Go语言之context包源码分析

编程语言 2022-02-07 11:01:21 阅读次数: 0

「这是我参与2022首次更文挑战的第20天，活动详情查看：2022首次更文挑战」

context包

这个包分析的是1.15

包说明分析

context包定义了一个Context类型(接口类型),通过这个Context接口类型, 就可以跨api边界/跨进程传递一些deadline/cancel信号/request-scoped值.

发给server的请求中需要包含Context,server需要接收Context. 在整个函数调用链中,Context都需要进行传播. 期间是可以选择将Context替换为派生Context(由With-系列函数生成). 当一个Context是canceled状态时,所有派生的Context都是canceled状态.

With-系列函数(不包含WithValue)会基于父Context来生成一个派生Context, 还有一个CancelFunc函数,调用这个CancelFun函数可取消派生对象和 "派生对象的派生对象的...",并且会删除父Context和派生Context的引用关系, 最后还会停止相关定时器.如果不调用CancelFunc,直到父Context被取消或 定时器触发,派生Context和"派生Context的派生Context..."才会被回收, 否则就是泄露leak. go vet工具可以检测到泄露.

使用Context包的程序需要遵循以下以下规则,目的是保持跨包兼容, 已经使用静态分析工具来检查context的传播:

  • Context不要存储在struct内,直接在每个函数中显示使用,作为第一个参数,名叫ctx
  • 即使函数允许,也不要传递nil Context,如果实在不去确定就传context.TODO
  • 在跨进程和跨api时,要传request-scoped数据时用context Value,不要传函数的可选参数
  • 不同协程可以传递同一Context到函数,多协程并发使用Context是安全的

包结构分析

核心的是:

    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)
    type CancelFunc
    type Context
复制代码

从上可以看出,核心的是Context接口类型,围绕这个类型出现了With-系列函数, 针对派生Context,还有取消函数CancelFunc.

还有两个暴露的变量:

  • Canceled
    • context取消时由Context.Err方法返回
  • DeadlineExceeded
    • context超过deadline时由Context.Err方法返回

Context接口类型分析

context也称上下文.

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

先看说明:

跨api时,Context可以携带一个deadline/一个取消信号/某些值. 并发安全.

方法集分析:

  • Deadline
    • 返回的是截至时间
      • 这个时间表示的是任务完成时间
      • 到这个时间点,Context的状态已经是be canceled(完成状态)
    • ok为false表示没有设置deadline
    • 连续调用,返回的结果是相同的
  • Done
    • 返回的只读信道
    • 任务完成,信道会被关闭,Context状态是be canceled
    • Conetext永远不be canceled,Done可能返回nil
    • 连续调用,返回的结果是相同的
    • 信道的关闭会异步发生,且会在取消函数CancelFunc执行完之后发生
    • 使用方面,Done需要配合select使用
    • 更多使用Done的例子在这个博客
  • Err
    • Done还没关闭(此处指Done返回的只读信道),Err返回nil
    • Done关闭了,Err返回non-nil的error
      • Context是be canceled,Err返回Canceled(这是之前分析的一个变量)
      • 如果是超过了截至日期deadline,Err返回DeadlineExceeded
    • 如果Err返回non-nil的error,后续再次调用,返回的结果是相同的
  • Value
    • 参数和返回值都是interface{}类型(这种解耦方式值得学习)
    • Value就是通过key找value,如果没找到,返回nil
    • 连续调用,返回的结果是相同的
    • 上下文值,只适用于跨进程/跨api的request-scoped数据
    • 不适用于代替函数可选项
    • 一个上下文中,一个key对应一个value
    • 典型用法:申请一个全局变量来放key,在context.WithValue/Context.Value中使用
    • key应该定义为非暴露类型,避免冲突
    • 定义key时,应该支持类型安全的访问value(通过key)
    • key不应该暴露
      • 表示应该通过暴露函数来进行隔离(具体可以查看源码中的例子)

后续分析规划

看完Context的接口定义后,还需要查看With-系列函数才能知道context的定位, 在With-系列中会涉及到Context的使用和内部实现,那就先看WithCancel.

withCancel:

  • CancelFunc
  • newCancelCtx
    • cancelCtx
      • canceler
  • propagateCancel
    • parentCancelCtx

以下是分析出的通过规则:很多包对外暴露的是接口类型和几个针对此类型的常用函数. 接口类型暴露意味可扩展,但是想扩展之后继续使用常用函数,那扩展部分就不能 修改常用函数涉及的部分,当然也可以通过额外的接口继续解耦. 针对"暴露接口和常用函数"这种套路,实现时会存在一个非暴露的实现类型, 常用函数就是基于这个实现类型实现的.在context.go中的实现类型是emptyCtx. 如果同时需要扩展接口和常用函数,最好是重新写一个新包.

下面的分析分成两部分:基于实现类型到常用函数;扩展功能以及如何扩展.

基于实现类型到常用函数

Context接口的实现类型是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 }

    func (e *emptyCtx) String() string {
      switch e {
      case background:
        return "context.Background"
      case todo:
        return "context.TODO"
      }
      return "unknown empty Context"
    }
复制代码

可以看到emptyCtx除了实现了context.Context接口,还实现了context.stringer接口, 注意下面的String不是实现的fmt.Stringer接口,而是未暴露的context.stringer接口. 正如empty的名字,对Context接口的实现都是空的,后续需要针对emptyCtx做扩展.

    var (
      background = new(emptyCtx)
      todo       = new(emptyCtx)
    )
    func Background() Context {
      return background
    }
    func TODO() Context {
      return todo
    }
复制代码

这里通过两个暴露的函数创建两个空的emptyCtx实例,后续会根据不同场景来扩展. 在注释中,background实例的使用场景是:main函数/初始化/测试/或者作为top-level 的Context(派生其他Context);todo实例的使用场景是:不确定时用todo. 到此emptyCtx的构造就理顺了,就是Background()/TODO()两个函数,之后是针对她们 的扩展和Context派生.

Context派生是基于With-系列函数实现的,我们先看对emptyCtx的扩展, 这些扩展至少会覆盖一部分函数,让空的上下文变成支持某些功能的上下文, 取消信号/截至日期/值,3种功能的任意组合.

从源码中可以看出,除了emptyCtx,还有cancelCtx/myCtx/myDoneCtx/otherContext/ timeCtx/valueCtx,他们有个共同特点:基于Context组合的新类型, 我们寻找的对emptyCtx的扩展,就是在这些新类型的方法中.

小技巧:emptyCtx已经实现了context.Context,如果要修改方法的实现, 唯一的方法就是利用Go的内嵌进行方法的覆盖.简单点说就是内嵌到struct, struct再定义同样签名的方法,如果不需要数据,内嵌到接口也是一样的.

cancelCtx

支持取消信号的上下文

type cancelCtx struct {
  Context

  mu       sync.Mutex
  done     chan struct{}
  children map[canceler]struct{}
  err      error
}
复制代码

看下方法:

    var cancelCtxKey int
    func (c *cancelCtx) Value(key interface{}) interface{} {
      if key == &cancelCtxKey {
        return c
      }
      return c.Context.Value(key)
    }
    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
    }
复制代码

cancelCtxKey默认是0,Value()要么返回自己,要么调用上下文Context.Value(), 具体使用后面再分析;Done()返回cancelCtx.done;Err()返回cancelCtx.err;

    func contextName(c Context) string {
      if s, ok := c.(stringer); ok {
        return s.String()
      }
      return reflectlite.TypeOf(c).String()
    }
    func (c *cancelCtx) String() string {
      return contextName(c.Context) + ".WithCancel"
    }
复制代码

internal/reflectlite.TypeOf是获取接口动态类型的反射类型, 如果接口是nil就返回nil,此处是获取Context的类型, 从上面的分析可知,顶层Context要么是background,要么是todo, cancelCtx实现的context.stringer要么是context.Background.WithCancel, 要么是context.TODO.WithCancel.这里说的只是顶层Context下的, 多层派生Context的结构也是类似的.

值得注意的是String()不属于Context接口的方法集,而是emptyCtx对 context.stringer接口的实现,cancelCxt内嵌的Context,所以不会覆盖 emptyCtx对String()的实现.

    var closedchan = make(chan struct{})
    func init() {
      close(closedchan)
    }

    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
      }
      c.err = err
      if c.done == nil {
        c.done = closedchan
      } else {
        close(c.done)
      }
      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 {
        removeChild(c.Context, c)
      }
    }
复制代码

cancel(),具体的取消信令对应的操作,err不能为nil,err会存到cancelCtx.err, 如果已经存了,表示取消操作已经执行.关闭done信道,如果之前没有调用Done() 来获取done信道,就返回一个closedchan(这是要给已关闭信道,可重用的), 之后是调用children的cancel(),最后就是在Context树上移除当前派生Context.

    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
      }
      p.mu.Lock()
      ok = p.done == done
      p.mu.Unlock()
      if !ok {
        return nil, false
      }
      return p, true
    }
    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()
    }
复制代码

removeChild首先判断父Context是不是cancelCtx类型, 再判断done信道和当前Context的done信道是不是一致的, (如果不一致,说明:done信道是diy实现的,就不能删掉了).

到此,cancelCtx覆盖了cancelCtx.Context的Done/Err/Value, 同时实现了自己的打印函数String(),还实现了cancel(). 也就是说cancelCtx还实现了接口canceler:

type canceler interface {
  cancel(removeFromParent bool, err error)
  Done() <-chan struct{}
}
// cancelCtx.children的定义如下:
// children map[canceler]struct{}
复制代码

执行取消信号对应的操作时,其中有一步就是执行children的cancel(), children的key是canceler接口类型,所以有对cancel()的实现. cancelCtx实现了canceler接口,那么在派生Context就可以嵌套很多层, 或派生很多个cancelCtx.

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
  return cancelCtx{Context: parent}
}
复制代码

非暴露的构造函数.

回顾一下:cancelCtx添加了Context对取消信号的支持. 只要触发了"取消信号",使用方只需要监听done信道即可.

myCtx myDoneCtx otherContext属于测试,等分析测试的时候再细说.

timerCtx

前面说到了取消信号对应的上下文cancelCtx,timerCtx就是基于取消信号上下扩展的

type timerCtx struct {
  cancelCtx
  timer *time.Timer

  deadline time.Time
}
复制代码

注释说明:内嵌cancelCtx是为了复用Done和Err,扩展了一个定时器和一个截至时间, 在定时器触发时触发cancelCtx.cancel()即可.

    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 {
        removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
      }
      c.mu.Lock()
      if c.timer != nil {
        c.timer.Stop()
        c.timer = nil
      }
      c.mu.Unlock()
    }
复制代码

timerCtx内嵌了cancelCtx,说明timerCtx也实现了canceler接口, 从源码中可以看出,cancel()是重新实现了,String/Deadline都重新实现了.

cancel()中额外添加了定时器的停止操作.

这里没有deadline设置和定时器timer开启的操作,会放在With-系列函数中.

回顾一下: Context的deadline是机会取消信号实现的.

valueCtx

valueCtx和timerCtx不同,是直接基于Context的.

type valueCtx struct {
  Context
  key, val interface{}
}
复制代码

一个valueCtx附加了一个kv对.实现了Value和String.

    func stringify(v interface{}) string {
      switch s := v.(type) {
      case stringer:
        return s.String()
      case string:
        return s
      }
      return "<not Stringer>"
    }
    func (c *valueCtx) String() string {
      return contextName(c.Context) + ".WithValue(type " +
        reflectlite.TypeOf(c.key).String() +
        ", val " + stringify(c.val) + ")"
    }
    func (c *valueCtx) Value(key interface{}) interface{} {
      if c.key == key {
        return c.val
      }
      return c.Context.Value(key)
    }
复制代码

因为valueCtx.val类型是接口类型interface{},所以获取具体值时, 使用了switch type.

With-系列函数

支持取消信号 WithCancel:

var Canceled = errors.New("context canceled")
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) }
}
复制代码

派生一个支持取消信号的Context,类型是cancelCtx,CancelFunc是取消操作, 具体是调用cancelCtx.cancel()函数,err参数是Canceled.

    func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
      done := parent.Done()
      if done == nil {
        return // parent is never canceled
      }

      select {
      case <-done:
        // parent is already canceled
        child.cancel(false, parent.Err())
        return
      default:
      }

      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{})
          }
          p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
      } else {
        atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
        go func() {
          select {
          case <-parent.Done():
            child.cancel(false, parent.Err())
          case <-child.Done():
          }
        }()
      }
    }
复制代码

传播取消信号.如果父Context不支持取消信号,那就不传播. 如果父Context的取消信号已经触发(就是父Context的done信道已经触发或关闭), 之后判断父Context是不是cancelCtx,如果是就将此Context丢到children中, 如果父Context不是cancelCtx,那就起协程监听父子Context的done信道.

小技巧:

select {
case <-done:
  child.cancel(false, parent.Err())
  return
default:
}
复制代码

不加default,会等到done信道有动作;加了会立马判断done信道,done没操作就结束select.

select {
case <-parent.Done():
  child.cancel(false, parent.Err())
case <-child.Done():
}
复制代码

这个会等待,因为没有加default.

因为顶层Context目前只能是background和todo,不是cancelCtx, 所以顶层Context的直接派生Context不会触发propagateCancel中的和children相关操作, 至少得3代及以后才有可能.

WithCancel的取消操作会释放相关资源,所以在上下文操作完之后,最好尽快触发取消操作. 触发的方式是:done信道触发,要么有数据,要么被关闭.

支持截至日期 WithDeadline:

    func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
      if parent == nil {
        panic("cannot create context from nil parent")
      }
      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,
      }
      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) }
    }
复制代码

With-系列函数用于生成派生Context,函数内部第一步都是判断父Context是否为nil, WithDeadline第二步是判断父Context是否支持deadline,支持就将取消信号传递给派生Context, 如果不支持,就为当前派生Context支持deadline.

先理一下思路,目前Context的实现类型有4个:emptyCtx/cancelCtx/timerCtx/valueCtx, 除了emptyCtx,实现Deadline()方法的只有timerCtx,(ps:这里的实现特指有业务意义的实现), 唯一可以构造timerCtx的只有WithDeadline的第二步中. 这么说来,顶层Context不支持deadline,最多第二层派生支持deadline的Context, 第三层派生用于将取消信号进行传播.

WithCancel上面已经分析了,派生一个支持取消信号的Context,并将父Context的取消信号 传播到派生Context(ps:这么说有点绕,简单点讲就是将派生Context添加到父Context的children), 下面看看第一个构造支持deadline的过程.

构造timerCtx,传播取消信号,判断截至日期是否已过,如果没过,利用time.AfterFunc创建定时器, 设置定时触发的协程处理,之后返回派生Context和取消函数.

可以看到,整个WithDeadline是基于WithCancel实现的,截至日期到期后,利用取消信号来做后续处理.

因为timerCtx是内嵌了cancelCtx,所以有一个派生Context是可以同时支持取消和deadline的, 后面的value支持也是如此.

WithDeadline的注释说明: 派生Context的deadline不晚于参数,如果参数晚于父Context支持的deadline,使用父Context的deadline, 如果参数指定的比父Context早,或是父Context不支持deadline,那么派生Context会构造一个新的timerCtx. 父Context的取消/派生Context的取消/或者deadline的过期,都会触发取消信号对应的操作执行, 具体就是Done()信道会被关闭.

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

WitchTimeout是基于WithDeadline实现的,是一种扩展,从设计上可以不加,但加了会增加调用者的便捷. WithTimeout可用在"慢操作"上.上下文使用完之后,应该立即调用取消操作来释放资源.

支持值WitchValue:

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}
}
复制代码

只要是key能比较,就构造一个valueCtx,用Value()获取值时,如果和当前派生Context的key不匹配, 就会和父Context的key做匹配,如果不匹配,最后顶层Context会返回nil.

总结一下:如果是Value(),会一直通过派生Context找到顶层Context; 如果是deadline,会返回当前派生Context的deadline,但会受到父Context的deadline和取消影响; 如果是取消函数,会将传播取消信号的相关Context都做取消操作. 最重要的是Context是一个树形结构,可以组成很复杂的结构.

到目前为止,只了解了包的内部实现(顶层Context的构造/With-系列函数的派生), 具体使用,需要看例子和实际测试.

ps:一个包内部如何复杂,对外暴露一定要简洁.一个包是无法设计完美的,但是约束可以, 当大家都接受一个包,并接受使用包的规则时,这个包就成功了,context就是典型.

对于值,可以用WithValue派生,用Value取; 对于cancel/deadline,可以用WithDeadline/WithTimeout派生,通过Done信号获取结束信号, 也可以手动用取消函数来触发取消操作.整个包的功能就这么简单.

扩展功能以及如何扩展

扩展功能现在支持取消/deadline/value,扩展这个层级不应该放在这个包, 扩展Context,也就是新建Context的实现类型,这个是可以的, 同样实现类型需要承载扩展功能,也不合适.

type canceler interface {
  cancel(removeFromParent bool, err error)
  Done() <-chan struct{}
}
复制代码

接口canceler是保证取消信号可以在链上传播,cancel方法由cancelCtx/timerCtx实现, Done只由cancelCtx创建done信道,不管是从功能上还是方法上都没有扩展的必要.

剩下的就是Value扩展成多kv对,这个主要还是要看应用场景.

补充

Context被取消后Err返回Canceled错误,超时之后Err返回DeadlineExceeded错误, 这个DeadlineExceeded还有些说法:

  var DeadlineExceeded error = deadlineExceededError{}

  type deadlineExceededError struct{}
  func (deadlineExceededError) Error() string {
    return "context deadline exceeded"
  }
  func (deadlineExceededError) Timeout() bool   { return true }
  func (deadlineExceededError) Temporary() bool { return true }
复制代码

再看看net.Error接口:

type Error interface {
  error
  Timeout() bool   // Is the error a timeout?
  Temporary() bool // Is the error temporary?
}
复制代码

context中的DeadlineExceeded默认是实现了net.Error接口的实例. 这个是为后面走网络超时留下的扩展.

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转载自juejin.im/post/7061558176856047647
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