Golang的Context介绍及其源码分析

Posted 2020-11-27 chaunceeeeey

简介

在Go服务中，对于每个请求，都会起一个协程去处理。在处理协程中，也会起很多协程去访问资源，比如数据库，比如RPC，这些协程还需要访问请求维度的一些信息比如说请求方的身份，授权信息等等。当一个请求被取消或者超时的时候，其他所有协程都应该立即被取消以释放资源。
Golang的context包就是用来传递请求维度的数据、信号、超时给处理该请求的所有协程的。在处理请求的方法调用链中，必须传递context，当然也可以使用WithCancel, WithDeadline, WithTimeout或者WithValue去派生出子context来传递。当一个context被取消的时候，其派生出的所有子context都会被取消。
包的介绍

Context

在context包中，最核心的就是Context接口，其结构如下：

type Context interface {
   Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
   Done() <-chan struct{}
   Err() error
   Value(key interface{}) interface{}
}

一个context可以传递一个截止时间、一个取消信号和其他值。其方法是可以被多个协程同时调用的。

• Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
  返回一个截止时间，代表这个context要到达截止时间会被取消。返回的ok如果是false表示没有设置截止时间，即不会超时。

• Done() <-chan struct{}
  返回一个已经关闭的channel，表示这个context被取消了。如果这个context永远不能被取消的话，则返回nil。
  一般Done的放在select语句中使用，如：

func Stream(ctx context.Context, out chan<- Value) error {//Stream函数就是用来不断产生值并把值发送到out channel里，直到发生DoSomething发生错误或者ctx.Done关闭
   for {
      v, err := DoSomething(ctx)//DoSomething用来产生值
      if err != nil {
         return err
      }
      select {
      case <-ctx.Done(): //ctx.Done关闭
         return ctx.Err()
      case out <- v://将产生的值发送出去
      }
   }
}

• Err() error
  返回的err是用来说明这个context取消的原因。如果Done channel还没有关闭，Err()返回nil。
  一般包自带的两个错误是：取消和超时

var Canceled = errors.New("context canceled")
var DeadlineExceeded error = deadlineExceededError{}

• Value(key interface{}) interface{}
  返回保存在context中的key对应的值，如果不存在则返回nil。

WithCancel

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)
拷贝父context，并赋予一个新的Done channel。返回这个context以及cancel函数。
当以下情况发生其中之一时，这个context会被取消：

• cancel函数被调用
• 父context的Done channel被关闭
  所以在写代码的时候，如果在当前context已经完成逻辑处理，则应该调用cancel函数来通知其他协程释放资源。
  使用示例：

func main() {
   //gen函数用来产生一个不断生产数字到channel的协程，并返回channel
   gen := func(ctx context.Context) <-chan int {
      dst := make(chan int)
      n := 1
      go func() {
         for {
            select {
            case <-ctx.Done():
               return //每一次生产数字都检查context是否已经被取消，防止协程泄露
            case dst <- n:
               n++
            }
         }
      }()
      return dst
   }

   ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
   defer cancel() //在消费完生产的数字之后，调用cancel函数来取消context，以此通知其他协程

   for n := range gen(ctx) { //只消费5个数字
      fmt.Println(n)
      if n == 5 {
         break
      }
   }
}

源码分析

这个方法是怎么实现的呢？让我们来看一下源码：

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
   c := newCancelCtx(parent)
   propagateCancel(parent, &c)
   return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

可以看到主要是两个方法：newCancelCtx和propagateCancel
newCancelCtx是用父context初始化一个cancelCtx对象，cancelCtx是context的一个实现类：

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
   return cancelCtx{Context: parent}
}

看下这个newCancelCtx的结构，newCancelCtx其实是Context接口的一个实现类：

type cancelCtx struct {
   Context //指向父context的引用

   mu       sync.Mutex            // 锁用来保护下面几个字段
   done     chan struct{}         // 用来通知其他，代表这个context已经结束了
   children map[canceler]struct{} // 里面保存了所有子contex的联系，用来在结束当前context的时候，结束所有子context。这个字段cancel之后，设为nil。
   err      error                 // cancel之后，就不是nil了。
}

propagateCancel顾名思义，就是传播cancel，就是保证父context结束的时候，我们用WithCancel得到的子context能够跟着结束。
然后返回这个新建的cancelCtx对象和一个CancelFunc。CancelFunc是一个函数，内部是调用了cancelCtx对象的cancel方法，这个方法的作用是关闭cancelCtx对象的done channel（代表这个context结束了），然后cancel这个context的所有子context，如果必要的话并切断这个context和其父context的关系（其实就是这个context的子context通过propagateCancel关联上的）。
看下propagateCancel的内部：

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
   if parent.Done() == nil {//父context如果永远不能取消，直接返回，不用关联。
      return
   }
   if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {//因为传入的父context类型是Context接口，不一定是CancelCtx，所以如果要关联，则先判断类型
      p.mu.Lock()//加锁，保护字段children
      if p.err != nil {//说明父context已经结束了，也别做其他操作了，直接取消这个子context吧
         child.cancel(false, p.err)
      } else {//没有结束，就在父context里加上子context的联系，用来之后取消子context用
         if p.children == nil {
            p.children = make(map[canceler]struct{})
         }
         p.children[child] = struct{}{}
      }
      p.mu.Unlock()
   } else {//因为传入的父context类型不是CancelCtx，则不一定有children字段的，只能起一个协程来监听父context的Done，如果Done关闭了，就可以取消子context了。
      go func() {
         select {
         case <-parent.Done():
            child.cancel(false, parent.Err())
         case <-child.Done()://为了避免子context比父context先取消，造成这个监听协程泄露，这里加了这样一个case
         }
      }()
   }
}

在来看一下，WithCancel的return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }中的c.cancel(true, Canceled)到底干了啥：
因为c是类型cancelCtx，其有一个方法是cancel，这个方法其实是实现的cancel接口的方法，这在前面的cancelCtx的字段children map[canceler]struct{}中，可以看到这个map的key就是这个接口。

type canceler interface {
   cancel(removeFromParent bool, err error)
   Done() <-chan struct{}
}

这个接口包含了两个方法，实现类有*cancelCtx 和 timerCtx。
看下cancelCtx的实现，这个方法的作用是关闭cancelCtx对象的done channel（代表这个context结束了），然后cancel这个context的所有子context，如果必要的话并切断这个context和其父context的关系（其实就是这个context的子context通过propagateCancel关联上的）：

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
   if err == nil {//任何context关闭后，都需要一个错误来给字段err赋值来表明结束的原因，不传入err是不行的
      panic("context: internal error: missing cancel error")
   }
   c.mu.Lock()//加锁
   if c.err != nil {//如果错误已经有了，说明这个context已经结束了，就不用cancel了
      c.mu.Unlock()
      return // already canceled
   }
   c.err = err//赋值错误原因
   if c.done == nil {
      c.done = closedchan //这个字段延迟加载，closedchan是一个context包中的量，一个已经关闭的channel，所有context都复用这个关闭的channel
   } else {//当然如果已经加载了，则直接关闭。那是啥时候加载的呢？当然是在这个context还没结束的时候，有人调用了Done()方法，所以是延迟加载。
      close(c.done)
   }
   for child := range c.children {//结束所有子context。之前每次的propagateCancel总算派上用场了。
      child.cancel(false, err)
   }
   c.children = nil
   c.mu.Unlock()

   if removeFromParent {//如果需要的话，切断当前context和父context的联系。就是从父context的children  map里移除嘛。当然如果fucontext不是cancelCtx，就没事咯
      removeChild(c.Context, c)
   }
}

这样就介绍完源码了，看起来不错哦。

WithDeadline

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc)
拷贝父context，并设置截止时间为d。如果父context截止时间小于d，则使用父context的截止时间。
当以下情况发生其中之一时，这个context会被取消：

• 截止时间到
• 返回发cancel函数被调用
• 父context的Done channel被关闭
  使用示例

func main() {
   d := time.Now().Add(50 * time.Millisecond)
   ctx, cancel := context.WithDeadline(context.Background(), d)

   //即使ctx已经设置了截止时间，会自动过期，但是最好还是在不需要的时候主动调用cancel函数
   defer cancel()

   select {
   case <-time.After(1 * time.Second):
      fmt.Println("overslept")
   case <-ctx.Done():     //这个会先到达
      fmt.Println(ctx.Err())
   }
}

源码分析

看一下WithDeadline的实现是怎么样的：

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
   if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {//如果当前的Deadline比父Deadline晚，则用父Deadline，直接WithCancel就好了，因为父Deadline到了结束了，这个context也就结束了。WithCancel是为了返回一个cancelfunc。
      return WithCancel(parent)
   }
   c := &timerCtx{//可以看到，timerCtx其实就是包装了一下newCancelCtx，newCancelCtx在前文已经介绍了，这里看上去就简单多了。
      cancelCtx: newCancelCtx(parent),
      deadline:  d,
   }
   propagateCancel(parent, c)//propagateCancel在前文介绍过了，这里就是传播cancel嘛。
   dur := time.Until(d)
   if dur <= 0 {//时间到了，就直接可以cancel了
      c.cancel(true, DeadlineExceeded)
      return c, func() { c.cancel(false, Canceled) }
   }
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   if c.err == nil {//如果还没取消，就设置个定时器，AfterFunc函数就是说，在时间dur之后，执行func，即cancel。
      c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
         c.cancel(true, DeadlineExceeded)
      })
   }
   return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

理解了WithCancel的实现，这个WithCancel的源码还是很简单的。

WithTimeout

func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)
一定时间后超时，自动取消context以及其子context。
其实就是用了WithDeadline，只不过截止日期写的是当前时间+timeout

func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) {
   return WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout))
}

使用示例是一样的

func main() {
   ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 50*time.Millisecond)
   defer cancel()

   select {
   case <-time.After(1 * time.Second):
      fmt.Println("overslept")
   case <-ctx.Done():
      fmt.Println(ctx.Err())
   }

}

源码分析

看WithDeadline的源码就好。

WithValue

func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context
拷贝父context，并在context中设置键值。这样就可以从context中取出数据来使用。
需要注意的是，用context 的value来传递请求维度的数据，不要用来传递函数的可选参数。
传递数据使用的key，不应该是string或者其他任何go的内置类型，而是应该使用用户自定义的类型作为key。这样能避免冲突。
key必须是可比较的，意思是可以用来判断是否是同一个key，即相等。
导出的context key的静态类型应该用指针或者Interface
使用示例

func main() {
   type favContextKey string //定义一个自定义类型作为key

   f := func(ctx context.Context, k interface{}) {//判断key是否存在以及值的函数
      if v := ctx.Value(k); v != nil {
         fmt.Println("found value:", v)
         return
      }
      fmt.Println("key not found:", k)
   }

   k := favContextKey("language")
   ctx := context.WithValue(context.Background(), k, "Go") //使用自定义类型作为key

   f(ctx, k) //found value: Go
   f(ctx, favContextKey("color")) //key not found: color

   ctx2 := context.WithValue(ctx, "language", "Java") //使用string，试图覆盖之前的key对应的值
   f(ctx2, k) //found value: Go ，并没有被覆盖
   f(ctx2, "language") //found value: Java ，两个key互相独立
}

而在使用context来存储key-value的时候，最好的方式是不导出key，key只在包内可访问，在包内定义，然后包提供安全的访问方法来保存key-value和取key-value。如：

type User struct {// User是我们要作为value保存在contex里的值
   //自定义字段
}

type key int //key是我们定义在包内的key类型，这样不会与其他包的冲突

var userKey key//key类型的变量，用作context里的key。

// NewContext方法用来将value存入context
func NewContext(ctx context.Context, u *User) context.Context {
   return context.WithValue(ctx, userKey, u)
}
// FromContext用来取value
func FromContext(ctx context.Context) (*User, bool) {
   u, ok := ctx.Value(userKey).(*User)
   return u, ok
}

源码分析

看一下WithValue的实现是咋样的：

func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
   if key == nil {//没有key肯定是不行的辣
      panic("nil key")
   }
   if !reflectlite.TypeOf(key).Comparable() {//key不可比较也是不行的辣,Comparable()是接口Type的一个方法，不可比较，那么取value的时候，咋知道你到底想取啥
      panic("key is not comparable")
   }
   return &valueCtx{parent, key, val}
}

看到返回了一个valueCtx对象，这是个啥，康康：

type valueCtx struct {
   Context
   key, val interface{}
}

好家伙，原来是包装了一个context，加俩字段key和value。这还了得，那如果多WithValue几次，那不得串成长长的一个链。可以看到这里每WithValue一次，就多一个节点，这个链可够长，取value就是向上遍历这个context链了嘛。来康康取值方法Value()的实现，其实我们知道Value(key interface{}) interface{}是context接口的一个方法，所以我们看下这个在valueCtx结构中的实现：

func (c *valueCtx) Value(key interface{}) interface{} {
   if c.key == key {//key的可比性就是用在这里的
      return c.val
   }
   return c.Context.Value(key)//如果当前valueCtx里没有找到这个key，就向上遍历链，直到找到为止
}

这个向上遍历的链，如果一直找不到key呢，就会终止在顶层context：background或者todo
看一哈：

var (
   background = new(emptyCtx)
   todo       = new(emptyCtx)
)
func Background() Context {
   return background
}
func TODO() Context {
   return todo
}

是滴，context.Background()和context.TODO()就造了这么个玩意儿，emptyCtx类型的一个对象，emptyCtx是什么东西呢，来截取一小部分康康：

type emptyCtx int
func (*emptyCtx) Deadline() (deadline time.Time, ok bool) {
   return
}
func (*emptyCtx) Done() <-chan struct{} {
   return nil
}
func (*emptyCtx) Err() error {
   return nil
}
func (*emptyCtx) Value(key interface{}) interface{} {
   return nil
}

好家伙是个惊天骗局，本质上只是个int，居然还实现了context接口。
其Value返回nil，破案了。

Background

func Background() Context
返回一个非nil非空的context，永远不会被取消，也没有value，没有deadline。一般用于main函数里，或者初始化，用作顶层的context。

TODO

func TODO() Context
返回一个非nil非空的context。当不知道用什么context，或者还不使用context但是有这个入参的时候，可以用这个。