深入理解Golang之Context（可用于实现超时机制）

内容转载自 https://juejin.im/post/5e52688c51882549417fc671#heading-11，并在其基础上增加自己的部分描述

深入理解Golang之context

前言

最近在尝试用Golang实现具备服务治理功能的RPC框架。其中涉及到客户端和服务端的超时机制。请求超时后，需要结束请求相关的执行函数，避免资源浪费和程序逻辑错误。在Golang中可以通过Context实现上述功能。

context常用的使用方式：
1.web编程中，一个请求对应多个goroutine之间的数据交互
2.超时控制
3.上下文控制
4.Context作为全链路函数的第一个参数

下文将从为什么需要context出发，深入了解context的实现原理，以及了解如何使用context。

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：

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。

context是什么

context接口

先看Context接口结构，看起来非常简单。

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。

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。

// 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：

// 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。

valueCtx

valueCtx结构体

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。

WithValue

WithValue用以向context添加键值对：

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：

cancelCtx

cancelCtx结构体

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。

canceler是一个实现接口，用于Ctx的终止。实现该接口的Context有cancelCtx和timerCtx，emptyCtx和valueCtx没有实现该接口。

再来看一下cancelCtx实现的方法：

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
}

/**
* 1、cancel(...)当前Ctx的子节点
* 2、从父节点中移除该Ctx
**/
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。

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：

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}
}

//获得“父Ctx路径”中可被取消的Ctx
//将child canceler加入该父Ctx的map中
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():
            }
        }()
    }
}

//尝试查找“父节点路径”中可被取消的Ctx
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。

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。

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。

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。

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。

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:

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

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：

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。

1、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。

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)
    }
}

2、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。

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)

        ...
    }
}

3、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。

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。

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。

参考资料
1、Package context

2、Go Concurrency Patterns: Context

3、Understanding the context package in golang