Go上下文context底层原理

树獭叔叔
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1. context 介绍

很多时候，我们会遇到这样的情况，上层与下层的goroutine需要同时取消，这样就涉及到了goroutine间的通信。在Go中，推荐我们以通信的方式共享内存，而不是以共享内存的方式通信。所以，就需要用到channl，但是，在上述场景中，如果需要自己去处理channl的业务逻辑，就会有很多费时费力的重复工作，因此，context出现了。

context是Go中用来进程通信的一种方式，其底层是借助channl与snyc.Mutex实现的。

2. 基本介绍

context的底层设计，我们可以概括为1个接口，4种实现与6个方法。

  • 1 个接口

    • Context 规定了context的四个基本方法

  • 4 种实现

    • emptyCtx 实现了一个空的context，可以用作根节点
    • cancelCtx 实现一个带cancel功能的context，可以主动取消
    • timerCtx 实现一个通过定时器timer和截止时间deadline定时取消的context
    • valueCtx 实现一个可以通过 key、val 两个字段来存数据的context

  • 6 个方法

    • Background 返回一个emptyCtx作为根节点
    • TODO 返回一个emptyCtx作为未知节点
    • WithCancel 返回一个cancelCtx
    • WithDeadline 返回一个timerCtx
    • WithTimeout 返回一个timerCtx
    • WithValue 返回一个valueCtx

3. 源码分析

3.1 Context 接口

type Context interface {
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    Done() <-chan struct{}
    Err() error
    Value(key interface{}) interface{}
}
  • Deadline() ：返回一个time.Time，表示当前Context应该结束的时间，ok则表示有结束时间
  • Done()：返回一个只读chan，如果可以从该 chan 中读取到数据，则说明 ctx 被取消了
  • Err()：返回 Context 被取消的原因
  • Value(key)：返回key对应的value，是协程安全的

3.2 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
}

emptyCtx实现了空的Context接口，其主要作用是为Background和TODO这两个方法都会返回预先初始化好的私有变量 background 和 todo，它们会在同一个 Go 程序中被复用:

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

func Background() Context {
    return background
}
func TODO() Context {
	return todo
}

Background和TODO在实现上没有区别，只是在使用语义上有所差异：

  • Background是上下文的根节点；
  • TODO应该仅在不确定应该使用哪种上下文时使用；

2.3 cancelCtx

cancelCtx实现了canceler接口与Context接口：

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

其结构体如下：

type cancelCtx struct {
    // 直接嵌入了一个 Context，那么可以把 cancelCtx 看做是一个 Context
	Context

	mu       sync.Mutex            // protects following fields
	done     atomic.Value          // of 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
}

我们可以使用WithCancel的方法来创建一个cancelCtx:

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
	if parent == nil {
		panic("cannot create context from nil parent")
	}
	c := newCancelCtx(parent)
	propagateCancel(parent, &c)
	return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}
func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
	return cancelCtx{Context: parent}
}

上面的方法，我们传入一个父 Context（这通常是一个 background，作为根节点），返回新建的 context，并通过闭包的形式，返回了一个 cancel 方法。

newCancelCtx将传入的上下文包装成私有结构体context.cancelCtx。

propagateCancel则会构建父子上下文之间的关联，形成树结构，当父上下文被取消时，子上下文也会被取消：

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    // 1.如果 parent ctx 是不可取消的 ctx，则直接返回 不进行关联
	done := parent.Done()
	if done == nil {
		return // parent is never canceled
	}
    // 2.接着判断一下 父ctx 是否已经被取消
	select {
	case <-done:
        // 2.1 如果 父ctx 已经被取消了，那就没必要关联了
        // 然后这里也要顺便把子ctx给取消了，因为父ctx取消了 子ctx就应该被取消
        // 这里是因为还没有关联上，所以需要手动触发取消
		// parent is already canceled
		child.cancel(false, parent.Err())
		return
	default:
	}
    // 3. 从父 ctx 中提取出 cancelCtx 并将子ctx加入到父ctx 的 children 里面
	if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
		p.mu.Lock()
        // double check 一下，确认父 ctx 是否被取消
		if p.err != nil {
            // 取消了就直接把当前这个子ctx给取消了
			// parent has already been canceled
			child.cancel(false, p.err)
		} else {
            // 否则就添加到 children 里面
			if p.children == nil {
				p.children = make(map[canceler]struct{})
			}
			p.children[child] = struct{}{}
		}
		p.mu.Unlock()
	} else {
        // 如果没有找到可取消的父 context。新启动一个协程监控父节点或子节点取消信号
		atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
		go func() {
			select {
			case <-parent.Done():
				child.cancel(false, parent.Err())
			case <-child.Done():
			}
		}()
	}
}

上面的方法可能遇到以下几种情况：

  • 当 parent.Done() == nil，也就是 parent 不会触发取消事件时，当前函数会直接返回；

  • 当 child 的继承链包含可以取消的上下文时，会判断 parent 是否已经触发了取消信号；

    • 如果已经被取消，child 会立刻被取消；
    • 如果没有被取消，child 会被加入 parent 的 children 列表中，等待 parent 释放取消信号；

  • 当父上下文是开发者自定义的类型、实现了 context.Context 接口并在 Done() 方法中返回了非空的管道时；

    • 运行一个新的 Goroutine 同时监听 parent.Done() 和 child.Done() 两个 Channel；
    • 在 parent.Done() 关闭时调用 child.cancel 取消子上下文；

propagateCancel 的作用是在 parent 和 child 之间同步取消和结束的信号，保证在 parent 被取消时，child 也会收到对应的信号，不会出现状态不一致的情况。

func parentCancelCtx(parent Context) (*cancelCtx, bool) {
	done := parent.Done()
    // 如果 done 为 nil 说明这个ctx是不可取消的
    // 如果 done == closedchan 说明这个ctx不是标准的 cancelCtx，可能是自定义的
	if  done == closedchan || done == nil {
		return nil, false
	}
    // 然后调用 value 方法从ctx中提取出 cancelCtx
	p, ok := parent.Value(&cancelCtxKey).(*cancelCtx)
	if !ok {
		return nil, false
	}
    // 最后再判断一下cancelCtx 里存的 done 和 父ctx里的done是否一致
    // 如果不一致说明parent不是一个 cancelCtx
	pdone, _ := p.done.Load().(chan struct{})
	if pdone != done {
		return nil, false
	}
	return p, true
}

ancelCtx 的 done 方法会返回一个 chan struct{}：

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

parentCancelCtx 其实就是判断 parent context 里面有没有一个 cancelCtx，有就返回，让子context可以“挂靠”到parent context 上，如果不是就返回false，不进行挂靠，自己新开一个 goroutine 来监听。

2.4 timerCtx

timerCtx 内部不仅通过嵌入 cancelCtx 的方式承了相关的变量和方法，还通过持有的定时器 timer 和截止时间 deadline 实现了定时取消的功能：

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) {
	c.cancelCtx.cancel(false, err)
	if removeFromParent {
		removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
	}
	c.mu.Lock()
	if c.timer != nil {
		c.timer.Stop()
		c.timer = nil
	}
	c.mu.Unlock()
}

2.5 valueCtx

valueCtx 是多了 key、val 两个字段来存数据：

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

取值查找的过程，实际上是一个递归查找的过程：

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

如果 key 和当前 ctx 中存的 value 一致就直接返回，没有就去 parent 中找。最终找到根节点（一般是 emptyCtx），直接返回一个 nil。所以用 Value 方法的时候要判断结果是否为 nil，类似于一个链表，效率是很低的，不建议用来传参数。

4. 使用建议

在官方博客里，对于使用 context 提出了几点建议：

  1. 不要将 Context 塞到结构体里。直接将 Context 类型作为函数的第一参数，而且一般都命名为 ctx。
  2. 不要向函数传入一个 nil 的 context，如果你实在不知道传什么，标准库给你准备好了一个 context：todo。
  3. 不要把本应该作为函数参数的类型塞到 context 中，context 存储的应该是一些共同的数据。例如：登陆的 session、cookie 等。
  4. 同一个 context 可能会被传递到多个 goroutine，别担心，context 是并发安全的。
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