【Go语言】小白也能看懂的context包详解：从入门到精通

前言

哈喽，大家好，我是asong。今天想与大家分享context包，经过一年的沉淀，重新出发，基于Go1.17.1从源码角度再次分析，不过这次不同的是，我打算先从入门开始，因为大多数初学的读者都想先知道怎么用，然后才会关心源码是如何实现的。

相信大家在日常工作开发中一定会看到这样的代码：

func a1(ctx context ...){
  b1(ctx)
}
func b1(ctx context ...){
  c1(ctx)
}
func c1(ctx context ...)

context被当作第一个参数（官方建议），并且不断透传下去，基本一个项目代码中到处都是context，但是你们真的知道它有何作用吗以及它是如何起作用的吗？我记得我第一次接触context时，同事都说这个用来做并发控制的，可以设置超时时间，超时就会取消往下执行，快速返回，我就单纯的认为只要函数中带着context参数往下传递就可以做到超时取消，快速返回。相信大多数初学者也都是和我一个想法，其实这是一个错误的思想，其取消机制采用的也是通知机制，单纯的透传并不会起作用，比如你这样写代码：

func main()  {
    ctx,cancel := context.WithTimeout(context.Background(),10 * time.Second)
    defer cancel()
    go Monitor(ctx)

    time.Sleep(20 * time.Second)
}

func Monitor(ctx context.Context)  {
    for {
        fmt.Print("monitor")
    }
}

即使context透传下去了，不使用也是不起任何作用的。所以了解context的使用还是很有必要的，本文就先从使用开始，逐步解析Go语言的context包，下面我们就开始喽！！！

`context`包的起源与作用

看官方博客我们可以知道context包是在go1.7版本中引入到标准库中的：

context可以用来在goroutine之间传递上下文信息，相同的context可以传递给运行在不同goroutine中的函数，上下文对于多个goroutine同时使用是安全的，context包定义了上下文类型，可以使用background、TODO创建一个上下文，在函数调用链之间传播context，也可以使用WithDeadline、WithTimeout、WithCancel 或 WithValue 创建的修改副本替换它，听起来有点绕，其实总结起就是一句话：context的作用就是在不同的goroutine之间同步请求特定的数据、取消信号以及处理请求的截止日期。

目前我们常用的一些库都是支持context的，例如gin、database/sql等库都是支持context的，这样更方便我们做并发控制了，只要在服务器入口创建一个context上下文，不断透传下去即可。

`context`的使用

创建`context`

context包主要提供了两种方式创建context:

context.Backgroud()
context.TODO()

这两个函数其实只是互为别名，没有差别，官方给的定义是：

context.Background 是上下文的默认值，所有其他的上下文都应该从它衍生（Derived）出来。
context.TODO 应该只在不确定应该使用哪种上下文时使用；

所以在大多数情况下，我们都使用context.Background作为起始的上下文向下传递。

上面的两种方式是创建根context，不具备任何功能，具体实践还是要依靠context包提供的With系列函数来进行派生：

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

这四个函数都要基于父Context衍生，通过这些函数，就创建了一颗Context树，树的每个节点都可以有任意多个子节点，节点层级可以有任意多个，画个图表示一下：

基于一个父Context可以随意衍生，其实这就是一个Context树，树的每个节点都可以有任意多个子节点，节点层级可以有任意多个，每个子节点都依赖于其父节点，例如上图，我们可以基于Context.Background衍生出四个子context：ctx1.0-cancel、ctx2.0-deadline、ctx3.0-timeout、ctx4.0-withvalue，这四个子context还可以作为父context继续向下衍生，即使其中ctx1.0-cancel 节点取消了，也不影响其他三个父节点分支。

创建context方法和context的衍生方法就这些，下面我们就一个一个来看一下他们如何被使用。

`WithValue`携带数据

我们日常在业务开发中都希望能有一个trace_id能串联所有的日志，这就需要我们打印日志时能够获取到这个trace_id，在python中我们可以用gevent.local来传递，在java中我们可以用ThreadLocal来传递，在Go语言中我们就可以使用Context来传递，通过使用WithValue来创建一个携带trace_id的context，然后不断透传下去，打印日志时输出即可，来看使用例子：

const (
    KEY = "trace_id"
)

func NewRequestID() string {
    return strings.Replace(uuid.New().String(), "-", "", -1)
}

func NewContextWithTraceID() context.Context {
    ctx := context.WithValue(context.Background(), KEY,NewRequestID())
    return ctx
}

func PrintLog(ctx context.Context, message string)  {
    fmt.Printf("%s|info|trace_id=%s|%s",time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05") , GetContextValue(ctx, KEY), message)
}

func GetContextValue(ctx context.Context,k string)  string{
    v, ok := ctx.Value(k).(string)
    if !ok{
        return ""
    }
    return v
}

func ProcessEnter(ctx context.Context) {
    PrintLog(ctx, "Golang梦工厂")
}


func main()  {
    ProcessEnter(NewContextWithTraceID())
}

输出结果：

2021-10-31 15:13:25|info|trace_id=7572e295351e478e91b1ba0fc37886c0|Golang梦工厂
Process finished with the exit code 0

我们基于context.Background创建一个携带trace_id的ctx，然后通过context树一起传递，从中派生的任何context都会获取此值，我们最后打印日志的时候就可以从ctx中取值输出到日志中。目前一些RPC框架都是支持了Context，所以trace_id的向下传递就更方便了。

在使用withVaule时要注意四个事项：

不建议使用context值传递关键参数，关键参数应该显示的声明出来，不应该隐式处理，context中最好是携带签名、trace_id这类值。
因为携带value也是key、value的形式，为了避免context因多个包同时使用context而带来冲突，key建议采用内置类型。
上面的例子我们获取trace_id是直接从当前ctx获取的，实际我们也可以获取父context中的value，在获取键值对是，我们先从当前context中查找，没有找到会在从父context中查找该键对应的值直到在某个父context中返回 nil 或者查找到对应的值。
context传递的数据中key、value都是interface类型，这种类型编译期无法确定类型，所以不是很安全，所以在类型断言时别忘了保证程序的健壮性。

超时控制

通常健壮的程序都是要设置超时时间的，避免因为服务端长时间响应消耗资源，所以一些web框架或rpc框架都会采用withTimeout或者withDeadline来做超时控制，当一次请求到达我们设置的超时时间，就会及时取消，不在往下执行。withTimeout和withDeadline作用是一样的，就是传递的时间参数不同而已，他们都会通过传入的时间来自动取消Context，这里要注意的是他们都会返回一个cancelFunc方法，通过调用这个方法可以达到提前进行取消，不过在使用的过程还是建议在自动取消后也调用cancelFunc去停止定时减少不必要的资源浪费。

withTimeout、WithDeadline不同在于WithTimeout将持续时间作为参数输入而不是时间对象，这两个方法使用哪个都是一样的，看业务场景和个人习惯了，因为本质withTimout内部也是调用的WithDeadline。

现在我们就举个例子来试用一下超时控制，现在我们就模拟一个请求写两个例子：

达到超时时间终止接下来的执行

func main()  {
    HttpHandler()
}

func NewContextWithTimeout() (context.Context,context.CancelFunc) {
    return context.WithTimeout(context.Background(), 3 * time.Second)
}

func HttpHandler()  {
    ctx, cancel := NewContextWithTimeout()
    defer cancel()
    deal(ctx)
}

func deal(ctx context.Context)  {
    for i:=0; i< 10; i++ {
        time.Sleep(1*time.Second)
        select {
        case <- ctx.Done():
            fmt.Println(ctx.Err())
            return
        default:
            fmt.Printf("deal time is %d\n", i)
        }
    }
}

输出结果：

deal time is 0
deal time is 1
context deadline exceeded

没有达到超时时间终止接下来的执行

func main()  {
    HttpHandler1()
}

func NewContextWithTimeout1() (context.Context,context.CancelFunc) {
    return context.WithTimeout(context.Background(), 3 * time.Second)
}

func HttpHandler1()  {
    ctx, cancel := NewContextWithTimeout1()
    defer cancel()
    deal1(ctx, cancel)
}

func deal1(ctx context.Context, cancel context.CancelFunc)  {
    for i:=0; i< 10; i++ {
        time.Sleep(1*time.Second)
        select {
        case <- ctx.Done():
            fmt.Println(ctx.Err())
            return
        default:
            fmt.Printf("deal time is %d\n", i)
            cancel()
        }
    }
}

输出结果：

deal time is 0
context canceled

使用起来还是比较容易的，既可以超时自动取消，又可以手动控制取消。这里大家要记的一个坑，就是我们往从请求入口透传的调用链路中的context是携带超时时间的，如果我们想在其中单独开一个goroutine去处理其他的事情并且不会随着请求结束后而被取消的话，那么传递的context要基于context.Background或者context.TODO重新衍生一个传递，否决就会和预期不符合了，可以看一下我之前的一篇踩坑文章：context使用不当引发的一个bug。

`withCancel`取消控制

日常业务开发中我们往往为了完成一个复杂的需求会开多个gouroutine去做一些事情，这就导致我们会在一次请求中开了多个goroutine确无法控制他们，这时我们就可以使用withCancel来衍生一个context传递到不同的goroutine中，当我想让这些goroutine停止运行，就可以调用cancel来进行取消。

来看一个例子：

func main()  {
    ctx,cancel := context.WithCancel(context.Background())
    go Speak(ctx)
    time.Sleep(10*time.Second)
    cancel()
    time.Sleep(1*time.Second)
}

func Speak(ctx context.Context)  {
    for range time.Tick(time.Second){
        select {
        case <- ctx.Done():
            fmt.Println("我要闭嘴了")
            return
        default:
            fmt.Println("balabalabalabala")
        }
    }
}

运行结果：

balabalabalabala
....省略
balabalabalabala
我要闭嘴了

我们使用withCancel创建一个基于Background的ctx，然后启动一个讲话程序，每隔1s说一话，main函数在10s后执行cancel，那么speak检测到取消信号就会退出。

自定义`Context`

因为Context本质是一个接口，所以我们可以通过实现Context达到自定义Context的目的，一般在实现Web框架或RPC框架往往采用这种形式，比如gin框架的Context就是自己有封装了一层，具体代码和实现就贴在这里，有兴趣可以看一下gin.Context是如何实现的。

源码赏析

Context其实就是一个接口，定义了四个方法：

type Context interface {
 Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
 Done() <-chan struct{}
 Err() error
 Value(key interface{}) interface{}
}

Deadlne方法：当Context自动取消或者到了取消时间被取消后返回
Done方法：当Context被取消或者到了deadline返回一个被关闭的channel
Err方法：当Context被取消或者关闭后，返回context取消的原因
Value方法：获取设置的key对应的值

这个接口主要被三个类继承实现，分别是emptyCtx、ValueCtx、cancelCtx，采用匿名接口的写法，这样可以对任意实现了该接口的类型进行重写。

下面我们就从创建到使用来层层分析。

创建根`Context`

其在我们调用context.Background、context.TODO时创建的对象就是empty：

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

func Background() Context {
    return background
}

func TODO() Context {
    return todo
}

Background和TODO还是一模一样的，官方说：background它通常由主函数、初始化和测试使用，并作为传入请求的顶级上下文；TODO是当不清楚要使用哪个 Context 或尚不可用时，代码应使用 context.TODO，后续在在进行替换掉，归根结底就是语义不同而已。

`emptyCtx`类

emptyCtx主要是给我们创建根Context时使用的，其实现方法也是一个空结构，实际源代码长这样：

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"
}

`WithValue`的实现

withValue内部主要就是调用valueCtx类：

func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
    if parent == nil {
        panic("cannot create context from nil parent")
    }
    if key == nil {
        panic("nil key")
    }
    if !reflectlite.TypeOf(key).Comparable() {
        panic("key is not comparable")
    }
    return &valueCtx{parent, key, val}
}

`valueCtx`类

valueCtx目的就是为Context携带键值对，因为它采用匿名接口的继承实现方式，他会继承父Context，也就相当于嵌入Context当中了

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

实现了String方法输出Context和携带的键值对信息：

func (c *valueCtx) String() string {
    return contextName(c.Context) + ".WithValue(type " +
        reflectlite.TypeOf(c.key).String() +
        ", val " + stringify(c.val) + ")"
}

实现Value方法来存储键值对：

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

看图来理解一下：

所以我们在调用Context中的Value方法时会层层向上调用直到最终的根节点，中间要是找到了key就会返回，否会就会找到最终的emptyCtx返回nil。

`WithCancel`的实现

我们来看一下WithCancel的入口函数源代码：

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) }
}

这个函数执行步骤如下：

创建一个cancelCtx对象，作为子context
然后调用propagateCancel构建父子context之间的关联关系，这样当父context被取消时，子context也会被取消。
返回子context对象和子树取消函数

我们先分析一下cancelCtx这个类。

`cancelCtx`类

cancelCtx继承了Context，也实现了接口canceler:

type cancelCtx struct {
    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
}

字短解释：

mu：就是一个互斥锁，保证并发安全的，所以context是并发安全的
done：用来做context的取消通知信号，之前的版本使用的是chan struct{}类型，现在用atomic.Value做锁优化
children：key是接口类型canceler，目的就是存储实现当前canceler接口的子节点，当根节点发生取消时，遍历子节点发送取消信号
error：当context取消时存储取消信息

这里实现了Done方法，返回的是一个只读的channel，目的就是我们在外部可以通过这个阻塞的channel等待通知信号。

具体代码就不贴了。我们先返回去看propagateCancel是如何做构建父子Context之间的关联。

`propagateCancel`方法

代码有点长，解释有点麻烦，我把注释添加到代码中看起来比较直观：

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
  // 如果返回nil，说明当前父`context`从来不会被取消，是一个空节点，直接返回即可。
    done := parent.Done()
    if done == nil {
        return // parent is never canceled
    }

  // 提前判断一个父context是否被取消，如果取消了也不需要构建关联了，
  // 把当前子节点取消掉并返回
    select {
    case <-done:
        // parent is already canceled
        child.cancel(false, parent.Err())
        return
    default:
    }

  // 这里目的就是找到可以“挂”、“取消”的context
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        p.mu.Lock()
    // 找到了可以“挂”、“取消”的context，但是已经被取消了，那么这个子节点也不需要
    // 继续挂靠了，取消即可
        if p.err != nil {
            child.cancel(false, p.err)
        } else {
      // 将当前节点挂到父节点的childrn map中，外面调用cancel时可以层层取消
            if p.children == nil {
        // 这里因为childer节点也会变成父节点，所以需要初始化map结构
                p.children = make(map[canceler]struct{})
            }
            p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
    } else {
    // 没有找到可“挂”，“取消”的父节点挂载，那么就开一个goroutine
        atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
        go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }
}

这段代码真正产生疑惑的是这个if、else分支。不看代码了，直接说为什么吧。因为我们可以自己定制context，把context塞进一个结构时，就会导致找不到可取消的父节点，只能重新起一个协程做监听。

对这块有迷惑的推荐阅读饶大大文章：[深度解密Go语言之context](https://www.cnblogs.com/qcrao...)，定能为你排忧解惑。

`cancel`方法

最后我们再来看一下返回的cancel方法是如何实现，这个方法会关闭上下文中的 Channel 并向所有的子上下文同步取消信号：

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
  // 取消时传入的error信息不能为nil, context定义了默认error:var Canceled = errors.New("context canceled")
    if err == nil {
        panic("context: internal error: missing cancel error")
    }
  // 已经有错误信息了，说明当前节点已经被取消过了
    c.mu.Lock()
    if c.err != nil {
        c.mu.Unlock()
        return // already canceled
    }
  
    c.err = err
  // 用来关闭channel，通知其他协程
    d, _ := c.done.Load().(chan struct{})
    if d == nil {
        c.done.Store(closedchan)
    } else {
        close(d)
    }
  // 当前节点向下取消，遍历它的所有子节点，然后取消
    for child := range c.children {
        // NOTE: acquiring the child's lock while holding parent's lock.
        child.cancel(false, err)
    }
  // 节点置空
    c.children = nil
    c.mu.Unlock()
  // 把当前节点从父节点中移除，只有在外部父节点调用时才会传true
  // 其他都是传false，内部调用都会因为c.children = nil被剔除出去
    if removeFromParent {
        removeChild(c.Context, c)
    }
}

到这里整个WithCancel方法源码就分析好了，通过源码我们可以知道cancel方法可以被重复调用，是幂等的。

`withDeadline`、`WithTimeout`的实现

先看WithTimeout方法，它内部就是调用的WithDeadline方法：

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

所以我们重点来看withDeadline是如何实现的：

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
  // 不能为空`context`创建衍生context
    if parent == nil {
        panic("cannot create context from nil parent")
    }
  
  // 当父context的结束时间早于要设置的时间，则不需要再去单独处理子节点的定时器了
    if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {
        // The current deadline is already sooner than the new one.
        return WithCancel(parent)
    }
  // 创建一个timerCtx对象
    c := &timerCtx{
        cancelCtx: newCancelCtx(parent),
        deadline:  d,
    }
  // 将当前节点挂到父节点上
    propagateCancel(parent, c)
  
  // 获取过期时间
    dur := time.Until(d)
  // 当前时间已经过期了则直接取消
    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()
  // 如果没被取消，则直接添加一个定时器，定时去取消
    if c.err == nil {
        c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

withDeadline相较于withCancel方法也就多了一个定时器去定时调用cancel方法，这个cancel方法在timerCtx类中进行了重写，我们先来看一下timerCtx类，他是基于cancelCtx的，多了两个字段：

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

    deadline time.Time
}

timerCtx实现的cancel方法，内部也是调用了cancelCtx的cancel方法取消：

func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
  // 调用cancelCtx的cancel方法取消掉子节点context
    c.cancelCtx.cancel(false, err)
  // 从父context移除放到了这里来做
    if removeFromParent {
        // Remove this timerCtx from its parent cancelCtx's children.
        removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
    }
  // 停掉定时器，释放资源
    c.mu.Lock()
    if c.timer != nil {
        c.timer.Stop()
        c.timer = nil
    }
    c.mu.Unlock()
}

终于源码部分我们就看完了，现在你何感想？

`context`的优缺点

context包被设计出来就是做并发控制的，这个包有利有弊，个人总结了几个优缺点，欢迎评论区补充。

缺点

影响代码美观，现在基本所有web框架、RPC框架都是实现了context，这就导致我们的代码中每一个函数的一个参数都是context，即使不用也要带着这个参数透传下去，个人觉得有点丑陋。
context可以携带值，但是没有任何限制，类型和大小都没有限制，也就是没有任何约束，这样很容易导致滥用，程序的健壮很难保证；还有一个问题就是通过context携带值不如显式传值舒服，可读性变差了。
可以自定义context，这样风险不可控，更加会导致滥用。
context取消和自动取消的错误返回不够友好，无法自定义错误，出现难以排查的问题时不好排查。
创建衍生节点实际是创建一个个链表节点，其时间复杂度为O(n)，节点多了会掉支效率变低。

优点

使用context可以更好的做并发控制，能更好的管理goroutine滥用。
context的携带者功能没有任何限制，这样我我们传递任何的数据，可以说这是一把双刃剑
网上都说context包解决了goroutine的cancelation问题，你觉得呢？

参考文章

https://pkg.go.dev/context@go...
https://studygolang.com/artic...
https://draveness.me/golang/d...
https://www.cnblogs.com/qcrao...
https://segmentfault.com/a/11...
https://www.flysnow.org/2017/...

总结

context虽然在使用上丑陋了一点，但是他却能解决很多问题，日常业务开发中离不开context的使用，不过也别使用错了context，其取消也采用的channel通知，所以代码中还有要有监听代码来监听取消信号，这点也是经常被广大初学者容易忽视的一个点。

文中示例已上传github：https://github.com/asong2020/...

好啦，本文到这里就结束了，我是asong，我们下期见。

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【Go语言】小白也能看懂的context包详解：从入门到精通

前言

`context`包的起源与作用

`context`的使用

创建`context`

`WithValue`携带数据

超时控制

`withCancel`取消控制

自定义`Context`

源码赏析

创建根`Context`

`emptyCtx`类

`WithValue`的实现

`valueCtx`类

`WithCancel`的实现

`cancelCtx`类

`propagateCancel`方法

`cancel`方法

`withDeadline`、`WithTimeout`的实现

`context`的优缺点

缺点

优点

参考文章

总结

asong

引用和评论

伙计，Go项目怎么使用枚举？

Go 语言-计算密集型服务性能优化

IO 密集型服务耗时优化

Go 语言 JSON 与 Cache 库调研与选型

告别ELK，APO提供基于ClickHouse开箱即用的高效日志方案——APO 0.6.0发布

Go 语言-内存泄漏排查两例

Golang GC 从原理到优化

【Go语言】小白也能看懂的context包详解：从入门到精通

前言

context包的起源与作用

context的使用

创建context

WithValue携带数据

超时控制

withCancel取消控制

自定义Context

源码赏析

创建根Context

emptyCtx类

WithValue的实现

valueCtx类

WithCancel的实现

cancelCtx类

propagateCancel方法

cancel方法

withDeadline、WithTimeout的实现

context的优缺点

缺点

优点

参考文章

总结

asong

引用和评论

伙计，Go项目怎么使用枚举？

Go 语言-计算密集型服务 性能优化

IO 密集型服务 耗时优化

Go 语言 JSON 与 Cache 库 调研与选型

告别ELK，APO提供基于ClickHouse开箱即用的高效日志方案——APO 0.6.0发布

Go 语言-内存泄漏排查两例

Golang GC 从原理到优化

`context`包的起源与作用

`context`的使用

创建`context`

`WithValue`携带数据

`withCancel`取消控制

自定义`Context`

创建根`Context`

`emptyCtx`类

`WithValue`的实现

`valueCtx`类

`WithCancel`的实现

`cancelCtx`类

`propagateCancel`方法

`cancel`方法

`withDeadline`、`WithTimeout`的实现

`context`的优缺点

Go 语言-计算密集型服务性能优化

IO 密集型服务耗时优化

Go 语言 JSON 与 Cache 库调研与选型