小白也能看懂的context包详解：从入门到精通

原创

Golang梦工厂 2022-09-23 16:49:41 ©著作权

文章标签 go java golang python 编程语言 文章分类 后端开发

©著作权归作者所有：来自51CTO博客作者Golang梦工厂的原创作品，请联系作者获取转载授权，否则将追究法律责任

前言

哈喽，大家好，我是asong。今天想与大家分享context包，经过一年的沉淀，重新出发，基于Go1.17.1从源码角度再次分析，不过这次不同的是，我打算先从入门开始，因为大多数初学的读者都想先知道怎么用，然后才会关心源码是如何实现的。

相信大家在日常工作开发中一定会看到这样的代码：

func a1(ctx context ...){
  b1(ctx)
}
func b1(ctx context ...){
  c1(ctx)
}
func c1(ctx context ...)

context被当作第一个参数（官方建议），并且不断透传下去，基本一个项目代码中到处都是context，但是你们真的知道它有何作用吗以及它是如何起作用的吗？我记得我第一次接触context时，同事都说这个用来做并发控制的，可以设置超时时间，超时就会取消往下执行，快速返回，我就单纯的认为只要函数中带着context参数往下传递就可以做到超时取消，快速返回。相信大多数初学者也都是和我一个想法，其实这是一个错误的思想，其取消机制采用的也是通知机制，单纯的透传并不会起作用，比如你这样写代码：

func main()  {
 ctx,cancel := context.WithTimeout(context.Background(),10 * time.Second)
 defer cancel()
 go Monitor(ctx)

 time.Sleep(20 * time.Second)
}

func Monitor(ctx context.Context)  {
 for {
  fmt.Print("monitor")
 }
}

即使context透传下去了，没有监听取消信号也是不起任何作用的。所以了解context的使用还是很有必要的，本文就先从使用开始，逐步解析Go语言的context包，下面我们就开始喽！！！

`context`包的起源与作用

看官方博客我们可以知道context包是在go1.7版本中引入到标准库中的：

小白也能看懂的context包详解：从入门到精通_golang

context可以用来在goroutine之间传递上下文信息，相同的context可以传递给运行在不同goroutine中的函数，上下文对于多个goroutine同时使用是安全的，context包定义了上下文类型，可以使用background、TODO创建一个上下文，在函数调用链之间传播context，也可以使用WithDeadline、WithTimeout、WithCancel 或 WithValue 创建的修改副本替换它，听起来有点绕，其实总结起就是一句话：context的作用就是在不同的goroutine之间同步请求特定的数据、取消信号以及处理请求的截止日期。

目前我们常用的一些库都是支持context的，例如gin、database/sql等库都是支持context的，这样更方便我们做并发控制了，只要在服务器入口创建一个context上下文，不断透传下去即可。

`context`的使用

创建`context`

context包主要提供了两种方式创建context:

context.Backgroud()
context.TODO()

这两个函数其实只是互为别名，没有差别，官方给的定义是：

context.Background 是上下文的默认值，所有其他的上下文都应该从它衍生（Derived）出来。
context.TODO 应该只在不确定应该使用哪种上下文时使用；

所以在大多数情况下，我们都使用context.Background作为起始的上下文向下传递。

上面的两种方式是创建根context，不具备任何功能，具体实践还是要依靠context包提供的With系列函数来进行派生：

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)
func WithDeadline(parent Context, deadline time.Time) (Context, CancelFunc)
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)
func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context

这四个函数都要基于父Context衍生，通过这些函数，就创建了一颗Context树，树的每个节点都可以有任意多个子节点，节点层级可以有任意多个，画个图表示一下：

小白也能看懂的context包详解：从入门到精通_golang_02

基于一个父Context可以随意衍生，其实这就是一个Context树，树的每个节点都可以有任意多个子节点，节点层级可以有任意多个，每个子节点都依赖于其父节点，例如上图，我们可以基于Context.Background衍生出四个子context：ctx1.0-cancel、ctx2.0-deadline、ctx3.0-timeout、ctx4.0-withvalue，这四个子context还可以作为父context继续向下衍生，即使其中ctx1.0-cancel 节点取消了，也不影响其他三个父节点分支。

创建context方法和context的衍生方法就这些，下面我们就一个一个来看一下他们如何被使用。

`WithValue`携带数据

我们日常在业务开发中都希望能有一个trace_id能串联所有的日志，这就需要我们打印日志时能够获取到这个trace_id，在python中我们可以用gevent.local来传递，在java中我们可以用ThreadLocal来传递，在Go语言中我们就可以使用Context来传递，通过使用WithValue来创建一个携带trace_id的context，然后不断透传下去，打印日志时输出即可，来看使用例子：

const (
 KEY = "trace_id"
)

func NewRequestID() string {
 return strings.Replace(uuid.New().String(), "-", "", -1)
}

func NewContextWithTraceID() context.Context {
 ctx := context.WithValue(context.Background(), KEY,NewRequestID())
 return ctx
}

func PrintLog(ctx context.Context, message string)  {
 fmt.Printf("%s|info|trace_id=%s|%s",time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05") , GetContextValue(ctx, KEY), message)
}

func GetContextValue(ctx context.Context,k string)  string{
 v, ok := ctx.Value(k).(string)
 if !ok{
  return ""
 }
 return v
}

func ProcessEnter(ctx context.Context) {
 PrintLog(ctx, "Golang梦工厂")
}


func main()  {
 ProcessEnter(NewContextWithTraceID())
}

输出结果：

2021-10-31 15:13:25|info|trace_id=7572e295351e478e91b1ba0fc37886c0|Golang梦工厂
Process finished with the exit code 0

我们基于context.Background创建一个携带trace_id的ctx，然后通过context树一起传递，从中派生的任何context都会获取此值，我们最后打印日志的时候就可以从ctx中取值输出到日志中。目前一些RPC框架都是支持了Context，所以trace_id的向下传递就更方便了。

在使用withVaule时要注意四个事项：

不建议使用context值传递关键参数，关键参数应该显示的声明出来，不应该隐式处理，context中最好是携带签名、trace_id这类值。
因为携带value也是key、value的形式，为了避免context因多个包同时使用context而带来冲突，key建议采用内置类型。
上面的例子我们获取trace_id是直接从当前ctx获取的，实际我们也可以获取父context中的value，在获取键值对是，我们先从当前context中查找，没有找到会在从父context中查找该键对应的值直到在某个父context中返回 nil 或者查找到对应的值。
context传递的数据中key、value都是interface类型，这种类型编译期无法确定类型，所以不是很安全，所以在类型断言时别忘了保证程序的健壮性。

超时控制

通常健壮的程序都是要设置超时时间的，避免因为服务端长时间响应消耗资源，所以一些web框架或rpc框架都会采用withTimeout或者withDeadline来做超时控制，当一次请求到达我们设置的超时时间，就会及时取消，不在往下执行。withTimeout和withDeadline作用是一样的，就是传递的时间参数不同而已，他们都会通过传入的时间来自动取消Context，这里要注意的是他们都会返回一个cancelFunc方法，通过调用这个方法可以达到提前进行取消，不过在使用的过程还是建议在自动取消后也调用cancelFunc去停止定时减少不必要的资源浪费。

withTimeout、WithDeadline不同在于WithTimeout将持续时间作为参数输入而不是时间对象，这两个方法使用哪个都是一样的，看业务场景和个人习惯了，因为本质withTimout内部也是调用的WithDeadline。

现在我们就举个例子来试用一下超时控制，现在我们就模拟一个请求写两个例子：

达到超时时间终止接下来的执行

func main()  {
 HttpHandler()
}

func NewContextWithTimeout() (context.Context,context.CancelFunc) {
 return context.WithTimeout(context.Background(), 3 * time.Second)
}

func HttpHandler()  {
 ctx, cancel := NewContextWithTimeout()
 defer cancel()
 deal(ctx)
}

func deal(ctx context.Context)  {
 for i:=0; i< 10; i++ {
  time.Sleep(1*time.Second)
  select {
  case <- ctx.Done():
   fmt.Println(ctx.Err())
   return
  default:
   fmt.Printf("deal time is %d\n", i)
  }
 }
}

输出结果：

deal time is 0
deal time is 1
context deadline exceeded

没有达到超时时间终止接下来的执行

func main()  {
 HttpHandler1()
}

func NewContextWithTimeout1() (context.Context,context.CancelFunc) {
 return context.WithTimeout(context.Background(), 3 * time.Second)
}

func HttpHandler1()  {
 ctx, cancel := NewContextWithTimeout1()
 defer cancel()
 deal1(ctx, cancel)
}

func deal1(ctx context.Context, cancel context.CancelFunc)  {
 for i:=0; i< 10; i++ {
  time.Sleep(1*time.Second)
  select {
  case <- ctx.Done():
   fmt.Println(ctx.Err())
   return
  default:
   fmt.Printf("deal time is %d\n", i)
   cancel()
  }
 }
}

输出结果：

deal time is 0
context canceled

使用起来还是比较容易的，既可以超时自动取消，又可以手动控制取消。这里大家要记的一个坑，就是我们往从请求入口透传的调用链路中的context是携带超时时间的，如果我们想在其中单独开一个goroutine去处理其他的事情并且不会随着请求结束后而被取消的话，那么传递的context要基于context.Background或者context.TODO重新衍生一个传递，否决就会和预期不符合了，可以看一下我之前的一篇踩坑文章：context使用不当引发的一个bug

`withCancel`取消控制

日常业务开发中我们往往为了完成一个复杂的需求会开多个gouroutine去做一些事情，这就导致我们会在一次请求中开了多个goroutine确无法控制他们，这时我们就可以使用withCancel来衍生一个context传递到不同的goroutine中，当我想让这些goroutine停止运行，就可以调用cancel来进行取消。

来看一个例子：

func main()  {
 ctx,cancel := context.WithCancel(context.Background())
 go Speak(ctx)
 time.Sleep(10*time.Second)
 cancel()
 time.Sleep(1*time.Second)
}

func Speak(ctx context.Context)  {
 for range time.Tick(time.Second){
  select {
  case <- ctx.Done():
   fmt.Println("我要闭嘴了")
   return
  default:
   fmt.Println("balabalabalabala")
  }
 }
}

运行结果：

balabalabalabala
....省略
balabalabalabala
我要闭嘴了

我们使用withCancel创建一个基于Background的ctx，然后启动一个讲话程序，每隔1s说一话，main函数在10s后执行cancel，那么speak检测到取消信号就会退出。

自定义`Context`

因为Context本质是一个接口，所以我们可以通过实现Context达到自定义Context的目的，一般在实现Web框架或RPC框架往往采用这种形式，比如gin框架的Context就是自己有封装了一层，具体代码和实现就贴在这里，有兴趣可以看一下gin.Context是如何实现的。

源码赏析

Context其实就是一个接口，定义了四个方法：

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

Deadlne方法：当Context自动取消或者到了取消时间被取消后返回
Done方法：当Context被取消或者到了deadline返回一个被关闭的channel
Err方法：当Context被取消或者关闭后，返回context取消的原因
Value方法：获取设置的key对应的值

这个接口主要被三个类继承实现，分别是emptyCtx、ValueCtx、cancelCtx，采用匿名接口的写法，这样可以对任意实现了该接口的类型进行重写。

下面我们就从创建到使用来层层分析。

创建根`Context`

其在我们调用context.Background、context.TODO时创建的对象就是empty：

var (
 background = new(emptyCtx)
 todo       = new(emptyCtx)
)

func Background() Context {
 return background
}

func TODO() Context {
 return todo
}

Background和TODO还是一模一样的，官方说：background它通常由主函数、初始化和测试使用，并作为传入请求的顶级上下文；TODO是当不清楚要使用哪个 Context 或尚不可用时，代码应使用 context.TODO，后续在在进行替换掉，归根结底就是语义不同而已。

`emptyCtx`类

emptyCtx主要是给我们创建根Context时使用的，其实现方法也是一个空结构，实际源代码长这样：

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"
}

`WithValue`的实现

withValue内部主要就是调用valueCtx类：

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}
}

`valueCtx`类

valueCtx目的就是为Context携带键值对，因为它采用匿名接口的继承实现方式，他会继承父Context，也就相当于嵌入Context当中了

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

实现了String方法输出Context和携带的键值对信息：

func (c *valueCtx) String() string {
 return contextName(c.Context) + ".WithValue(type " +
  reflectlite.TypeOf(c.key).String() +
  ", val " + stringify(c.val) + ")"
}

实现Value方法来存储键值对：

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

看图来理解一下：

小白也能看懂的context包详解：从入门到精通_编程语言_03

所以我们在调用Context中的Value方法时会层层向上调用直到最终的根节点，中间要是找到了key就会返回，否会就会找到最终的emptyCtx返回nil。

`WithCancel`的实现

我们来看一下WithCancel的入口函数源代码：

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) }
}

这个函数执行步骤如下：

创建一个cancelCtx对象，作为子context
然后调用propagateCancel构建父子context之间的关联关系，这样当父context被取消时，子context也会被取消。
返回子context对象和子树取消函数

我们先分析一下cancelCtx这个类。

`cancelCtx`类

cancelCtx继承了Context，也实现了接口canceler:

type cancelCtx struct {
 Context

 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
}

字短解释：

mu：就是一个互斥锁，保证并发安全的，所以context是并发安全的
done：用来做context的取消通知信号，之前的版本使用的是chan struct{}类型，现在用atomic.Value做锁优化
children：key是接口类型canceler，目的就是存储实现当前canceler接口的子节点，当根节点发生取消时，遍历子节点发送取消信号
error：当context取消时存储取消信息

这里实现了Done方法，返回的是一个只读的channel，目的就是我们在外部可以通过这个阻塞的channel等待通知信号。

具体代码就不贴了。我们先返回去看propagateCancel是如何做构建父子Context之间的关联。

`propagateCancel`方法

代码有点长，解释有点麻烦，我把注释添加到代码中看起来比较直观：

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
  // 如果返回nil，说明当前父`context`从来不会被取消，是一个空节点，直接返回即可。
 done := parent.Done()
 if done == nil {
  return // parent is never canceled
 }

  // 提前判断一个父context是否被取消，如果取消了也不需要构建关联了，
  // 把当前子节点取消掉并返回
 select {
 case <-done:
  // parent is already canceled
  child.cancel(false, parent.Err())
  return
 default:
 }

  // 这里目的就是找到可以“挂”、“取消”的context
 if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
  p.mu.Lock()
    // 找到了可以“挂”、“取消”的context，但是已经被取消了，那么这个子节点也不需要
    // 继续挂靠了，取消即可
  if p.err != nil {
   child.cancel(false, p.err)
  } else {
      // 将当前节点挂到父节点的childrn map中，外面调用cancel时可以层层取消
   if p.children == nil {
        // 这里因为childer节点也会变成父节点，所以需要初始化map结构
    p.children = make(map[canceler]struct{})
   }
   p.children[child] = struct{}{}
  }
  p.mu.Unlock()
 } else {
    // 没有找到可“挂”，“取消”的父节点挂载，那么就开一个goroutine
  atomic.AddInt32(&goroutines, +1)
  go func() {
   select {
   case <-parent.Done():
    child.cancel(false, parent.Err())
   case <-child.Done():
   }
  }()
 }
}

这段代码真正产生疑惑的是这个if、else分支。不看代码了，直接说为什么吧。因为我们可以自己定制context，把context塞进一个结构时，就会导致找不到可取消的父节点，只能重新起一个协程做监听。

对这块有迷惑的推荐阅读饶大大文章：[深度解密Go语言之context，定能为你排忧解惑。

`cancel`方法

最后我们再来看一下返回的cancel方法是如何实现，这个方法会关闭上下文中的 Channel 并向所有的子上下文同步取消信号：

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
  // 取消时传入的error信息不能为nil, context定义了默认error:var Canceled = errors.New("context canceled")
 if err == nil {
  panic("context: internal error: missing cancel error")
 }
  // 已经有错误信息了，说明当前节点已经被取消过了
 c.mu.Lock()
 if c.err != nil {
  c.mu.Unlock()
  return // already canceled
 }
  
 c.err = err
  // 用来关闭channel，通知其他协程
 d, _ := c.done.Load().(chan struct{})
 if d == nil {
  c.done.Store(closedchan)
 } else {
  close(d)
 }
  // 当前节点向下取消，遍历它的所有子节点，然后取消
 for child := range c.children {
  // NOTE: acquiring the child's lock while holding parent's lock.
  child.cancel(false, err)
 }
  // 节点置空
 c.children = nil
 c.mu.Unlock()
  // 把当前节点从父节点中移除，只有在外部父节点调用时才会传true
  // 其他都是传false，内部调用都会因为c.children = nil被剔除出去
 if removeFromParent {
  removeChild(c.Context, c)
 }
}

到这里整个WithCancel方法源码就分析好了，通过源码我们可以知道cancel方法可以被重复调用，是幂等的。

`withDeadline`、`WithTimeout`的实现

先看WithTimeout方法，它内部就是调用的WithDeadline方法：

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

所以我们重点来看withDeadline是如何实现的：

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
  // 不能为空`context`创建衍生context
 if parent == nil {
  panic("cannot create context from nil parent")
 }
  
  // 当父context的结束时间早于要设置的时间，则不需要再去单独处理子节点的定时器了
 if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {
  // The current deadline is already sooner than the new one.
  return WithCancel(parent)
 }
  // 创建一个timerCtx对象
 c := &timerCtx{
  cancelCtx: newCancelCtx(parent),
  deadline:  d,
 }
  // 将当前节点挂到父节点上
 propagateCancel(parent, c)
  
  // 获取过期时间
 dur := time.Until(d)
  // 当前时间已经过期了则直接取消
 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()
  // 如果没被取消，则直接添加一个定时器，定时去取消
 if c.err == nil {
  c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
   c.cancel(true, DeadlineExceeded)
  })
 }
 return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

withDeadline相较于withCancel方法也就多了一个定时器去定时调用cancel方法，这个cancel方法在timerCtx类中进行了重写，我们先来看一下timerCtx类，他是基于cancelCtx的，多了两个字段：

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

 deadline time.Time
}

timerCtx实现的cancel方法，内部也是调用了cancelCtx的cancel方法取消：

func (c *timerCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
  // 调用cancelCtx的cancel方法取消掉子节点context
 c.cancelCtx.cancel(false, err)
  // 从父context移除放到了这里来做
 if removeFromParent {
  // Remove this timerCtx from its parent cancelCtx's children.
  removeChild(c.cancelCtx.Context, c)
 }
  // 停掉定时器，释放资源
 c.mu.Lock()
 if c.timer != nil {
  c.timer.Stop()
  c.timer = nil
 }
 c.mu.Unlock()
}

终于源码部分我们就看完了，现在你何感想？

`context`的优缺点

context包被设计出来就是做并发控制的，这个包有利有弊，个人总结了几个优缺点，欢迎评论区补充。

缺点

影响代码美观，现在基本所有web框架、RPC框架都是实现了context，这就导致我们的代码中每一个函数的一个参数都是context，即使不用也要带着这个参数透传下去，个人觉得有点丑陋。
context可以携带值，但是没有任何限制，类型和大小都没有限制，也就是没有任何约束，这样很容易导致滥用，程序的健壮很难保证；还有一个问题就是通过context携带值不如显式传值舒服，可读性变差了。
可以自定义context，这样风险不可控，更加会导致滥用。
context取消和自动取消的错误返回不够友好，无法自定义错误，出现难以排查的问题时不好排查。
创建衍生节点实际是创建一个个链表节点，其时间复杂度为O(n)，节点多了会掉支效率变低。

优点

使用context可以更好的做并发控制，能更好的管理goroutine滥用。
context的携带者功能没有任何限制，这样我我们传递任何的数据，可以说这是一把双刃剑
网上都说context包解决了goroutine的cancelation问题，你觉得呢？

参考文章

https://pkg.go.dev/context@go1.7beta1#Background

https://studygolang.com/articles/21531

https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch06-concurrency/golang-context/

https://www.flysnow.org/2017/05/12/go-in-action-go-context.html

总结

context虽然在使用上丑陋了一点，但是他却能解决很多问题，日常业务开发中离不开context的使用，不过也别使用错了context，其取消也采用的channel通知，所以代码中还有要有监听代码来监听取消信号，这点也是经常被广大初学者容易忽视的一个点。

文中示例已上传github：https://github.com/asong2020/Golang_Dream/tree/master/code_demo/context_example

小白也能看懂的context包详解：从入门到精通_go_04

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