Context源码分析 | 唯吾鹰扬

Context 接口

对服务器传入的请求应该创建上下文，而对服务器的传出调用应该接受上下文。它们之间的函数调用链必须传递上下文，或者可以使用WithCancel、WithDeadline、WithTimeout或WithValue创建的派生上下文。当一个上下文被取消时，它派生的所有上下文也被取消。

context.Context是一个接口，该接口定义了四个需要实现的方法

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

可以看到Context是一个interface，在golang里面，interface是一个使用非常广泛的结构，它可以接纳任何类型。Context定义很简单，一共4个方法，我们需要能够很好的理解这几个方法

Deadline方法是获取设置的截止时间的意思，第一个返回式是截止时间，到了这个时间点，Context会自动发起取消请求；第二个返回值ok==false时表示没有设置截止时间，如果需要取消的话，需要调用取消函数进行取消。
Done方法返回一个只读的chan，类型为struct{}，我们在goroutine中，如果该方法返回的chan可以读取，则意味着parent context已经发起了取消请求，我们通过Done方法收到这个信号后，就应该做清理操作，然后退出goroutine，释放资源。之后，Err 方法会返回一个错误，告知为什么 Context 被取消。
Err方法返回当前 context 结束的原因，只会在Done返回的Chan被关闭时才会返回非空的值。
- 如果当前 Context 被取消就会返回 Canceled 的错误
- 如果当前 Context 超时就会返回 DeadlineExceeded 错误
Value方法获取该Context上绑定的值，是一个键值对，所以要通过一个Key才可以获取对应的值，这个值一般是线程安全的。对于同一个上下文来说，多次调用Value 并传入相同的Key会返回相同的结果，该方法仅用于传递跨API和进程间跟请求域的数据

源码提供的四个 `Context` 实现

emptyCtx 完全空的 Context ，实现的函数也都是返回nil，仅仅是实现了 Context 的接口

// emptyCtx永远不会被取消，没有值，也没有截止日期。It is not
// struct{}, 因为这种类型的变量必须有不同的地址。
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"
}

cancelCtx 继承自 Context ，同时也实现了 canceler 接口

// cancelCtx可以被取消。当取消时，它也取消了所有的子节点
// 实现canceler。
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
}

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
}

type stringer interface {
	String() string
}

func contextName(c Context) string {
	if s, ok := c.(stringer); ok {
		return s.String()
	}
	return reflectlite.TypeOf(c).String()
}

func (c *cancelCtx) String() string {
	return contextName(c.Context) + ".WithCancel"
}

// cancel closes c.done, cancels each of c's children, and, if
// removeFromParent is true, removes c from its parent's children.
//核心是关闭c.done
//同时会设置c.err = err, c.children = nil
//依次遍历c.children，每个child分别cancel
//如果设置了removeFromParent，则将c从其parent的children中删除
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
	}
	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)
	}
}

可以看到，所有的children都存在一个map中；Done方法会返回其中的done channel，而另外的cancel方法会关闭Done channel并且逐层向下遍历，关闭children的channel，并且将当前canceler从parent中移除

timerCtx 继承自 cancelCtx ，增加了 timeout 机制

// A timerCtx carries a timer and a deadline. It embeds a cancelCtx to
// implement Done and Err. It implements cancel by stopping its timer then
// delegating to cancelCtx.cancel.
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) String() string {
	return contextName(c.cancelCtx.Context) + ".WithDeadline(" +
		c.deadline.String() + " [" +
		time.Until(c.deadline).String() + "])"
}

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()
}

valueCtx 存储键值对的数据

// A valueCtx carries a key-value pair. It implements Value for that key and
// delegates all other calls to the embedded Context.
type valueCtx struct {
	Context
	key, val interface{}
}

// stringify tries a bit to stringify v, without using fmt, since we don't
// want context depending on the unicode tables. This is only used by
// *valueCtx.String().
func stringify(v interface{}) string {
	switch s := v.(type) {
	case stringer:
		return s.String()
	case string:
		return s
	}
	return "<not Stringer>"
}

func (c *valueCtx) String() string {
	return contextName(c.Context) + ".WithValue(type " +
		reflectlite.TypeOf(c.key).String() +
		", val " + stringify(c.val) + ")"
}

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

Background()和TODO()

Background，主要用于main函数、初始化以及测试代码中，作为Context这个树结构的最顶层的Context，也就是根Context，它不能被取消。它是一个emptyCtx的实例。可以认为所有的Context是树的结构，Background是树的根，当任一Context被取消的时候，那么继承它的Context 都将被回收。
TODO，如果我们不知道该使用什么Context的时候，可以使用这个，但是实际应用中，暂时还没有使用过这个TODO

他们两个本质上都是emptyCtx结构体类型，是一个不可取消，没有设置截止时间，没有携带任何值的Context。

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

// Background返回一个非空的上下文。它从来没有被取消过，没有
// 值，并且没有最后期限。它通常由主函数使用，
// 初始化和测试，并作为传入的顶级上下文
// 请求。
func Background() Context {
	return background
}

// TODO返回一个非nil的空上下文。代码应该使用上下文。待办事项时
// 不清楚使用哪个上下文，或者还没有可用的上下文(因为
// 还没有扩展到接受上下文参数)。
func TODO() Context {
	return todo
}

`With` 系列函数

`WithCancel`

初始化一个cancelCtx的同时，还执行了propagateCancel方法，最后返回一个cancel function

传递一个父Context作为参数，返回子Context，以及一个取消函数用来取消Context

WithCancel返回带有新Done通道的父节点的副本。当调用返回的cancel函数或当关闭父上下文的Done通道时，将关闭返回上下文的Done通道，无论先发生什么情况。

取消此上下文将释放与其关联的资源，因此代码应该在此上下文中运行的操作完成后立即调用cancel。

// WithCancel returns a copy of parent with a new Done channel. The returned
// context's Done channel is closed when the returned cancel function is called
// or when the parent context's Done channel is closed, whichever happens first.
//
// Canceling this context releases resources associated with it, so code should
// call cancel as soon as the operations running in this Context complete.
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
	c := newCancelCtx(parent)
	propagateCancel(parent, &c)
	return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

`WithDeadline`

和WithCancel差不多，它会多传递一个截止时间参数，意味着到了这个时间点，会自动取消Context，当然我们也可以不等到这个时候，可以提前通过取消函数进行取消

取消此上下文将释放与其关联的资源，因此代码应该在此上下文中运行的操作完成后立即调用cancel。

// WithDeadline returns a copy of the parent context with the deadline adjusted
// to be no later than d. If the parent's deadline is already earlier than d,
// WithDeadline(parent, d) is semantically equivalent to parent. The returned
// context's Done channel is closed when the deadline expires, when the returned
// cancel function is called, or when the parent context's Done channel is
// closed, whichever happens first.
//
// Canceling this context releases resources associated with it, so code should
// call cancel as soon as the operations running in this Context complete.
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(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) }
}

`WithTimeout`

WithTimeout和WithDeadline基本上一样，这个表示是超时自动取消，是多少时间后自动取消Context的意思。

// WithTimeout returns WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout)).
//
// Canceling this context releases resources associated with it, so code should
// call cancel as soon as the operations running in this Context complete:
//
// 	func slowOperationWithTimeout(ctx context.Context) (Result, error) {
// 		ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, 100*time.Millisecond)
// 		defer cancel()  // releases resources if slowOperation completes before timeout elapses
// 		return slowOperation(ctx)
// 	}
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) {
	return WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout))
}

`WithValue`

WithValue函数能够将请求作用域的数据与 Context 对象建立关系

WithValue返回父节点的副本，其中与key关联的值为val。

仅对API和进程间传递请求域的数据使用上下文值，而不是使用它来传递可选参数给函数。

所提供的键必须是可比较的，并且不应该是string类型或任何其他内置类型，以避免使用上下文在包之间发生冲突。WithValue的用户应该为键定义自己的类型。为了避免在分配给interface{}时进行分配，上下文键通常具有具体类型struct{}。或者，导出的上下文关键变量的静态类型应该是指针或接口。

WithValue函数和取消Context无关，它是为了生成一个绑定了一个键值对数据的Context，这个绑定的数据可以通过Context.Value方法访问到，这是我们实际用经常要用到的技巧，一般我们想要通过上下文来传递数据时，可以通过这个方法，如我们需要tarce追踪系统调用栈的时候。

// WithValue returns a copy of parent in which the value associated with key is
// val.
//
// Use context Values only for request-scoped data that transits processes and
// APIs, not for passing optional parameters to functions.
//
// The provided key must be comparable and should not be of type
// string or any other built-in type to avoid collisions between
// packages using context. Users of WithValue should define their own
// types for keys. To avoid allocating when assigning to an
// interface{}, context keys often have concrete type
// struct{}. Alternatively, exported context key variables' static
// type should be a pointer or interface.
func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
	if key == nil {
		panic("nil key")
	}
	if !reflectlite.TypeOf(key).Comparable() {
		panic("key is not comparable")
	}
	return &valueCtx{parent, key, val}
}

`propagateCancel` 方法

propagateCancel 的含义就是传递cancel，从当前传入的parent开始（包括该parent），向上查找最近的一个可以被cancel的parent，如果找到的parent已经被cancel，则将方才传入的child树给cancel掉，否则，将child节点直接连接为找到的parent的children中（Context字段不变，即向上的父亲指针不变，但是向下的孩子指针变直接了）；如果没有找到最近的可以被cancel的parent，即其上都不可被cancel，则启动一个goroutine等待传入的parent终止，则cancel传入的child树，或者等待传入的child终结。

// propagateCancel arranges for child to be canceled when parent is.
// 当父进程被取消时，propagateCancel会安排子进程被取消
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 {
			// parent has already been canceled
			child.cancel(false, p.err)
		} else {
			if p.children == nil {
				p.children = make(map[canceler]struct{})
			}
			p.children[child] = struct{}{}
		}
		p.mu.Unlock()
	} else {
		go func() {
			select {
			case <-parent.Done():
				child.cancel(false, parent.Err())
			case <-child.Done():
			}
		}()
	}
}

`Context` 使用原则和技巧

推荐以参数的方式显示传递Context，不要放到结构体中；parent Context一般为Background
应该把Context作为第一个参数传递给入口请求和出口请求链路上的每一个函数，放在第一位，变量名建议都统一，如ctx
给一个函数方法传递Context的时候，不要传递nil，如果不知道传递什么，就使用context.TODO()
Context的Value相关方法应该传递请求域的必要数据，不应该用于传递可选参数
Context是线程安全的，可以放心的在多个goroutine中传递
可以把一个 Context 对象传递给任意个数的 gorotuine，对它执行取消操作时，所有 goroutine 都会接收到取消信号。

常用方法示例

WithCancel

func gen(ctx context.Context) <-chan int {
		dst := make(chan int)
		n := 1
		go func() {
			for {
				select {
				case <-ctx.Done():
					return // return结束该goroutine，防止泄露
				case dst <- n:
					n++
				}
			}
		}()
		return dst
	}
func main() {
	ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
	defer cancel() // 当我们取完需要的整数后调用cancel

	for n := range gen(ctx) {
		fmt.Println(n)
		if n == 5 {
			break
		}
	}
}

上面的示例代码中，gen函数在单独的goroutine中生成整数并将它们发送到返回的通道。 gen的调用者在使用生成的整数之后需要取消上下文，以免gen启动的内部goroutine发生泄漏。

WithDeadline

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

	// 尽管ctx会过期，但在任何情况下调用它的cancel函数都是很好的实践。
	// 如果不这样做，可能会使上下文及其父类存活的时间超过必要的时间。
	defer cancel()

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

上面的代码中，定义了一个50毫秒之后过期的deadline，然后我们调用context.WithDeadline(context.Background(), d)得到一个上下文（ctx）和一个取消函数（cancel），然后使用一个select让主程序陷入等待：等待1秒后打印overslept退出或者等待ctx过期后退出。因为ctx50秒后就过期，所以ctx.Done()会先接收到值，上面的代码会打印ctx.Err()取消原因

WithTimeout

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"sync"

	"time"
)

// context.WithTimeout

var wg sync.WaitGroup

func worker(ctx context.Context) {
LOOP:
	for {
		fmt.Println("db connecting ...")
		time.Sleep(time.Millisecond * 10) // 假设正常连接数据库耗时10毫秒
		select {
		case <-ctx.Done(): // 50毫秒后自动调用
			break LOOP
		default:
		}
	}
	fmt.Println("worker done!")
	wg.Done()
}

func main() {
	// 设置一个50毫秒的超时
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Millisecond*50)
	wg.Add(1)
	go worker(ctx)
	time.Sleep(time.Second * 5)
	cancel() // 通知子goroutine结束
	wg.Wait()
	fmt.Println("over")
}

WithValue

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"sync"

	"time"
)

// context.WithValue

type TraceCode string

var wg sync.WaitGroup

func worker(ctx context.Context) {
	key := TraceCode("TRACE_CODE")
	traceCode, ok := ctx.Value(key).(string) // 在子goroutine中获取trace code
	if !ok {
		fmt.Println("invalid trace code")
	}
LOOP:
	for {
		fmt.Printf("worker, trace code:%s\n", traceCode)
		time.Sleep(time.Millisecond * 10) // 假设正常连接数据库耗时10毫秒
		select {
		case <-ctx.Done(): // 50毫秒后自动调用
			break LOOP
		default:
		}
	}
	fmt.Println("worker done!")
	wg.Done()
}

func main() {
	// 设置一个50毫秒的超时
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Millisecond*50)
	// 在系统的入口中设置trace code传递给后续启动的goroutine实现日志数据聚合
	ctx = context.WithValue(ctx, TraceCode("TRACE_CODE"), "12512312234")
	wg.Add(1)
	go worker(ctx)
	time.Sleep(time.Second * 5)
	cancel() // 通知子goroutine结束
	wg.Wait()
	fmt.Println("over")
}

参考链接：

Context 接口

源码提供的四个 Context 实现

Background()和TODO()

With 系列函数

WithCancel

WithDeadline

WithTimeout

WithValue

propagateCancel 方法

Context 使用原则和技巧