go context详解

Context通常被称为上下文，在go中，理解为goroutine的运行状态、现场，存在上下层goroutine context的传递，上层goroutine会把context传递给下层goroutine。

每个goroutine在运行前，都要事先知道程序当前的执行状态，通常将这些状态封装在一个 context变量，传递给要执行的goroutine中。

在网络编程中，当接收到一个网络请求的request，处理request时，可能会在多个goroutine中处理。而这些goroutine可能需要共享Request的一些信息；当request被取消或者超时时，所有从这个request创建的goroutine也要被结束。

go context包不仅实现了在程序单元之间共享状态变量的方法，同时能通过简单的方法，在被调用程序单元外部，通过设置ctx变量的值，将过期或撤销等信号传递给被调用的程序单元。在网络编程中，如果存在A调用B的API，B调用C的 API，如果A调用B取消，那么B调用C也应该被取消，通过在A、B、C调用之间传递context，以及判断其状态，就能解决此问题。

通过context包，可以非常方便地在请求goroutine之间传递请求数据、取消信号和超时信息。

context包的核心时Context接口

// A Context carries a deadline, a cancellation signal, and other values across
// API boundaries.
//
// Context's methods may be called by multiple goroutines simultaneously.
type Context interface {
	// Deadline returns the time when work done on behalf of this context
	// should be canceled. Deadline returns ok==false when no deadline is
	// set. Successive calls to Deadline return the same results.
        // 返回一个超时时间，到期则取消context。在代码中，可以通过 deadline 为io操作设置超时时间
	Deadline() (deadline time.Time, ok bool)

	// Done returns a channel that's closed when work done on behalf of this
	// context should be canceled. Done may return nil if this context can
	// never be canceled. Successive calls to Done return the same value.
	// The close of the Done channel may happen asynchronously,
	// after the cancel function returns.
	//
	// WithCancel arranges for Done to be closed when cancel is called;
	// WithDeadline arranges for Done to be closed when the deadline
	// expires; WithTimeout arranges for Done to be closed when the timeout
	// elapses.
	//
	// Done is provided for use in select statements:
	//
	//  // Stream generates values with DoSomething and sends them to out
	//  // until DoSomething returns an error or ctx.Done is closed.
	//  func Stream(ctx context.Context, out chan<- Value) error {
	//  	for {
	//  		v, err := DoSomething(ctx)
	//  		if err != nil {
	//  			return err
	//  		}
	//  		select {
	//  		case <-ctx.Done():
	//  			return ctx.Err()
	//  		case out <- v:
	//  		}
	//  	}
	//  }
	//
	// See https://blog.golang.org/pipelines for more examples of how to use
	// a Done channel for cancellation.
　　　　 // 返回一个channel, 用于接收context的取消或者deadline信号。当channel关闭，监听done信号的函数会立即放弃当前正在执行的操作并返回。如果 context实例是不可取消的，那么
        // 返回 nil, 比如空 context, valueCtx
	Done() <-chan struct{}

	// If Done is not yet closed, Err returns nil.
	// If Done is closed, Err returns a non-nil error explaining why:
	// Canceled if the context was canceled
	// or DeadlineExceeded if the context's deadline passed.
	// After Err returns a non-nil error, successive calls to Err return the same error.
　　　　 // 返回一个error变量，从其中可以知道为什么context会被取消。
	Err() error

	// Value returns the value associated with this context for key, or nil
	// if no value is associated with key. Successive calls to Value with
	// the same key returns the same result.
	//
	// Use context values only for request-scoped data that transits
	// processes and API boundaries, not for passing optional parameters to
	// functions.
	//
	// A key identifies a specific value in a Context. Functions that wish
	// to store values in Context typically allocate a key in a global
	// variable then use that key as the argument to context.WithValue and
	// Context.Value. A key can be any type that supports equality;
	// packages should define keys as an unexported type to avoid
	// collisions.
	//
	// Packages that define a Context key should provide type-safe accessors
	// for the values stored using that key:
	//
	// 	// Package user defines a User type that's stored in Contexts.
	// 	package user
	//
	// 	import "context"
	//
	// 	// User is the type of value stored in the Contexts.
	// 	type User struct {...}
	//
	// 	// key is an unexported type for keys defined in this package.
	// 	// This prevents collisions with keys defined in other packages.
	// 	type key int
	//
	// 	// userKey is the key for user.User values in Contexts. It is
	// 	// unexported; clients use user.NewContext and user.FromContext
	// 	// instead of using this key directly.
	// 	var userKey key
	//
	// 	// NewContext returns a new Context that carries value u.
	// 	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.
	// 	func FromContext(ctx context.Context) (*User, bool) {
	// 		u, ok := ctx.Value(userKey).(*User)
	// 		return u, ok
	// 	}
　　　　 // 让context在goroutine之间共享数据，当然，这些数据需要时协程并发安全的。比如，共享了一个map，那么这个map的读写要加锁。
	Value(key interface{}) interface{}
}

　　

context的使用:

对于goroutine，他们的创建和调用关系总是像层层调用进行的，就像一个树状结构，而更靠顶部的context应该有办法主动关闭下属的goroutine的执行。为了实现这种关系，context也是一个树状结构，叶子节点总是由根节点衍生出来的。

要创建context树，第一步应该得到根节点，context.Backupgroup函数的返回值就是根节点。

// 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.
func Background() Context {
	return background
}

该函数返回空的context，该context一般由接收请求的第一个goroutine创建，是与进入请求对应的context根节点，他不能被取消，也没有值，也没有过期时间。他常常作为处理request的顶层的context存在。

有了根节点，就可以创建子孙节点了，context包提供了一系列方法来创建他们：

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {}
func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {}
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) {}
func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {}

　　

函数都接收一个Context类型的parent，并返回一个context类型的值，这样就层层创建除不同的context，子节点是从复制父节点得到，并且根据接收参数设定子节点的一些状态值，接着就可以将子节点传递给下层的goroutine了。

怎么通过context传递改变后的状态呢?

在父goroutine中可以通过Withxx方法获取一个cancel方法，从而获得了操作子context的权力。

WithCancel函数，是将父节点复制到子节点，并且返回一个额外的CancelFunc函数类型变量，该函数类型的定义为：type CancelFunc func()

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
}

// 懒汉式创建，只有在调用Done()方法时，才会创建；该函数返回的是一个只读的 chan，没有地方向这个chan中写数据, 直接读取协程会被block住；所以一般搭配select来使用；一旦关闭，会立即读取出零值。
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) cancel(removeFromParent bool, err error) {
   if err == nil {
      panic("context: internal error: missing cancel error")
   }
   c.mu.Lock()
   // 已经被其他协程取消
   if c.err != nil {
      c.mu.Unlock()
      return // already canceled
   }
   c.err = err
   // 关闭channel，通知其他协程
   if c.done == nil {
      c.done = closedchan
   } else {
      close(c.done)
   }
   // 遍历他的所有子节点 children, 
   for child := range c.children {
      // NOTE: acquiring the child's lock while holding parent's lock.
      // 递归的取消所有子 ctx
      child.cancel(false, err)
   }
   c.children = nil
   c.mu.Unlock()

   if removeFromParent {
      // 从父ctx中移除自己
      removeChild(c.Context, c)
   }
}

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
	c := newCancelCtx(parent)
        // 传播取消行为,根据 parent的情况，进行cancel还是将c添加的parent的children中
	propagateCancel(parent, &c)
	return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

// 父context是否是可取消的context
func parentCancelCtx(parent Context) (*cancelCtx, bool) {
   done := parent.Done()
   if done == closedchan || done == nil {
      return nil, false
   }
   // 如果是 cancelCtx 或者 timerCtx, 则返回 parent，true; 否则返回 nil, false
   p, ok := parent.Value(&cancelCtxKey).(*cancelCtx)
   if !ok {
      return nil, false
   }
   p.mu.Lock()
   ok = p.done == done
   p.mu.Unlock()
   // 
   if !ok {
      return nil, false
   }
   return p, true
}}

// propagateCancel arranges for child to be canceled when parent is.
// 把child ctx cancel()关联到 parent节点上
func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
   done := parent.Done()
   // 如果父类 context 不可取消，直接return
   if done == nil {
      return // parent is never canceled
   }
   select {
   case <-done:
      // parent is already canceled
      // 父类context已经canceled, child直接cancel()
      child.cancel(false, parent.Err())
      return
   default:
   }

   // parent是否是可取消的cancelContext, 如果是，则挂靠上去
   if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
      // 如果有
      p.mu.Lock()
      // err != nil,说明挂靠的parent已经被关闭，child直接cancel()
      if p.err != nil {
         // parent has already been canceled
         child.cancel(false, p.err)
      } else {
         // err == nil ,挂靠的parent没有被关闭 ；将child放入挂靠的parent的children数组中
         if p.children == nil {
            p.children = make(map[canceler]struct{})
         }
         p.children[child] = struct{}{}
      }
      p.mu.Unlock()
   } else {
      // 走到这里，说明树上没有cancelCtx
      atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
      // 新起一个goruntine
      go func() {
         select {
         case <-parent.Done():
            // 如果收到取消信号，child cancel
            child.cancel(false, parent.Err())
         case <-child.Done():
         }
      }()
   }
}

　　

调用 CancelFunc 将撤销对应的子context对象。在父goroutine中，通过 WithCancel 可以创建子节点的 Context, 还获得了子goroutine的控制权，一旦执行了 CancelFunc函数，子节点Context就结束了，子节点需要如下代码来判断是否已经结束，并退出goroutine：

select {
case <- ctx.Done():
	fmt.Println("do some clean work ...... ")
}

WithDeadline函数作用和WithCancel差不多，也是将父节点复制到子节点，但是其过期时间是由deadline和parent的过期时间共同决定。当parent的过期时间早于deadline时，返回的过期时间与parent的过期时间相同。父节点过期时，所有的子孙节点必须同时关闭。

WithTimeout函数和WithDeadline类似，只不过，他传入的是从现在开始Context剩余的生命时长。他们都同样也都返回了所创建的子Context的控制权，一个CancelFunc类型的函数变量。

当顶层的Request请求函数结束时，我们可以cancel掉某个context，而子孙的goroutine根据select ctx.Done()来判断结束。

// 使用WithDeadline 和 WithTimeout 都会生成一个 timerCtx, WithTimeout就是用 WithDeadline实现的。

type timerCtx struct {
	cancelCtx
	timer *time.Timer // Under cancelCtx.mu.
	deadline time.Time
}

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
   // 如果父节点的deadline更靠前，那么该 d就可以丢弃，使用父节点的 deadline
   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,
   }
   // 把当前 c节点ctx cancel函数关联到 parent节点上
   propagateCancel(parent, c)
   // 获取到 d的时间
   dur := time.Until(d)
   if dur <= 0 {
      // 已经超时了，退出
      c.cancel(true, DeadlineExceeded) // deadline has already passed
      return c, func() { c.cancel(false, Canceled) }
   }
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   // parent节点到现在还没有取消
   if c.err == nil {
      // 到时间，自动退出
      c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
         c.cancel(true, DeadlineExceeded)
      })
   }
   return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

　　

WithValue函数，返回parent的一个副本，调用该副本的Value(key) 方法将得到value。这样，我们不仅将根节点原有的值保留了， 还在子孙节点中加入了新的值；注意如果存在key相同，则会覆盖。

func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
        // key必须为非空，且可比较
	if key == nil {
		panic("nil key")
	}
	if !reflectlite.TypeOf(key).Comparable() {
		panic("key is not comparable")
	}
	return &valueCtx{parent, key, val}
}

func (c *valueCtx) Value(key interface{}) interface{} {
   if c.key == key {
      return c.val
   }
   // 这里使用递归，c.Context就是 c.Parent
   return c.Context.Value(key)
}

　　

小结：

1. context包通过构建树形关系的context，来达到上一层goroutine对下一层goroutine的控制。对于处理一个request请求操作，需要通过goroutine来层层控制goroutine，以及传递一些变量来共享。

2. context变量的请求周期一般为一个请求的处理周期。即针对一个请求创建context对象；在请求处理结束后，撤销此ctx变量，释放资源。

3. 每创建一个goroutine，要不将原有context传递给子goroutine，要么创建一个子context传递给goroutine.

4. Context能灵活地存储不同类型、不同数目的值，并且使多个Goroutine安全地读写其中的值。

5. 当通过父 Context对象创建子Context时，可以同时获得子Context的撤销函数，这样父goroutine就获得了子goroutine的撤销权。

原则：

1. 不要把context放到一个结构体中，应该作为第一个参数显式地传入函数

2. 即使方法允许，也不要传入一个nil的context，如果不确定需要什么context的时候，传入一个context.TODO

3. 使用context的Value相关方法应该传递和请求相关的元数据，不要用它来传递一些可选参数

4. 同样的context可以传递到多个goroutine中，Context在多个goroutine中是安全的

5. 在子context传入goroutine中后，应该在子goroutine中对该子context的Done channel进行监控，一旦该channel被关闭，应立即终止对当前请求的处理，并释放资源。