Go语言Context（设计及分析）

Posted 2020-10-12 张伯雨

context简单概述:
Go服务器的每个请求都有自己的goroutine,而有的请求为了提高性能，会经常启动额外的goroutine处理请求,当该请求被取消或超时，该请求上的所有goroutines应该退出，防止资源泄露。那么context来了，它对该请求上的所有goroutines进行约束，然后进行取消信号，超时等操作。
而context优点就是简洁的管理goroutines的生命周期。
context简单使用:
接下来模拟一个超时继续分析context
注意: 使用时遵循context规则
1. 不要将 Context放入结构体，Context应该作为第一个参数传
   入，命名为ctx。
2. 即使函数允许，也不要传入nil的 Context。如果不知道用哪种 
   Context，可以使用context.TODO()。
3. 使用context的Value相关方法,只应该用于在程序和接口中传递
   和请求相关数据，不能用它来传递一些可选的参数
4. 相同的 Context 可以传递给在不同的goroutine；Context 是
   并发安全的。
使用net/http/pprof对goroutines进行查看:

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "net/http"
    _ "net/http/pprof"
    "time"
)

func main() {
    go http.ListenAndServe(":8080", nil)
    ctx, _ := context.WithTimeout(context.Background(), (10 * time.Second))
    go testA(ctx)
    select {}
}

func testA(ctx context.Context) {
    ctxA, _ := context.WithTimeout(ctx, (5 * time.Second))
    ch := make(chan int)
    go testB(ctxA, ch)

    select {
    case <-ctx.Done():
        fmt.Println("testA Done")
        return
    case i := <-ch:
        fmt.Println(i)
    }

}

func testB(ctx context.Context, ch chan int) {
    //模拟读取数据
    sumCh := make(chan int)
    go func(sumCh chan int) {
        sum := 10
        time.Sleep(10 * time.Second)
        sumCh <- sum
    }(sumCh)

    select {
    case <-ctx.Done():
        fmt.Println("testB Done")
        <-sumCh
        return
    //case ch  <- <-sumCh: 注意这样会导致资源泄露
    case i := <-sumCh:
        fmt.Println("send", i)
        ch <- i
    }

}


模拟数据库读取效率慢

从执行中和执行后的结果来看，我们完美的关闭了不需要的goroutine，


超时

概述中提到:
当应用场景是由一个请求衍生出多个goroutine完成需求，那它们之间就需要满足一定的约束关系，才能中止routine树，超时等操作。
那么是如何到达约束关系？
简单理解,Context 的调用以链式存在，通过WithXxx方法派生出新的 Context与当前父Context 关联，当父 Context 被取消时，其派生的所有 Context 都将取消。


WithCancel派生约束关系图

上图WithCancel派生简单分析图，接下里我们进行源码分析，进一步了解Context的约束关系（WithXxx方法派生大概与WithCancel相同）。
Context源码分析:
type Context interface {
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    Done() <-chan struct{}
    Err() error
    Value(key interface{}) interface{}
}
 Deadline()  返回的time.Time 它为Context 的结束的时间，ok 表示是否有 deadline
 Done()  返回一个信道，当对Context进行撤销或过期时，该信道就会关闭的，可以简单认为它是关闭信号。
 Err()  当Done信道关闭后，Err会返回关闭的原因（如超时,手动关闭）
 Value(key interface{})  一个 K-V 存储的方法
canceler提供了cancal函数，同时要求数据结构实现Context
type canceler interface {
    cancel(removeFromParent bool, err error)
    Done() <-chan struct{}
}
//默认错误
var Canceled = errors.New("context canceled")
var DeadlineExceeded = errors.New("context deadline exceeded")
实现Context的数据结构
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
}

func (e *emptyCtx) String() string {
    switch e {
    case background:
        return "context.Background"
    case todo:
        return "context.TODO"
    }
    return "unknown empty Context"
}
两个实现Context的空结构。
var (
    background = new(emptyCtx)
    todo       = new(emptyCtx)
)


func Background() Context {
    return background
}

func TODO() Context {
    return todo
}
cancelCtx结构体继承了Context，同时实现了canceler接口：
type cancelCtx struct {
    Context
    done chan struct{} // closed by the first cancel call.
    mu       sync.Mutex
    children map[canceler]bool // set to nil by the first cancel call
    err      error             // 当被cancel时将会把err设置为非nil
}

func (c *cancelCtx) Done() <-chan struct{} {
    return c.done
}

func (c *cancelCtx) Err() error {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    return c.err
}

func (c *cancelCtx) String() string {
    return fmt.Sprintf("%v.WithCancel", c.Context)
}

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    if err == nil {
        panic("context: internal error: missing cancel error")
    }
    c.mu.Lock()
    //timerCtx会频繁使用这块代码，因为派生出来    
    //timerCtx全部指向同一个cancelCtx.
    if c.err != nil {
        c.mu.Unlock()
        return // already canceled
    }
    c.err = err
    //关闭c.done
    close(c.done)
    //依次遍历c.children，每个child分别cancel
    for child := range c.children {
        // NOTE: acquiring the child\'s lock while holding parent\'s lock.
        child.cancel(false, err)
    }
    c.children = nil
    c.mu.Unlock()
    //如果removeFromParent为true，则将c从其parent的children中删除
    if removeFromParent {
        removeChild(c.Context, c) 
    }
}
//如果parent为valueCtx类型，将循环找最近parent
//为CancelCtx类型的，找到就从父对象的children 
//map 中删除这个child,否则返回nil（context.Background或者 context.TODO）
func removeChild(parent Context, child canceler) {
    p, ok := parentCancelCtx(parent)
    if !ok {
        return
    }
    p.mu.Lock()
    if p.children != nil {
        delete(p.children, child)
    }
    p.mu.Unlock()
}
接下来分析Cancel相关代码
type CancelFunc func()

//WithCancel方法返回一个继承parent的Context对
//象，同时返回的cancel方法可以用来关闭当前
//Context中的Done channel
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
    c := newCancelCtx(parent)
    propagateCancel(parent, &c)
    return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
    return cancelCtx{
        Context: parent,
        done:    make(chan struct{}),
    }
}

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    if parent.Done() == nil {
        return // parent is never canceled
    }
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        p.mu.Lock()
        if p.err != nil {
            //如果找到的parent已经被cancel，
            //则将方才传入的child树给cancel掉
            child.cancel(false, p.err)
        } else {
           //否则, 将child节点直接添加到parent的children中
           //（这样就有了约束关系，向上的父亲指针不变
           //，向下的孩子指针可以直接使用 ）
            if p.children == nil {
                p.children = make(map[canceler]bool)
            }
           p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
    } else {
      //如果没有找到最近的可以被cancel的parent，
      //则启动一个goroutine,等待传入的parent终止，
      //并cancel传入的child树,或者等待传入的child终结。
      go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }
}

//判断parent是否为cancelCtx类型
func parentCancelCtx(parent Context) (*cancelCtx, bool) {
    for {
        switch c := parent.(type) {
        case *cancelCtx:
            return c, true
        case *timerCtx:
            return &c.cancelCtx, true
        case *valueCtx:
            parent = c.Context
        default:
            return nil, false
        }
    }
}
timerCtx 继承cancelCtx的结构体,这种设计就可以避免写重复代码，提高复用
type timerCtx struct {
    cancelCtx 
    timer *time.Timer  // Under cancelCtx.mu.  计时器
    deadline time.Time
}

func (c *timerCtx) Deadline() (deadline time.Time, ok bool) {
    return c.deadline, true
}

func (c *timerCtx) String() string {
    return fmt.Sprintf("%v.WithDeadline(%s [%s])", c.cancelCtx.Context, c.deadline, c.deadline.Sub(time.Now()))
}

// 与cencelCtx有所不同，除了处理cancelCtx.cancel，
// 还回对c.timer进行Stop()，并将c.timer=nil
func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    c.cancelCtx.cancel(false, err)
    if removeFromParent {
        // Remove this timerCtx from its parent cancelCtx\'s children.
        removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
    }
    c.mu.Lock()
    if c.timer != nil {
        c.timer.Stop()
        c.timer = nil
    }
    c.mu.Unlock()
}
timerCtx具体的两个方法:
func WithDeadline(parent Context, deadline time.Time) (Context, CancelFunc) {
   //如果parent的deadline比新传入的deadline早，则直接
   //返回WithCancel,因为parent的deadline会先失效，而新的
   //deadline根据不需要
    if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(deadline) {
        // The current deadline is already sooner than the new one.
        return WithCancel(parent)
    }
    c := &timerCtx{
        cancelCtx: newCancelCtx(parent),
        deadline:  deadline,
    }
    propagateCancel(parent, c)

    //检查如果已经过期，则cancel新child树
    d := deadline.Sub(time.Now())
    if d <= 0 {
        c.cancel(true, DeadlineExceeded) // deadline has already passed
        return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
    }

    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    if c.err == nil {
        //没有被cancel的话，就设置deadline之后cancel的计时器
        c.timer = time.AfterFunc(d, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}


// WithTimeout简单暴力，直接把WithTimeout返回
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) {
    return WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout))
}
valueCtx主要用来传递一些可比较操作的数据
func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
    if key == nil {
        panic("nil key")
    }
    if !reflect.TypeOf(key).Comparable() {
        panic("key is not comparable")
    }
    return &valueCtx{parent, key, val}


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

func (c *valueCtx) String() string {
    return fmt.Sprintf("%v.WithValue(%#v, %#v)", c.Context, c.key, c.val)
}

func (c *valueCtx) Value(key interface{}) interface{} {
    if c.key == key {
        return c.val
    }
    return c.Context.Value(key)
}