Go语言上下文context底层原理

2022-11-13 09:11:44 原理上下文底层

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；

3.3 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。

3.4 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()
}

3.5 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：

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。
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。
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。
同一个 context 可能会被传递到多个 goroutine，别担心，context 是并发安全的。

到此这篇关于Go语言上下文context底层原理的文章就介绍到这了,更多相关Go context 内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

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