Golang的context包详解

context 包说明

说明：本文的用到的例子大部分来自context包。

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概述

context 包定义了Context接口类型，它可以具有生命周期、取消/关闭的channel信号、请求域范围的健值存储功能。
因此可以用它来管理goroutine 的生命周期、或者与一个请求关联，在functions之间传递等。

每个Context应该视为只读的，通过WithCancel、WithDeadline、WithTimeout和WithValue函数可以基于现有的一个Context（称为父Context）派生出一个新的Context（称为子Context）。
其中WithCancel、WithDeadline和WithTimeout函数除了返回一个派生的Context以外，还会返回一个与之关联的CancelFunc类型的函数，用于关闭Context。

通过调用CancelFunc来关闭关联的Context时，基于该Context所派生的Context也都会被关闭，并且会将自己从父Context中移除，停止和它相关的timer。
如果不调用CancelFunc，除非该Context的父Context调用对应的CancelFunc，或者timer时间到，否则该Context和派生的Context就内存泄漏了。

可以使用go vet工具来检查所有control-flow路径上使用的CancelFuncs。

应用程序使用Context时，建议遵循如下规则：
1、不要将Context存储为结构体的字段，应该通过函数来传递一个具体的Context。并且Context应该放在第一个参数，变量名为ctx。比如

func DoSomething(ctx context.Context, arg Arg) error {
    // ... use ctx ...
}

2、即使函数允许，也不要传递nil。如果你不确定Context的使用，你可以传递context.TODO。
3、请求域参数应该通过Context上的K/V方式传递，不要通过函数参数传递具体的请求域参数。

Context可能会在多个goroutines之间传递共享，它是例程安全的。

可以参考https://blog.golang.org/context 中的服务器使用例子。

包导入

在 go1.7 及以上版本 context 包被正式列入官方库中，所以我们只需要import "context"就可以了，而在 go1.6 及以下版本，我们要 import "golang.org/x/net/context" 。

Context 接口

context.Context接口的定义如下：

// Context 的实现应该设计为多例程安全的
type Context interface {
    // 返回代表该Context过期的时间，和表示deadline是否被设置的bool值。
    // 多次调用会返回相同的过期时间值，并不会因为时间流逝而变化
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    // 返回一个channel，关闭该channel就代表关闭该Context。返回nil代表该Context不需要被关闭。
    // 多次调用返回会返回相同的值。
    Done() <-chan struct{}

    // 如果Context未关闭，则返回nil。
    // 否则如果正常关闭,则返回Canceled，过期关闭则返回DeadlineExceeded，
    // 发生错误则返回对应的error。
    // 多次调用返回相同的值。
    Err() error
    // 根据key从Context中获取一个value，如果没有关联的值则返回nil。
    // 其中key是可以比较的任何类型。
    // 多次调用返回相同的值。
    Value(key interface{}) interface{}
}

空的Context的实现

context包内部定义了许多Context接口的实现，其中最简单的就是emptyCtx了。

// emptyCtx 不需要关闭，没有任何键值对，也没有过期时间。
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"
}

context包中有两个emptyCtx的两个实例，

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

分别通过context.Background()和context.TODO()获取。

Background()：通常用作初始的Context、测试、最基层的根Context。
TODO()：通常用作不清楚作用的Context，或者还未实现功能的场景。

WithValue

该函数的功能是，基于现有的一个Context，派生出一个新的Context，新的Context带有函数指定的key和value。内部的实现类型是valueCtx类型。

// key 必须是可比较的类型
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)
}

从上面的源码可以看出，Context中的K/V存储并不是利用map实现的，而是先查询自身的一对键值，如果不匹配key，再向上层的Context查询。

官方对key的使用建议：
为了避免不同包的context使用冲突，不建议直接使用string和其他内建的类型作为key。而是自定义一个私有的key的类型，即小写开头的key类型。
并且最好定义一个类型安全的访问器（返回具体类型的函数，或其他方式）。
比如：

package user

import "context"

// 定义 User 类型，准备存储到Context中
type User struct {...}

// 定义了一个未导出的私有key类型，避免和其他包的key冲突。
type key int

// 该key实例是为了获取user.User而定义的，并且也是私有的。
// 用户使用user.NewContext和user.FromContext，而避免直接使用该变量
var userKey key = 0

// 返回一个新的Context，包含了u *User值
func NewContext(ctx context.Context, u *User) context.Context {
    return context.WithValue(ctx, userKey, u)
}

// FromContext returns the User value stored in ctx, if any.
// 从Context中获取*User值
func FromContext(ctx context.Context) (*User, bool) {
    u, ok := ctx.Value(userKey).(*User)
    return u, ok
}

为了避免分配内存，key通常也可以基于struct{}类型定义不同的类型

 type userKeyType struct{}
 context.WithValue(ctx, userKeyType{}, u)

注意，每一个struct{}类型的变量实际上它们的地址都是一样的，所以不会分配新的内存，但是重新定义后的不同struct{}类型，分别赋值给interface{}后，interface{}变量将不相等，比如：

type A struct{}
type B struct{}
a, b := A{}, B{}
var ia, ib, ia2 interface{}
ia, ib, ia2 = a, b, A{}
fmt.Printf("%p, %p, %v, %v", &a, &b, ia == ib, ia == ia2)
// 0x11b3dc0, 0x11b3dc0, false, true

使用WithValue的例子：

type favContextKey string

f := func(ctx context.Context, k favContextKey) {
    if v := ctx.Value(k); v != nil {
        fmt.Println("found value:", v)
        return
    }
    fmt.Println("key not found:", k)
}

k := favContextKey("language")
ctx := context.WithValue(context.Background(), k, "Go")

f(ctx, k)
f(ctx, favContextKey("color"))

// Output:
// found value: Go
// key not found: color

可关闭的Context

context包为可关闭的Context定义了一个接口：

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

该接口有两个具体的实现，cancelCtx 和 timerCtx。

WithCancel

*cancelCtx由WithCancel返回，所以我们先看看WithCancel函数的定义：

// 从parent上派生出一个新的Context，并返回该和一个CancelFunc类型的函数
// 调用该cancel函数会关闭该Context，该Context对应的从Done()返回的只读channel也会被关闭。
// parent 对应的cancel函数如果被调用，parent派生的Context和对应的channel也都会被关闭。
// 当某项任务的操作完成时，应尽快关闭Context，以便回收Context关联的资源。
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
    // 创建一个cancelCtx类型的实例
    c := newCancelCtx(parent)
    // 关联该实例和父Context之间的关闭/取消关系，即关闭parent也关闭基于它派生的Context。
    propagateCancel(parent, &c)
    // 返回该实例和对应的关闭函数
    return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
    return cancelCtx{Context: parent}
}

其中CancelFunc的定义也非常简单：

// 调用该函数意味着要关闭Context, 结束相关的任务。
// 第一次调用后，之后再次调用将什么都不做。
type CancelFunc func()

具体的propagateCancel实现和cancelCtx实现如下：

// 关联child和parent之间的关闭/取消关系，即关闭parent也关闭child。
func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    if parent.Done() == nil {
        return // parent 不需要关闭，则不需要关联关系
    }
    // 找到最近的cancelCtx类型的祖先Context实例
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        p.mu.Lock()
        if p.err != nil {
            // p 已经关闭，所以也关闭child
            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():
            }
        }()
    }
}

// 找到最近的cancelCtx类型或继承cancelCtx类型的祖先Context实例
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
        }
    }
}

// 从最近的cancelCtx类型的祖先Context中移除child
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()
}

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

// 代表已经关闭的channel
var closedchan = make(chan struct{})

func init() {
    close(closedchan)
}

// 实现可关闭的Context，关闭时，也将关闭它的子Context
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()
    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) 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)
    }
}

WithDeadline

理解了WithCancel，再理解WithDeadline并不难。
WithDeadline返回的是*timerCtx类型的Context，timerCtx继承 cancelCtx

// WithDeadline 根据parent和deadline返回一个派生的Context。
// 如果parent存在过期时间，且已过期，则返回一个语义上等同于parent的派生Context。
// 当到达过期时间、或者调用CancelFunc函数关闭、或者关闭parent会使该函数返回的派生Context关闭。
func WithDeadline(parent Context, deadline time.Time) (Context, CancelFunc) {
    if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(deadline) {
        // parent 已经过期，返回一个语义上等同于parent的派生Context
        return WithCancel(parent)
    }
    c := &timerCtx{
        cancelCtx: newCancelCtx(parent),
        deadline:  deadline,
    }
    propagateCancel(parent, c)
    d := time.Until(deadline)
    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 {
        c.timer = time.AfterFunc(d, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

// timerCtx继承 cancelCtx，并且定义了过期时间。
// 当关闭 timerCtx时会关闭timer和cancelCtx
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 fmt.Sprintf("%v.WithDeadline(%s [%s])", c.cancelCtx.Context, c.deadline, time.Until(c.deadline))
}

func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    c.cancelCtx.cancel(false, err)
    if removeFromParent {
        // 从父Context的children字段中移除自己
        removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
    }
    c.mu.Lock()
    if c.timer != nil {
        c.timer.Stop()
        c.timer = nil
    }
    c.mu.Unlock()
}

WithTimeout

与WithDeadline稍由不同，WithTimeout传递的是一个超时时间间隔，而WithDeadline传递的是一个具体的过期时间。一般情况下WithTimeout比WithDeadline更常用：

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

例子：

func slowOperationWithTimeout(ctx context.Context) (Result, error) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, 100*time.Millisecond)
    defer cancel()  // 如果slowOperation在超时之前完成，则需要调用cancel关闭Context，以便回收Context相关联的资源
    return slowOperation(ctx)
}

使用例子

最后，我们再举几个例子来加深印象。

WithCancel的例子

如何使用Context让goroutine退出，避免goroutine内存泄漏。

// 在独立的goroutine中生成整数，通过channel传递出去。
// 一旦context关闭，该goroutine也将安全退出。
gen := func(ctx context.Context) <-chan int {
    dst := make(chan int)
    n := 1
    go func() {
        for {
            select {
            case <-ctx.Done():
                return // returning not to leak the goroutine
            case dst <- n:
                n++
            }
        }
    }()
    return dst
}

ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
defer cancel() // 当完成整数生产时，关闭Context

for n := range gen(ctx) {
    fmt.Println(n)
    if n == 5 {
        break
    }
}
// Output:
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5

WithDeadline的例子

当某项任务需要在规定的时间内完成，如果未完成则需要立即取消任务，并且返回错误的情况，可以使用WithDeadline。

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

    // 即使ctx会因为过期而关闭，我们也应该在最后调用cancel，因为任务可能会在规定时间内完成，这种情况需要主动调用cancel来尽快释放Context资源
    defer cancel()

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

    // Output:
    // context deadline exceeded

WithTimeout例子

同WithDeadline，只是传递的是一个time.Duration

ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 50*time.Millisecond)
    defer cancel()

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

    // Output:
    // context deadline exceeded

WithValue的例子

WithValue在前面的介绍中已经举过一个例子，我们再举一个http.Request相关的Context的例子。
在 Golang1.7 中，"net/http"原生支持将Context嵌入到 *http.Request中，并且提供了http.Request.Conext() 和 http.Request.WithContext(context.Context)这两个函数。
http.Request.Conext()函数返回或新建一个 context。
http.Request.WithContext(context.Context)函数返回一个新的Request，并且将传入的context与新的Reuest实例关联。

type userKey string

const userIDKey userKey = "uid"

func requestFilter(next http.Handler) http.Handler {
    return http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
        cook, err := req.Cookie("USERID")
        uid := ""
        if err == nil {
            uid = cook.Value
        }
        ctx := context.WithValue(req.Context(), userIDKey, uid)
        next.ServeHTTP(w, req.WithContext(ctx))
    })
}
func userIdFromContext(ctx context.Context) string {
    return ctx.Value(userIDKey).(string)
}
func process(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    uid := userIdFromContext(req.Context())
    fmt.Fprintln(w, "user ID is ", uid)
    return
}
func main() {
    http.Handle("/", requestFilter(http.HandlerFunc(process)))
    http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

结束

本文详解了context包源码的实现，并结合了一些例子来说明用法。相信读者对context包已经有一定的理解了，还可以再看看源码包中完整的代码，来加深印象哦。