Go进阶01:golang context 用法详解

1 前言

最近实现系统的分布式日志与事务管理时,在寻求所谓的全局唯一Goroutine ID无果之后,决定还是简单利用Context机制实现了基本的想法,不够高明,但是好用.于是对它当初的设计比较好奇,便有了此文.

Context是golang官方定义的一个package,它定义了Context类型,里面包含了Deadline/Done/Err方法以及绑定到Context上的成员变量值Value,具体定义如下:

type Context interface {
    // 返回Context的超时时间(超时返回场景)
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    // 在Context超时或取消时(即结束了)返回一个关闭的channel
    // 即如果当前Context超时或取消时,Done方法会返回一个channel,然后其他地方就可以通过判断Done方法是否有返回(channel),如果有则说明Context已结束
    // 故其可以作为广播通知其他相关方本Context已结束,请做相关处理.
    Done() <-chan struct{}

    // 返回Context取消的原因
    Err() error

    // 返回Context相关数据
    Value(key interface{}) interface{}
}

那么到底什么Context?

可以字面意思可以理解为上下文,比较熟悉的有进程/线程上线文,关于golang中的上下文,一句话概括就是: goroutine的相关环境快照,其中包含函数调用以及涉及的相关的变量值.
通过Context可以区分不同的goroutine请求,因为在golang Severs中,每个请求都是在单个goroutine中完成的.

最近在公司分析gRPC源码,proto文件生成的代码,接口函数第一个参数统一是ctx context.Context接口,公司不少同事都不了解这样设计的出发点是什么,其实我也不了解其背后的原理.今天趁着妮妲台风妹子正面登陆深圳,全市停工、停课、停业,在家休息找了一些资料研究把玩一把.

Context通常被译作上下文,它是一个比较抽象的概念.在公司技术讨论时也经常会提到上下文.一般理解为程序单元的一个运行状态、现场、快照,而翻译中上下又很好地诠释了其本质,上下上下则是存在上下层的传递,上会把内容传递给下.在Go语言中,程序单元也就指的是Goroutine.

每个Goroutine在执行之前,都要先知道程序当前的执行状态,通常将这些执行状态封装在一个Context变量中,传递给要执行的Goroutine中. 上下文则几乎已经成为传递与请求同生存周期变量的标准方法.在网络编程下,当接收到一个网络请求Request,处理Request时,我们可能需要开启不同的Goroutine来获取数据与逻辑处理,即一个请求Request,会在多个Goroutine中处理. 而这些Goroutine可能需要共享Request的一些信息;同时当Request被取消或者超时的时候,所有从这个Request创建的所有Goroutine也应该被结束.

:关于goroutine的理解可以移步这里.

2 为什么使用context

由于在golang severs中,每个request都是在单个goroutine中完成,并且在单个goroutine(不妨称之为A)中也会有请求其他服务(启动另一个goroutine(称之为B)去完成)的场景,这就会涉及多个Goroutine之间的调用.如果某一时刻请求其他服务被取消或者超时,则作为深陷其中的当前goroutine B需要立即退出,然后系统才可回收B所占用的资源.
即一个request中通常包含多个goroutine,这些goroutine之间通常会有交互.

那么,如何有效管理这些goroutine成为一个问题(主要是退出通知和元数据传递问题),Google的解决方法是Context机制,相互调用的goroutine之间通过传递context变量保持关联,这样在不用暴露各goroutine内部实现细节的前提下,有效地控制各goroutine的运行.

如此一来,通过传递Context就可以追踪goroutine调用树,并在这些调用树之间传递通知和元数据.
虽然goroutine之间是平行的,没有继承关系,但是Context设计成是包含父子关系的,这样可以更好的描述goroutine调用之间的树型关系.

3 怎么使用context

生成一个Context主要有两类方法:

3.1 顶层Context:Background

要创建Context树,首先就是要创建根节点

// 返回一个空的Context,它作为所有由此继承Context的根节点
func Background() Context

该Context通常由接收request的第一个goroutine创建,它不能被取消、没有值、也没有过期时间,常作为处理request的顶层context存在.

3.2 下层Context:WithCancel/WithDeadline/WithTimeout

有了根节点之后,接下来就是创建子孙节点.为了可以很好的控制子孙节点,Context包提供的创建方法均是带有第二返回值(CancelFunc类型),它相当于一个Hook,在子goroutine执行过程中,可以通过触发Hook来达到控制子goroutine的目的(通常是取消,即让其停下来).再配合Context提供的Done方法,子goroutine可以检查自身是否被父级节点Cancel:

select { 
    case <-ctx.Done(): 
        // do some clean… 
}

:父节点Context可以主动通过调用cancel方法取消子节点Context,而子节点Context只能被动等待.同时父节点Context自身一旦被取消(如其上级节点Cancel),其下的所有子节点Context均会自动被取消.

有三种创建方法:

// 带cancel返回值的Context,一旦cancel被调用,即取消该创建的context
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) 

// 带有效期cancel返回值的Context,即必须到达指定时间点调用的cacel方法才会被执行
func WithDeadline(parent Context, deadline time.Time) (Context, CancelFunc) 

// 带超时时间cancel返回值的Context,类似Deadline,前者是时间点,后者为时间间隔
// 相当于WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout)).
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)

下面来看改编自Advanced Go Concurrency Patterns视频提供的一个简单例子:

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "time"
)

func someHandler() {
    // 创建继承Background的子节点Context
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    go doSth(ctx)

    //模拟程序运行 - Sleep 5秒
    time.Sleep(5 * time.Second)
    cancel()
}

//每1秒work一下,同时会判断ctx是否被取消,如果是就退出
func doSth(ctx context.Context) {
    var i = 1
    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
        select {
        case <-ctx.Done():
            fmt.Println("done")
            return
        default:
            fmt.Printf("work %d seconds: \n", i)
        }
        i++
    }
}

func main() {
    fmt.Println("start...")
    someHandler()
    fmt.Println("end.")
}

输出结果:

注意,此时doSth方法中case之done的fmt.Println("done")并没有被打印出来.

超时场景:

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "time"
)

func timeoutHandler() {
    // 创建继承Background的子节点Context
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 3*time.Second)
    go doSth(ctx)

    //模拟程序运行 - Sleep 10秒
    time.Sleep(10 * time.Second)
    cancel() // 3秒后将提前取消 doSth goroutine
}

//每1秒work一下,同时会判断ctx是否被取消,如果是就退出
func doSth(ctx context.Context) {
    var i = 1
    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
        select {
        case <-ctx.Done():
            fmt.Println("done")
            return
        default:
            fmt.Printf("work %d seconds: \n", i)
        }
        i++
    }
}

func main() {
    fmt.Println("start...")
    timeoutHandler()
    fmt.Println("end.")
}

输出结果:

4 context是一个优雅的设计吗?

确实,通过引入Context包,一个request范围内所有goroutine运行时的取消可以得到有R效的控制.但是这种解决方式却不够优雅.

4.1 context 像病毒一样扩散

一旦代码中某处用到了Context,传递Context变量(通常作为函数的第一个参数)会像病毒一样蔓延在各处调用它的地方. 比如在一个request中实现数据库事务或者分布式日志记录, 创建的context,会作为参数传递到任何有数据库操作或日志记录需求的函数代码处. 即每一个相关函数都必须增加一个context.Context类型的参数,且作为第一个参数,这对无关代码完全是侵入式的.

更多详细内容可参见:Michal Strba 的context-should-go-away-go2文章

Google Group上的讨论可移步这里.

4.2 Context 不仅仅只是cancel信号

Context机制最核心的功能是在goroutine之间传递cancel信号,但是它的实现是不完全的.

Cancel可以细分为主动与被动两种,通过传递context参数,让调用goroutine可以主动cancel被调用goroutine.但是如何得知被调用goroutine什么时候执行完毕,这部分Context机制是没有实现的.而现实中的确又有一些这样的场景,比如一个组装数据的goroutine必须等待其他goroutine完成才可开始执行,这是context明显不够用了,必须借助sync.WaitGroup.

func serve(l net.Listener) error {
        var wg sync.WaitGroup
        var conn net.Conn
        var err error
        for {
                conn, err = l.Accept()
                if err != nil {
                        break
                }
                wg.Add(1)
                go func(c net.Conn) {
                        defer wg.Done()
                        handle(c)
                }(conn)
        }
        wg.Wait()
        return err
}

4.3 context.value

context.Value相当于goroutine的TLS(Thread Local Storage),但它不是静态类型安全的,任何结构体变量都必须作为字符串形式存储.同时,所有context都会在其中定义变量,很容易造成命名冲突.

5 总结

context包通过构建树型关系的Context,来达到上一层Goroutine能对传递给下一层Goroutine的控制.对于处理一个Request请求操作,需要采用context来层层控制Goroutine,以及传递一些变量来共享.

Context对象的生存周期一般仅为一个请求的处理周期.即针对一个请求创建一个Context变量(它为Context树结构的根);在请求处理结束后,撤销此ctx变量,释放资源.

每次创建一个Goroutine,要么将原有的Context传递给Goroutine,要么创建一个子Context并传递给Goroutine.

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.

当通过父Context对象创建子Context对象时,可同时获得子Context的一个撤销函数,这样父Context对象的创建环境就获得了对子Context将要被传递到的Goroutine的撤销权.

在子Context被传递到的goroutine中,应该对该子Context的Done信道(channel)进行监控,一旦该信道被关闭(即上层运行环境撤销了本goroutine的执行),应主动终止对当前请求信息的处理,释放资源并返回.

6 致谢

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