Golang

Go基础系列：深入理解 context

Posted by Turling on 2020-02-22

前言

这篇文章将介绍Golang并发编程中常用到一种编程模式：context。本文将从为什么需要context出发，深入了解context的实现原理，以及了解如何使用context。

为什么需要context

在并发程序中，由于超时、取消操作或者一些异常情况，往往需要进行抢占操作或者中断后续操作。熟悉channel的朋友应该都见过使用done channel来处理此类问题。比如以下这个例子：

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func main() {
	messages := make(chan int, 10)
	done := make(chan bool)

	defer close(messages)
	// consumer
	go func() {
		ticker := time.NewTicker(1 * time.Second)
		for _ = range ticker.C {
			select {
			case <-done:
				fmt.Println("child process interrupt...")
				return
			default:
				fmt.Printf("send message: %d\n", <-messages)
			}
		}
	}()

	// producer
	for i := 0; i < 10; i++ {
		messages <- i
	}
	time.Sleep(5 * time.Second)
	close(done)
	time.Sleep(1 * time.Second)
	fmt.Println("main process exit!")
}

上述例子中定义了一个buffer为0的channel done, 子协程运行着定时任务。如果主协程需要在某个时刻发送消息通知子协程中断任务退出，那么就可以让子协程监听这个done channel，一旦主协程关闭done channel，那么子协程就可以推出了，这样就实现了主协程通知子协程的需求。这很好，但是这也是有限的。

如果我们可以在简单的通知上附加传递额外的信息来控制取消：为什么取消，或者有一个它必须要完成的最终期限，更或者有多个取消选项，我们需要根据额外的信息来判断选择执行哪个取消选项。

考虑下面这种情况：假如主协程中有多个任务1, 2, …m，主协程对这些任务有超时控制；而其中任务1又有多个子任务1, 2, …n，任务1对这些子任务也有自己的超时控制，那么这些子任务既要感知主协程的取消信号，也需要感知任务1的取消信号。

如果还是使用done channel的用法，我们需要定义两个done channel，子任务们需要同时监听这两个done channel。嗯，这样其实好像也还行哈。但是如果层级更深，如果这些子任务还有子任务，那么使用done channel的方式将会变得非常繁琐且混乱。

我们需要一种优雅的方案来实现这样一种机制：

  • 上层任务取消后，所有的下层任务都会被取消；
  • 中间某一层的任务取消后，只会将当前任务的下层任务取消，而不会影响上层的任务以及同级任务。

这个时候context就派上用场了。我们首先看看context的结构设计和实现原理。

context是什么

context接口

先看Context接口结构，看起来非常简单。

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type Context interface {

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

Context接口包含四个方法：

  • Deadline返回绑定当前context的任务被取消的截止时间；如果没有设定期限，将返回 ok == false。
  • Done 当绑定当前context的任务被取消时，将返回一个关闭的channel；如果当前context不会被取消，将返回nil。
  • Err 如果Done返回的channel没有关闭，将返回nil;如果Done返回的channel已经关闭，将返回非空的值表示任务结束的原因。如果是context被取消，Err将返回Canceled；如果是context超时，Err将返回DeadlineExceeded。
  • Value 返回context存储的键值对中当前key对应的值，如果没有对应的key,则返回nil。

可以看到Done方法返回的channel正是用来传递结束信号以抢占并中断当前任务；Deadline方法指示一段时间后当前goroutine是否会被取消；以及一个Err方法，来解释goroutine被取消的原因；而Value则用于获取特定于当前任务树的额外信息。而context所包含的额外信息键值对是如何存储的呢？其实可以想象一颗树，树的每个节点可能携带一组键值对, 如果当前节点上无法找到key所对应的值，就会向上去父节点里找，直到根节点，具体后面会说到。

再来看看context包中的其他关键内容。

emptyCtx

emptyCtx是一个int类型的变量，但实现了context的接口。emptyCtx没有超时时间，不能取消，也不能存储任何额外信息，所以emptyCtx用来作为context树的根节点。

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// An emptyCtx is never canceled, has no values, and has no deadline. It is not
// struct{}, since vars of this type must have distinct addresses.
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"
}

var (
	background = new(emptyCtx)
	todo       = new(emptyCtx)
)

func Background() Context {
	return background
}

func TODO() Context {
	return todo
}

但我们一般不会直接使用emptyCtx，而是使用由emptyCtx实例化的两个变量，分别可以通过调用Background和TODO方法得到，但这两个context在实现上是一样的。那么Background和TODO方法得到的context有什么区别呢？可以看一下官方的解释：

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// Background returns a non-nil, empty Context. It is never canceled, has no
// values, and has no deadline. It is typically used by the main function,
// initialization, and tests, and as the top-level Context for incoming
// requests.

// TODO returns a non-nil, empty Context. Code should use context.TODO when
// it's unclear which Context to use or it is not yet available (because the
// surrounding function has not yet been extended to accept a Context
// parameter).

Background和TODO只是用于不同场景下：
Background通常被用于主函数、初始化以及测试中，作为一个顶层的context，也就是说一般我们创建的context都是基于Background；而TODO是在不确定使用什么context的时候才会使用。

下面将介绍两种不同功能的基础context类型：valueCtx和cancelCtx。

valueCtx

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

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

valueCtx利用一个Context类型的变量来表示父节点context，所以当前context继承了父context的所有信息；valueCtx类型还携带一组键值对，也就是说这种context可以携带额外的信息。valueCtx实现了Value方法，用以在context链路上获取key对应的值，如果当前context上不存在需要的key,会沿着context链向上寻找key对应的值，直到根节点。

WithValue

WithValue用以向context添加键值对：

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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}
}

这里添加键值对不是在原context结构体上直接添加，而是以此context作为父节点，重新创建一个新的valueCtx子节点，将键值对添加在子节点上，由此形成一条context链。获取value的过程就是在这条context链上由尾部上前搜寻：

cancelCtx

cancelCtx结构体
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type cancelCtx struct {
	Context

	mu       sync.Mutex            // protects following fields
	done     chan struct{}         // created lazily, closed by first cancel call
	children map[canceler]struct{} // set to nil by the first cancel call
	err      error                 // set to non-nil by the first cancel call
}

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

跟valueCtx类似，cancelCtx中也有一个context变量作为父节点；变量done表示一个channel，用来表示传递关闭信号；children表示一个map，存储了当前context节点下的子节点；err用于存储错误信息表示任务结束的原因。

再来看一下cancelCtx实现的方法：

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func (c *cancelCtx) Done() <-chan struct{} {
	c.mu.Lock()
	if c.done == nil {
		c.done = make(chan struct{})
	}
	d := c.done
	c.mu.Unlock()
	return d
}

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

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
	if err == nil {
		panic("context: internal error: missing cancel error")
	}
	c.mu.Lock()
	if c.err != nil {
		c.mu.Unlock()
		return // already canceled
	}
	// 设置取消原因
	c.err = err
	设置一个关闭的channel或者将done channel关闭，用以发送关闭信号
	if c.done == nil {
		c.done = closedchan
	} else {
		close(c.done)
	}
	// 将子节点context依次取消
	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()

	if removeFromParent {
	    // 将当前context节点从父节点上移除
		removeChild(c.Context, c)
	}
}

可以发现cancelCtx类型变量其实也是canceler类型，因为cancelCtx实现了canceler接口。
Done方法和Err方法没必要说了，cancelCtx类型的context在调用cancel方法时会设置取消原因，将done channel设置为一个关闭channel或者关闭channel，然后将子节点context依次取消，如果有需要还会将当前节点从父节点上移除。

WithCancel

WithCancel函数用来创建一个可取消的context，即cancelCtx类型的context。WithCancel返回一个context和一个CancelFunc，调用CancelFunc即可触发cancel操作。直接看源码：

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type CancelFunc func()

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

// newCancelCtx returns an initialized cancelCtx.
func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
    // 将parent作为父节点context生成一个新的子节点
	return cancelCtx{Context: parent}
}

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
	if parent.Done() == nil {
	    // parent.Done()返回nil表明父节点以上的路径上没有可取消的context
		return // parent is never canceled
	}
	// 获取最近的类型为cancelCtx的祖先节点
	if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
		p.mu.Lock()
		if p.err != nil {
			// parent has already been canceled
			child.cancel(false, p.err)
		} else {
			if p.children == nil {
				p.children = make(map[canceler]struct{})
			}
			// 将当前子节点加入最近cancelCtx祖先节点的children中
			p.children[child] = struct{}{}
		}
		p.mu.Unlock()
	} else {
		go func() {
			select {
			case <-parent.Done():
				child.cancel(false, parent.Err())
			case <-child.Done():
			}
		}()
	}
}

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
		}
	}
}

之前说到cancelCtx取消时，会将后代节点中所有的cancelCtx都取消，propagateCancel即用来建立当前节点与祖先节点这个取消关联逻辑。

  1. 如果parent.Done()返回nil，表明父节点以上的路径上没有可取消的context，不需要处理；
  2. 如果在context链上找到到cancelCtx类型的祖先节点，则判断这个祖先节点是否已经取消，如果已经取消就取消当前节点；否则将当前节点加入到祖先节点的children列表。
  3. 否则开启一个协程，监听parent.Done()和child.Done()，一旦parent.Done()返回的channel关闭，即context链中某个祖先节点context被取消，则将当前context也取消。

这里或许有个疑问，为什么是祖先节点而不是父节点？这是因为当前context链可能是这样的：

当前cancelCtx的父节点context并不是一个可取消的context，也就没法记录children。

timerCtx

timerCtx是一种基于cancelCtx的context类型，从字面上就能看出，这是一种可以定时取消的context。

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type timerCtx struct {
	cancelCtx
	timer *time.Timer // Under cancelCtx.mu.

	deadline time.Time
}

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

func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    将内部的cancelCtx取消
	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 {
	    取消计时器
		c.timer.Stop()
		c.timer = nil
	}
	c.mu.Unlock()
}

timerCtx内部使用cancelCtx实现取消，另外使用定时器timer和过期时间deadline实现定时取消的功能。timerCtx在调用cancel方法，会先将内部的cancelCtx取消，如果需要则将自己从cancelCtx祖先节点上移除，最后取消计时器。

WithDeadline

WithDeadline返回一个基于parent的可取消的context，并且其过期时间deadline不晚于所设置时间d。

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func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
	if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {
		// The current deadline is already sooner than the new one.
		return WithCancel(parent)
	}
	c := &timerCtx{
		cancelCtx: newCancelCtx(parent),
		deadline:  d,
	}
	// 建立新建context与可取消context祖先节点的取消关联关系
	propagateCancel(parent, c)
	dur := time.Until(d)
	if dur <= 0 {
		c.cancel(true, DeadlineExceeded) // deadline has already passed
		return c, func() { c.cancel(false, Canceled) }
	}
	c.mu.Lock()
	defer c.mu.Unlock()
	if c.err == nil {
		c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
			c.cancel(true, DeadlineExceeded)
		})
	}
	return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}
  1. 如果父节点parent有过期时间并且过期时间早于给定时间d，那么新建的子节点context无需设置过期时间，使用WithCancel创建一个可取消的context即可；
  2. 否则，就要利用parent和过期时间d创建一个定时取消的timerCtx，并建立新建context与可取消context祖先节点的取消关联关系，接下来判断当前时间距离过期时间d的时长dur：
    • 如果dur小于0，即当前已经过了过期时间，则直接取消新建的timerCtx，原因为DeadlineExceeded；
    • 否则，为新建的timerCtx设置定时器，一旦到达过期时间即取消当前timerCtx。
WithTimeout

与WithDeadline类似，WithTimeout也是创建一个定时取消的context，只不过WithDeadline是接收一个过期时间点，而WithTimeout接收一个相对当前时间的过期时长timeout:

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

context的使用

首先使用context实现文章开头done channel的例子来示范一下如何更优雅实现协程间取消信号的同步：

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func main() {
	messages := make(chan int, 10)

	// producer
	for i := 0; i < 10; i++ {
		messages <- i
	}

	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 5*time.Second)

	// consumer
	go func(ctx context.Context) {
		ticker := time.NewTicker(1 * time.Second)
		for _ = range ticker.C {
			select {
			case <-ctx.Done():
				fmt.Println("child process interrupt...")
				return
			default:
				fmt.Printf("send message: %d\n", <-messages)
			}
		}
	}(ctx)

	defer close(messages)
	defer cancel()

	select {
	case <-ctx.Done():
		time.Sleep(1 * time.Second)
		fmt.Println("main process exit!")
	}
}

这个例子中，只要让子线程监听主线程传入的ctx，一旦ctx.Done()返回空channel，子线程即可取消执行任务。但这个例子还无法展现context的传递取消信息的强大优势。

阅读过net/http包的朋友可能注意到在实现http server时就用到了context, 下面简单分析一下。

1、首先Server在开启服务时会创建一个valueCtx,存储了server的相关信息，之后每建立一条连接就会开启一个协程，并携带此valueCtx。

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func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
	
	...

	var tempDelay time.Duration     // how long to sleep on accept failure
	baseCtx := context.Background() // base is always background, per Issue 16220
	ctx := context.WithValue(baseCtx, ServerContextKey, srv)
	for {
		rw, e := l.Accept()
		
		...
		
		tempDelay = 0
		c := srv.newConn(rw)
		c.setState(c.rwc, StateNew) // before Serve can return
		go c.serve(ctx)
	}
}

2、建立连接之后会基于传入的context创建一个valueCtx用于存储本地地址信息，之后在此基础上又创建了一个cancelCtx，然后开始从当前连接中读取网络请求，每当读取到一个请求则会将该cancelCtx传入，用以传递取消信号。一旦连接断开，即可发送取消信号，取消所有进行中的网络请求。

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func (c *conn) serve(ctx context.Context) {
    c.remoteAddr = c.rwc.RemoteAddr().String()
	ctx = context.WithValue(ctx, LocalAddrContextKey, c.rwc.LocalAddr())
	...

	ctx, cancelCtx := context.WithCancel(ctx)
	c.cancelCtx = cancelCtx
	defer cancelCtx()

	...

	for {
		w, err := c.readRequest(ctx)
		
        ...
		
		serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
		
		...
	}
}

3、读取到请求之后，会再次基于传入的context创建新的cancelCtx,并设置到当前请求对象req上，同时生成的response对象中cancelCtx保存了当前context取消方法。

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func (c *conn) readRequest(ctx context.Context) (w *response, err error) {
	
    ...
    
    req, err := readRequest(c.bufr, keepHostHeader)
    
    ...

	ctx, cancelCtx := context.WithCancel(ctx)
	req.ctx = ctx
	
	...

	w = &response{
		conn:          c,
		cancelCtx:     cancelCtx,
		req:           req,
		reqBody:       req.Body,
		handlerHeader: make(Header),
		contentLength: -1,
		closeNotifyCh: make(chan bool, 1),

		// We populate these ahead of time so we're not
		// reading from req.Header after their Handler starts
		// and maybe mutates it (Issue 14940)
		wants10KeepAlive: req.wantsHttp10KeepAlive(),
		wantsClose:       req.wantsClose(),
	}
	
	...
	return w, nil
}

这样处理的目的主要有以下几点：

  • 一旦请求超时，即可中断当前请求；

  • 在处理构建response过程中如果发生错误，可直接调用response对象的cancelCtx方法结束当前请求；

  • 在处理构建response完成之后，调用response对象的cancelCtx方法结束当前请求。

在整个server处理流程中，使用了一条context链贯穿Server、Connection、Request，不仅将上游的信息共享给下游任务，同时实现了上游可发送取消信号取消所有下游任务，而下游任务自行取消不会影响上游任务。

总结

context主要用于父子任务之间的同步取消信号，本质上是一种协程调度的方式。另外在使用context时有两点值得注意：上游任务仅仅使用context通知下游任务不再需要，但不会直接干涉和中断下游任务的执行，由下游任务自行决定后续的处理操作，也就是说context的取消操作是无侵入的；context是线程安全的，因为context本身是不可变的（immutable），因此可以放心地在多个协程中传递使用。

参考资料

1、Package context

2、Go Concurrency Patterns: Context

3、Understanding the context package in golang

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