图解Go语言的context了解编程语言核心实现源码

基础筑基

基于线程的编程语言中的一些设计

ThreadGroup

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ThreadGroup是基于线程并发的编程语言中常用的一个概念,当一个线程派生出一个子线程后通常会加入父线程的线程组(未指定线程组的情况下)中, 最后可以通过ThreadGroup来控制一组线程的退出等操作, 然后在go语言中goroutine没有明确的这种parent/children的关系,如果想退出当前调用链上的所有goroutine则需要用到context

ThreadLocal

在基于线程的编程语言语言中,通常可以基于ThreadLocal来进行一些线程本地的存储,本质上是通过一个Map来进行key/value的存储,而在go里面并没有ThreadLocal的设计,在key/value传递的时候,除了通过参数来进行传递,也可以通过context来进行上下文信息的传递

context典型应用场景

场景 实现 原理
上下文信息传递 WithValue 通过一个内部的key/value属性来进行键值对的保存,不可修改,只能通过覆盖的方式来进行值得替换
退出通知 WithCancel 通过监听通知的channel来进行共同退出的通知

上下文数据的递归获取

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因为在go的context里面并没有使用map进行数据保存,所以实际获取的时候,是从当前层开始逐层的进行向上递归,直至找到某个匹配的key

其实我们类比ThreadGroup,因为goroutine本身并没有上下级的概念,但其实我们可以通过context来实现传递数据的父子关系,可以在一个goroutine中设定context数据,然后传递给派生出来的goroutine

取消的通知

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既然通过context来构建parent/child的父子关系,在实现的过程中context会向parent来注册自身,当我们取消某个parent的goroutine, 实际上上会递归层层cancel掉自己的child context的done chan从而让整个调用链中所有监听cancel的goroutine退出

那如果一个child context的done chan为被初始化呢?那怎么通知关闭呢,那直接给你一个closedchan已经关闭的channel那是不是就可以了呢

带有超时context

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如果要实现一个超时控制,通过上面的context的parent/child机制,其实我们只需要启动一个定时器,然后在超时的时候,直接将当前的context给cancel掉,就可以实现监听在当前和下层的额context.Done()的goroutine的退出

Background与TODO

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Backgroud其实从字面意思就很容易理解,其实构建一个context对象作为root对象,其本质上是一个共享的全局变量,通常在一些系统处理中,我们都可以使用该对象作为root对象,并进行新context的构建来进行上下文数据的传递和统一的退出控制

那TODO呢?通常我们会给自己立很多的todo list,其实这里也一样,我们虽然构建了很多的todo list, 但大多数人其实啥也不会做,在很多的函数调用的过程中都会传递但是通常又不会使用,比如你既不会监听退出,也不会从里面获取数据,TODO跟Background一样,其背后也是返回一个全局变量

不可变性

通常我们使用context都是做位一个上下文的数据传递,比如一次http request请求的处理,但是如果当这次请求处理完成,其context就失去了意义,后续不应该继续重复使用一个context, 之前如果超时或者已经取消,则其状态不会发生改变

源码实现

context接口

type Context interface {
    // Deadline返回一个到期的timer定时器,以及当前是否以及到期
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)

    // Done在当前上下文完成后返回一个关闭的通道,代表当前context应该被取消,以便goroutine进行清理工作
    // WithCancel:负责在cancel被调用的时候关闭Done
    // WithDeadline: 负责在最后其期限过期时关闭Done
    // WithTimeout:负责超时后关闭done
    Done() <-chan struct{}

    // 如果Done通道没有被关闭则返回nil
    // 否则则会返回一个具体的错误
    // Canceled 被取消
    // DeadlineExceeded 过期
    Err() error
    // 返回对应key的value
    Value(key interface{}) interface{}
}

emptyCtx

emptyCtx是一个不会被取消、没有到期时间、没有值、不会返回错误的context实现,其主要作为context.Background()和context.TODO()返回这种root context或者不做任何操作的context

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"
}

比较有意思的实现时emptyCtx的String方法,该方法可以返回当前context的具体类型,比如是Background还是TODO, 因为background和todo是两个全局变量,这里通过取其地址来进行对应类型的判断

cancelCtx

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结构体

cancelCtx结构体内嵌了一个Context对象,即其parent context,同时内部还通过children来保存所有可以被取消的context的接口,后续当当前context被取消的时候,只需要调用所有canceler接口的context就可以实现当前调用链的取消

type cancelCtx struct {
    Context

    mu       sync.Mutex            // protects following fields 保护属性
    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
}

Done

Done操作返回当前的一个chan 用于通知goroutine退出


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
}

cancel

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    if err == nil {
        panic("context: internal error: missing cancel error")
    }
    // context一旦被某个操作操作触发取消后,就不会在进行任何状态的修改
    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当前chan
        close(c.done)
    }
    // 调用所有children取消
    for child := range c.children {
        child.cancel(false, err)
    }
    c.children = nil
    c.mu.Unlock()

    // 是否需要从parent context中移除,如果是当前context的取消操作,则需要进行该操作
    // 否则,则上层context会主动进行child的移除工作
    if removeFromParent {
        removeChild(c.Context, c)
    }
}

timerCtx

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timerCtx主要是用于实现WithDeadline和WithTimer两个context实现,其继承了cancelCtx接口,同时还包含一个timer.Timer定时器和一个deadline终止实现

2.4.1 结构体

timerCtx

type timerCtx struct {
    cancelCtx
    timer *time.Timer // timer定时器

    deadline time.Time //终止时间
}

取消方法

取消方法就很简单了首先进行cancelCtx的取消流程,然后进行自身的定时器的Stop操作,这样就可以实现取消了

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() // 停止定时器
        c.timer = nil
    }
    c.mu.Unlock()
}

valueCtx

其内部通过一个key/value进行值得保存,如果当前context不包含着值就会层层向上递归

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

func (c *valueCtx) String() string {
    return fmt.Sprintf("%v.WithValue(%#v, %#v)", c.Context, c.key, c.val)
}

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

propagateCancel

设计目标

propagateCancel主要设计目标就是当parent context取消的时候,进行child context的取消, 这就会有两种模式:
1.parent取消的时候通知child进行cancel取消
2.parent取消的时候调用child的层层递归取消

parentCancelCtx

context可以任意嵌套组成一个N层树形结构的context, 结合上面的两种模式,当能找到parent为cancelCtx、timerCtx任意一种的时候,就采用第二种模式,由parent来调用child的cancel完成整个调用链的退出,反之则采用第一种模式监听Done

func parentCancelCtx(parent Context) (*cancelCtx, bool) {
    for {
        switch c := parent.(type) {
        case *cancelCtx:
            return c, true  // 找到最近支持cancel的parent,由parent进行取消操作的调用
        case *timerCtx:
            return &c.cancelCtx, true // 找到最近支持cancel的parent,由parent进行取消操作的调用
        case *valueCtx:
            parent = c.Context // 递归
        default:
            return nil, false
        }
    }
}

核心实现

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    if parent.Done() == nil {
        return // parent is never canceled
    }
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        p.mu.Lock()
        if p.err != nil {
            // parent has already been canceled
            // 如果发现parent已经取消就直接进行取消
            child.cancel(false, p.err)
        } else {
            if p.children == nil {
                p.children = make(map[canceler]struct{})
            }
            // 否则加入parent的children map中
            p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
    } else {
        go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                // 监听parent DOne完成, 此处也不会向parent进行注册
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }
}

WithDeadline

有了上面的基础学习WithDeadline,就简单了许多, WithDeadline会给定一个截止时间, 可以通过当前时间计算需要等待多长时间取消即可

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,
    }
    // 监听parent的取消,或者向parent注册自身
    propagateCancel(parent, c)
    dur := time.Until(d)
    if dur <= 0 {
        // 已经过期
        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() {
            // 构建一个timer定时器,到期后自动调用cancel取消
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    // 返回取消函数
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

原文链接 http://www.sreguide.com/go/context.html
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