context是Go并发编程中常用到一种编程模式。本文将从为什么需要context，深入了解context的实现原理，以了解如何使用context。
1. 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。
2. 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。
3. context是什么
3.1. 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。
3.2. 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。
3.3. valueCtx
3.3.1. 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。
3.3.2. 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：
3.4. cancelCtx
3.4.1. 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。
3.4.2. 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。
- 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；
- 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。
- 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。
3.4.3. 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。
3.4.4. 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) } } |
- 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；
- 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。
3.4.5. 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)) } |
4. 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包源码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。
- 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) } } |
- 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) ... } } |
- 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。
5. 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。
6. 参考资料
- Package context
- Go Concurrency Patterns: Context
- Understanding the context package in golang
- 本文转载自深入理解Golang之context
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