Go Context 使用和源码分析

概述

Go语言中的Goroutine是go语言中的最重要的一部分，是一个用户级的线程是Go语言实现高并发高性能的重要原因。但是如何停止一个已经开启的Goroutine呢？一般有几种方法：

• 使用共享内存来停止goroutine，比如通过判断一个全局变量来判断是否要停止goroutine
• 使用文件系统来停止goroutine，跟使用内存相同用文件来判断
• 使用context上下文，context也是大家最推荐的一种方式。并且可以结束嵌套的goroutine。

简单使用

context库中，有4个关键方法：

• WithCancel 返回一个cancel函数，调用这个函数则可以主动停止goroutine。
• WithValue WithValue可以设置一个key/value的键值对，可以在下游任何一个嵌套的context中通过key获取value。但是不建议使用这种来做goroutine之间的通信。
• WithTimeout 函数可以设置一个time.Duration，到了这个时间则会cancel这个context。
• WithDeadline WithDeadline函数跟WithTimeout很相近，只是WithDeadline设置的是一个时间点。

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    //cancel
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    go work(ctx, "work1")

    time.Sleep(time.Second * 3)
    cancel()
    time.Sleep(time.Second * 1)

    // with value
    ctx1, valueCancel := context.WithCancel(context.Background())
    valueCtx := context.WithValue(ctx1, "key", "test value context")
    go workWithValue(valueCtx, "value work", "key")
    time.Sleep(time.Second * 3)
    valueCancel()

    // timeout
    ctx2, timeCancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second*3)
    go work(ctx2, "time cancel")
    time.Sleep(time.Second * 5)
    timeCancel()

    // deadline
    ctx3, deadlineCancel := context.WithDeadline(context.Background(), time.Now().Add(time.Second*3))
    go work(ctx3, "deadline cancel")
    time.Sleep(time.Second * 5)
    deadlineCancel()

    time.Sleep(time.Second * 3)

}

func workWithValue(ctx context.Context, name string, key string) {
    for {
        select {
        case <-ctx.Done():
            fmt.Println(ctx.Value(key))
            println(name, " get message to quit")
            return
        default:
            println(name, " is running", time.Now().String())
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }
}

func work(ctx context.Context, name string) {
    for {
        select {
        case <-ctx.Done():
            println(name, " get message to quit")
            return
        default:
            println(name, " is running", time.Now().String())
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }
}

源码分析

context的原理其实就是利用了channel struct{}的特性，使用select获取channel数据。一旦关闭这个channel则会收到数据退出goroutine中的逻辑。context也是支持嵌套使用，结构就如下图显示利用的是一个map类型来存储子context。关闭一个节点就会循环关闭这个节点下面的所有子节点，就实现了优雅的退出goroutine的功能。下面我们看具体接口对象和源码逻辑。

Context接口和核心对象

context interface 有4个方法

• Deadline 该方法返回一个deadline和标识是否已设置deadline的bool值，如果没有设置deadline，则ok == false，此时deadline为一个初始值的time.Time值
• Done 返回一个channel。当timeout或者调用cancel方法时，将会close掉
• Err 返回一个错误
• Value 返回WithValue设置的值

type Context interface {

    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)

    Done() <-chan struct{}

    Err() error

    Value(key interface{}) interface{}
}

emptyCtx

在上面的例子中我们可以看到函数context.Background()， 这个函数返回的就是一个emptyCtx
emptyCtx经常被用作在跟节点或者说是最上层的context，因为context是可以嵌套的。在上面的Withvalue的例子中已经看到，先用emptyCtx创建一个context，然后再使用withValue把之前创建的context传入。这个操作会在下面的分析中详细了解的。
下面就是emptyCtx，其实实现很简单所有的方法几乎返回的都是nil。
ToDo函数返回的也是

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

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
}

cancelCtx

cancelCtx是context实现里最重要的一环，context的取消几乎都是使用了这个对象。WithDeadline WithTimeout其实最终都是调用的cancel的cancel函数来实现的。
对象中的字段：

• Context 保存parent Context
• mu 用来保护数据
• done 用来标识是否已被cancel。当外部触发cancel、或者父Context的channel关闭时，此done也会关闭
• children 保存它的所有子canceler
• err 已经cancel则err！= nil

cancel主要函数：

Done

Done函数返回一个chan struct{}的channel，用来判断context是否已经被close了。从上面的例子可以看到使用一个select 来判断context是否被关闭。一旦从外部调用cancel函数关闭了context的done属性，select则可以拿到输出，最终关闭这个context

Cancel

Cancel函数用来在外部调用，调用之后主要操作：

1. 加锁避免多出操作
2. 如果cancelCtx的done未被初始化则初始化一个（这个属于lazyload）
3. 调用close(c.done) 来关闭channel，由于make(chan struct{})的特性，上面的Done channel则会接收到数据
4. 循环调用context.children 的cancel方法，关闭所有嵌套的context。
5. 释放锁c.mu.Unlock()
6. 根据参数removeFromParent来判断是否要

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
}

// 可以被cancel的对象，实现者是*cancelCtx 和 *timerCtx.
type canceler interface {
    cancel(removeFromParent bool, err error)
    Done() <-chan struct{}
}

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()
    defer c.mu.Unlock()
    return c.err
}

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

// cancel closes c.done, cancels each of c's children, and, if
// removeFromParent is true, removes c from its parent's children.
func (c *cancelCtx) C(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
    }
    c.err = err
    if c.done == nil {
        c.done = closedchan
    } else {
        close(c.done)
    }
    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 {
        removeChild(c.Context, c)
    }
}

timerCtx

timeCtx其实是在cancelCtx基础上增加timer属性。其中的cancel函数也是调用cancelCtx的Cancel函数。

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

    deadline time.Time
}

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()
}

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

WithCancel WithDeadline WithTimeout WithValue

这三个方法是对于context使用的一个封装，在最上边的例子里我们可以看到是如何使用的。在这段我们是要看的是如何实现的源码。

WithCancel

WithCancel函数返回context和一个主动取消的函数，外部只要调用这个函数则会close context中channel。
返回的函数测试cancelCtx中测cancel函数，在上面已经有了详细说明这里就不过多描述了。

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

WithDeadline

1. 判断父节点中的deadline是否比父节点的早，如果是则直接调用WithCancel
2. 创建一个timerCtx，timerCtx的具体描述也在上面详细分析过了
3. 使用time.afterFunc设置dur，当时间到了则执行timerCtx.Cancel最终执行的也是cancelCtx.Cancel
4. 返回Cancel函数，方便外部调用

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,
    }
    propagateCancel(parent, c)
    dur := time.Until(d)
    if dur <= 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 {
        c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

WithTimeout

WithTimeout实现很简单，其实就是调用了WithDeadline方法，传入已经计算过的deadline。

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

WithValue

WithValue 不返回cancel函数，只是把传入的key和value保存起来。方便上下游节点根据key获取value。

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)
}

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}
}

使用原则

从网上看到了一些使用原则，把他摘抄下来：

• 不要把Context存在一个结构体当中，显式地传入函数。Context变量需要作为第一个参数使用，一般命名为ctx。
• 即使方法允许，也不要传入一个nil的Context，如果你不确定你要用什么Context的时候传一个context.TODO。
• 使用context的Value相关方法只应该用于在程序和接口中传递的和请求相关的元数据，不要用它来传递一些可选的参数。
• 同样的Context可以用来传递到不同的goroutine中，Context在多个goroutine中是安全的

总结

上面讲述了context的用法和源码，其实有很多框架都实现了自己的context。其实只要继承了context接口就是一个context对象。Context是大家都比较推荐的一种停止goroutine的一种方式，并且context支持嵌套，停止跟节点它下面所有的子节点都会停止。

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