Go Context原理详解

这篇文章是回答交流时一个老哥的问题,跟go的context相关内容,上一篇(https://www.cnblogs.com/dojo-...)讲了一些基础知识,这一篇继续在并发处理上进行研究。主要是Go Context的使用、原理。因为时间和精力有限,所以文章中大量引用相关资料中的内容以及图片,再此致敬。

Go Context

React中Context主要用来跨组件传递一些数据,Go中Context其中一个作用也跟传递数据有关,不过是在goroutine中相互传递数据;Context的另一个作用在于可以便捷关闭被创建出来的goroutine。

在实际中当服务器端收到一个请求时,很可能需要发送几个请求去请求其他服务的数据,由于Go 语法上的同步阻塞写法,我们一般会创建几个goroutine并发去做一些事情;那么这时候很可能几个goroutine之间需要共享数据,还有当request被取消时,创建的几个goroutine也应该被取消掉。那么这就是Go Context的用武之地。

关于协程泄露:

一般main函数是主协程,主协程执行完毕后子协程也会被销毁;但是对于服务来说,主协程不会执行完毕就退出。

所以如果每个请求都自己创建协程,而协程有没有受到完毕信息结束信息,可能处于阻塞状态,这种情况下才会产生协程泄露

context包中核心是Context接口:

type Context interface {
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    Done() <-chan struct{}
    Err() error
    Value(key interface{}) interface{}
}
  • Deadline 方法返回当前Context被取消的时间,也就是完成工作的截止时间(deadline);
  • Done方法需要返回一个channel,这个Channel会在当前工作完成或者上下文被取消之后关闭,可以在子goroutine中利用select进行监控,来回收子goroutine;多次调用Done方法会返回同一个Channel;
// 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.
  • Err方法会返回当前Context结束的原因,它只会在Done返回的Channel被关闭时才会返回空值:
  • 如果当前Context被取消就会返回Canceled错误;
  • 如果当前Context超时就会返回DeadlineExceeded错误;
  • Value 方法会从Context中返回键对应的值,对于同一个上下文来说,多次调用Value并传入相同的Key会返回相同的结果,该方法仅用于传递跨API和进程间跟请求域的数据。
//     // 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
//     }

ctx.Value(userKey).(*User)这里是Go语言中的类型断言(http://c.biancheng.net/view/4...

value, ok := x.(T)
x 表示一个接口的类型,T 表示一个具体的类型(也可为接口类型)
该断言表达式会返回 x 的值(也就是 value)和一个布尔值(也就是 ok),可根据该布尔值判断 x 是否为 T 类型:
 
如果 T 是具体某个类型,类型断言会检查 x 的动态类型是否等于具体类型 T。如果检查成功,类型断言返回的结果是 x 的动态值,其类型是 T。
如果 T 是接口类型,类型断言会检查 x 的动态类型是否满足 T。如果检查成功,x 的动态值不会被提取,返回值是一个类型为 T 的接口值。
无论 T 是什么类型,如果 x 是 nil 接口值,类型断言都会失败。

在context包中Context一个接口有四个具体实现和六个函数:

emptyCtx

emptyCtx本质是一个整型类型,他对Context接口的实现,非常简单,其实是什么也没做,都是一堆空方法:

// 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 any) any {
    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)
)

这里的String方法挺有意思,因为下面中可以看到background和todo都是一个emptyContext所以,这里直接case进行对比background和todo;

Background和TODO这两个公共方法是返回background和todo;官方建议Background用做顶层的context,todo看起来用来占位使用,不过实现来说两个没区别

// 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
}

// 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).
func TODO() Context {
    return todo
}

cancelCtx

通过WithCancel来创建的就是cancelCtx,WithCancel返回一个ctx和cancel方法,通过调用cancel方法,可以将Context取消,来控制协程,具体看下面例子:

在这个例子中,通过defer调用cancel,在FixLeakingByContext函数结束时去掉context,在CancelByContext中配合select和context的done方式来使用,可以避免协程资源没有被回收引起的内存泄露。

func FixLeakingByContex() {
    //创建上下文用于管理子协程
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    
    //结束前清理未结束协程
    defer cancel()
    
    ch := make(chan int)
    go CancelByContext(ctx, ch)
    go CancelByContext(ctx, ch)
    go CancelByContext(ctx, ch)
    
    // 随机触发某个子协程退出
    ch <- 1
}

func CancelByContext(ctx context.Context, ch chan (int)) int {
    select {
    case <-ctx.Done():
        //fmt.Println("cancel by ctx.")
        return 0
    case n := <-ch :
        return n
    }
}

看下WithCancel的源码:

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
    if parent == nil {
        panic("cannot create context from nil parent")
    }
         // WithCancel通过一个父级Context来创建出一个cancelCtx
    c := newCancelCtx(parent)
         // 调用propagateCancel根据父级context的状态来关联cancelCtx的cancel行为
    propagateCancel(parent, &c)
         // 返回c和一个方法,方法中调用c.cancel并传递Canceled变量
    return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
    return cancelCtx{Context: parent}
}
var Canceled = errors.New("context canceled")

WithCancel通过一个父级Context来创建出一个cancelCtx,然后调用propagateCancel根据父级context的状态来关联cancelCtx的cancel行为(感觉这里不应该叫propagate,冒泡一般理解是自下向上,这个函数明显是自下向上,应该叫cascade更为合理一些)。随后返回c和一个方法,方法中调用c.cancel并传递Canceled变量(其实是一个error实例);

cancelCtx是WidthDeadline和WidthTimeout的基石,所以cancelCtx的实现相对复杂,我们重点讲解。

newCancelCtx方法可以看到是创建了一个cancelCtx实例

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

我们也看下cancelCtx的定义:

// A cancelCtx can be canceled. When canceled, it also cancels any children
// that implement canceler.
type cancelCtx struct {
    Context // 内嵌结构体

    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
}

cancelCtx有一个内嵌的Context类型,实际存储的都是父级上下文对象,还有四个独立的字段:

  • mu:一个互斥量,用来加锁保证某些操作的线程安全性
  • done:atomic.Value一个可以对任意类型进行原子型操作的结构;提供Load和Store方法;看Go源码这里存的是一个struct{}类型的channel
  • children:一个key为canceler值为struct{}的map类型;
  • err:存放error的字段

这里的cancelder是一个接口,代表可以直接被cancel的Context类型,基本指的是 cancelCtx和 timerCtx两种context,也被他俩实现

// A canceler is a context type that can be canceled directly. The
// implementations are *cancelCtx and *timerCtx.
type canceler interface {
    cancel(removeFromParent bool, err error)
    Done() <-chan struct{}
}

下面看下propagateCancel,据父级context的状态来关联cancelCtx的cancel行为

// propagateCancel arranges for child to be canceled when parent is.
func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    // 如果父元素的Done方法返回为空,也就是说父context是emptyCtx
    // 直接返回,因为父上下文不会做任何处理
    done := parent.Done()
    if done == nil {
        return // parent is never canceled
    }
    // 如果父上下文不是emptyCtx类型,使用select来判断一下父上下文的done channel是不是已经被关闭掉了
    // 关闭则调用child的cancel方法
    // select其实会阻塞,但这里给了一个default方法,所以如果父上下文的done channel没有被关闭则继续之心后续代码
    // 这里相当于利用了select的阻塞性来做if-else判断
    select {
    case <-done:
        // parent is already canceled
        child.cancel(false, parent.Err())
        return
    default:
    }

    // parentCancelCtx目的在于寻找父上下文中最底层的cancelCtx,因为像timerCtx等会内嵌cancelCtx
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        // 如果找的到,就把最内层的cancelCtx跟child的设置好关联关系
        // 这里要考虑到多线程环境,所以是加锁处理
        p.mu.Lock()
        if p.err != nil {
            // 如果祖先cancelCtx已经被取消了,那么也调用child的cancel方法
            // parent has already been canceled
            child.cancel(false, p.err)
        } else {
             // 这里设置内层cancelCtx与child的父子层级关系
            if p.children == nil {
                p.children = make(map[canceler]struct{})
            }
            p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
    } else {
        // 这里代表没有找到祖先cancelCtx,单启了一个协程来进行监听(因为select是阻塞的),如果父上下文的done 关闭了,则子上下文取消
        
        // goroutines在别的地方代码中没有使用,不知道为什么要做增加操作,看源码英文解释也是为了测试使用
                // 单独的协程会在阻塞完毕后被GC回收,不会有泄露风险                  
        atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
        go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }
}

里面调用了一个parentCancelCtx函数,这个函数比较晦涩,市面上资料也还没有人去仔细研究,这里我来讲解一下;

这个函数中最重要的就是12行,通过cancelCtxKey获取最近的内嵌cancelCtx;然后让在propagateCancel中设置内嵌cancelCtx与child的关联关系;

同时这个函数也考虑了几种情况,如果parent的done已经是closedchan或者是nil那么没必要去拿内层的cancelCtx来建立层级关系,直接用parent本身与child做好关联cancel即可。这是9-11行代码干的事。

16行-19行,看源码解释是如果这个内嵌cancelCtx可能加了一些自定义方法,比如复写了Done或者cancel,那么它就不是这里的timerCtx、cancelCtx或者valueCtx,这种情况下用户自己负责处理;放到propagateCancel这个函数中就是把parent和child直接关联起来,不建立层级关系。及时子child自己cancel也不去跟parent的children有什么关联。

// parentCancelCtx returns the underlying *cancelCtx for parent.
// It does this by looking up parent.Value(&cancelCtxKey) to find
// the innermost enclosing *cancelCtx and then checking whether
// parent.Done() matches that *cancelCtx. (If not, the *cancelCtx
// has been wrapped in a custom implementation providing a
// different done channel, in which case we should not bypass it.)
func parentCancelCtx(parent Context) (*cancelCtx, bool) {
    done := parent.Done()
    if done == closedchan || done == nil {
        return nil, false
    }
    p, ok := parent.Value(&cancelCtxKey).(*cancelCtx)
    if !ok {
        return nil, false
    }
    pdone, _ := p.done.Load().(chan struct{})
    if pdone != done {
        return nil, false
    }
    return p, true
}

那么这里就有了一个问题,propagateCancel函数中一定建立parent和child的children关系么?我理解是不用的,因为这个else部分代码我理解完全可以实现父级上下文结束后,child也进行取消;我猜这里尽量建立children的map关系,是如果不这么做就要起一个goroutine来处理,相当于一个监护线程,goroutine资源的消耗以及调度成本,比单纯的children层级关系更大,所以这里尽力使用map结构来建立层级关系。这也可以看到作者在写代码时候还是很花心思去考量各种情况的。

    } else {
        // 这里代表没有找到祖先cancelCtx,单启了一个协程来进行监听(因为select是阻塞的),如果父上下文的done 关闭了,则子上下文取消
        
        // goroutines在别的地方代码中没有使用,不知道为什么要做增加操作,看源码英文解释也是为了测试使用
                // 单独的协程会在阻塞完毕后被GC回收,不会有泄露风险                  
        atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
        go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }

接下来看下cancelCtx中Value、Done、Err以及私有方法cancel的实现;

Value方法

源码如下

func (c *cancelCtx) Value(key any) any {
    if key == &cancelCtxKey {
        return c
    }
    return value(c.Context, key)
}

首先要介绍下cancelCtxKey,这是一个context包中的私有变量,当对cancelCtx调用Value方法并用这个key作为参数时,返回cancelCtx本身;

如果没有找到则是调用的context包中的私有方法value,来在父级上下文中key对应的值;

这个方法首先进行类型断言,判断Context是否是valueCtx、cancelCtx、timerCtx以及emptyCtx等;根据不同的类型做不同处理,比如cancelCtx和timerCtx先进行cancelCtxKey判断,emptyCtx直接返回nil,valueCtx则判断是否是自己实例化时候传入的key,否则就去自己的内层context也就是parent层级上冒泡获取对应的值。

func value(c Context, key any) any {
    for {
        switch ctx := c.(type) {
        case *valueCtx:
            if key == ctx.key {
                return ctx.val
            }
            c = ctx.Context
        case *cancelCtx:
            if key == &cancelCtxKey {
                return c
            }
            c = ctx.Context
        case *timerCtx:
            if key == &cancelCtxKey {
                return &ctx.cancelCtx
            }
            c = ctx.Context
        case *emptyCtx:
            return nil
        default:
            return c.Value(key)
        }
    }
}

Done方法

func (c *cancelCtx) Done() <-chan struct{} {
        // 返回atomic.Value中存储的值
    d := c.done.Load()
    if d != nil {
                 // atomic.Value类型的Load方法返回的是ifaceWords类型,所以这里是利用了类型断言
                 // 把ifaceWords类型转换为 struct类型的chan
        return d.(chan struct{})
    }
         // 这里是并发场景要考虑的问题,因为会存在多个线程并发进行的过程,所以不一定哪个goroutine就对c.done进行了修改
         // 所以这里不能直接像单线程一样,if d!=nil else。。。;首先得抢锁。
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    d = c.done.Load()
         // 上面抢锁的过程可能抢到了,也可能没抢到,所以到这里是抢到了锁,但是c.done未必还是nil;
         // 所以这里要再次做判断
    if d == nil {
        d = make(chan struct{})
        c.done.Store(d)
    }
    return d.(chan struct{})
}

看到上面锁的过程,发现并发情况的处理要比js这种单线程考虑的多得多。并发对一个变量的处理不能简单的if-else;要结合锁、CAS、原子操作一起考虑(对于atomic.Value中的ifaceWords的部分可以看这篇文章:https://www.cnblogs.com/dojo-...中原子操作部分)。

Err方法

func (c *cancelCtx) Err() error {
    c.mu.Lock()
    err := c.err
    c.mu.Unlock()
    return err
}

这个方法比较简单只是获取了cancelCtx的err属性,这个属性在cancel中会会被设置。

cancel方法

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    if err == nil {
        panic("context: internal error: missing cancel error")
    }
         // 因为后面要对c.err和c.done进行更新,所以这里要抢锁
    c.mu.Lock()
    if c.err != nil {
                 // if这部分放到锁的外部是否可以?看起来是可以的,但是如果放到外面,if判断不通过此时c.err为nil
                 // 接着进行抢锁,那么在抢到锁之后仍然要对c.err判断是否还是nil,才能进行更新
                 // 因为在抢锁过程中,可能c.err已经被某个协程修改了
                 // 所以把这部分放到锁之后是合理的。
        c.mu.Unlock()
        return // already canceled
    }
    c.err = err // 赋值
    d, _ := c.done.Load().(chan struct{})
 // 读取done的值
    if d == nil { 
                 // 如果done为nil,就把一个内部的closedchan存入c.done中;
                 // closedchan是一个channel类型,在context包的init函数中就会把它close掉
        c.done.Store(closedchan)
    } else {
        close(d)
    }         
         // 遍历c的children调用他们的cancel;
    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()
         // 这部分没有在锁的代码中,是因为函数中会自己加锁?

    if removeFromParent {
        removeChild(c.Context, c)
    }
}

代码最后调用removeChild方法,这部分为什么没在c.mu锁中,我猜是因为这个函数的代码自己会进行锁的处理。

// removeChild removes a context from its parent.
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()
}

可以看到代码中的锁部分,是在第7行开始的,那么为什么parentCancelCtx没有被包含在锁中,这里猜测下,因为parentCancelCtx的主要目的是为了获取父级上下文内层的cancelCtx,而这个值是在实例化时候就已经确定的,这里只是读取所以可以不用放在互斥锁的临界区代码中,避免性能浪费。

接下来就是p.mu来抢锁,完成对层级结构的接触。

timerCtx

WithTimeout和WithDeadline创建的都是timerCtx,timerCtx内部内嵌了cancelCtx;

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

    deadline time.Time
}

因为内嵌了cancelCtx,而cancelCtx实现了Done、Value、Err以及cancel(私有)方法,所以timerCtx上也可以直接调用这几个方法(http://c.biancheng.net/view/7...);cancelCtx并未实现Deadline方法,但是emptyCtx实现了,如果他的父级上下文是emptyCtx那么cancelCtx也可以调用Deadline方法。

看完cancelCtx的方法之后,对比起来timerCtx的方法都比较简单,不做过多解释

func (c *timerCtx) Deadline() (deadline time.Time, ok bool) {
    return c.deadline, true
}

func (c *timerCtx) String() string {
    return contextName(c.cancelCtx.Context) + ".WithDeadline(" +
        c.deadline.String() + " [" +
        time.Until(c.deadline).String() + "])"
}

func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    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 {
        c.timer.Stop()
        c.timer = nil
    }
    c.mu.Unlock()
}

可以看到cancel方法中先调用了内嵌的cancelCtx的cancel方法;然后利用cancelCtx的互斥锁抢锁来对c.timer进行操作修改;cancel方法第13-16行需要注意,因为withDeadline在创建时把parent和timerCtx建立了层级关系,所以这里根据条件进行移除操作。

下面来看下withDeadline函数:

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
    if parent == nil {
        panic("cannot create context from nil parent")
    }
         // 如果parent的deadline小于当前时间,直接创建cancelCtx,里面会调用propagateCancel方法
         // 来根据父上下文状态进行处理
    if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {
        // The current deadline is already sooner than the new one.
        return WithCancel(parent)
    }
         // 创建timerCtx,这里可以看到cancelCtx是私有变量,而cancelCtx中的Context字段是公有变量
    c := &timerCtx{
        cancelCtx: newCancelCtx(parent),
        deadline:  d,
    }
         // 设置层级取消关联
    propagateCancel(parent, c)
    dur := time.Until(d)
         // 如果已经超时直接取消
    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()
         // 如果没有超时并且没有被调用过cancel,那么设置timer,超时则调用cancel方法;         
    if c.err == nil {
        c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

了解上面内容之后,WithTimeout就很简单了,只是调用了WidthDeadline方法

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

valeCtx

这个结构体相对简单,有一个Context公共变量,一个任意类型的key和任意类型的any:

type valueCtx struct {
    Context
    key, val any
}

withValue方法也比较简单,这里就不做过多介绍

func WithValue(parent Context, key, val any) 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}
}

还有一个Value方法:

如果key与WithValue调用时相同,则返回对应的val,否则进入value方法,在内嵌的Context中查找key对应的值,这个方法上面介绍过,根据Context类型先做一些类型判断,来判断一些关键的key如cancelCtxKey,不然继续在内嵌Context中查找。

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

参考资料

本文大量引用了相关参考资料的图片和语言,尤其是CPU硬件部分图片大部分来自于小林coding(https://xiaolincoding.com/os/...)的图片。版权问题请与我联系,侵删。

深入理解Go Context:https://article.itxueyuan.com...

context源码:https://github.com/golang/go/...

聊一聊Go的Context上下文:https://studygolang.com/artic...

go context详解https://www.cnblogs.com/juanm...

Go语言Context(上下文):http://c.biancheng.net/view/5...

atomic原理以及实现:https://blog.csdn.net/u010853...

atomic前世今生:https://blog.betacat.io/post/...

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