transform-Stufen verarbeiten
• Ereignisse als Datenstrom: events.on() und Readable-Streams als async Iterable
• Dependency Injection ohne Framework: Composition Root und Konstruktorparameter
• DI-Container wie Awilix im Überblick, NestJS als Framework mit fester DI (→ NestJS)
• Anfragekontext mit AsyncLocalStorage statt durchgereichter Parameter
• Worker Threads für CPU-lastige Aufgaben und ein Worker-Pool als Muster
• Producer-Consumer mit Warteschlange und begrenzter Parallelität

Node.js-Muster mit Coding-Agenten

• Agent stellt eine Callback-Bibliothek per Adapter auf async/await um, node:test sichert vorher ab
• Im Diff markieren: Klassen-Singleton mit getInstance(), wo ein exportiertes Modulobjekt reicht
• Observer-Code vom Agenten auf fehlendes off() und nicht behandelte error-Ereignisse prüfen lassen
• Worker Threads nur mit Beleg: Agent liefert zuerst eine Messung mit perf_hooks
• Musterregeln des Node.js-Projekts in der Agenten-Anweisungsdatei (AGENTS.md) festhalten

Praxisprojekt: Importdienst für Produktdaten

• CSV- und JSON-Lieferungen verschiedener Lieferanten per Adapter und Factory einheitlich einlesen
• Import als Stream-Pipeline mit Transform-Stufen, Fortschritt und Fehler über einen EventEmitter
• Preisregeln als Strategien, Importschritte als Commands mit Rückgängig-Funktion
• Dienste in einer Composition Root verdrahten und mit node:test testen

Lernziele

• Sie setzen Singleton, Factory, Builder und Prototype mit den Mitteln von Node.js um und kennen die Grenzen des Modul-Caches
• Sie binden Callback-APIs per Adapter an Promises an und bauen Proxys und Decorators mit Sprachmitteln von JavaScript
• Sie implementieren Observer mit dem EventEmitter ohne Listener-Lecks und Iteratoren mit for await
• Sie strukturieren Abläufe mit Command, Strategy und Chain of Responsibility, etwa als Middleware
• Sie verdrahten Abhängigkeiten über eine Composition Root und verarbeiten Daten in Stream-Pipelines
• Sie entscheiden begründet, wo in einem Node.js-Projekt ein exportiertes Modul oder eine einzelne Funktion statt eines Musters reicht

Zielgruppe

• Node.js- und TypeScript-Entwickler:innen mit Praxiserfahrung
• Teams, die gewachsene Node.js-Backends wartbarer machen wollen
• Entwickler:innen aus Java oder C#, die bekannte Muster nach Node.js übertragen möchten