Golang标准库之context包

在 Go http包的Server中，每一个请求在都有一个对应的 goroutine 去处理。请求处理函数通常会启动额外的 goroutine 用来访问后端服务，比如数据库和RPC服务。用来处理一个请求的 goroutine 通常需要访问一些与请求特定的数据，比如终端用户的身份认证信息、验证相关的token、请求的截止时间。 当一个请求被取消或超时时，所有用来处理该请求的 goroutine 都应该迅速退出，然后系统才能释放这些 goroutine 占用的资源。

一、为什么需要context

1.1 基本示例

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
var wg  sync.WaitGroup
// 初始的例子
func worker() {
    for {
        fmt.Println("worker")
        time.Sleep(time.Second)
    }
    // 如何接收外部命令实现退出
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(1)
    go worker()
    // 如何优雅的实现结束子goroutine
    wg.Wait()
    fmt.Println("over")
}

1.2 全局变量方式

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
var wg sync.WaitGroup
var exit bool
// 全局变量方式存在的问题：
// 1. 使用全局变量在跨包调用时不容易统一
// 2. 如果worker中再启动goroutine，就不太好控制了。
func worker() {
    for {
        fmt.Println("worker")
        time.Sleep(time.Second)
        if exit {
            break
        }
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(1)
    go worker()
    time.Sleep(time.Second * 3) // sleep3秒以免程序过快退出
    exit = true                 // 修改全局变量实现子goroutine的退出
    wg.Wait()
    fmt.Println("over")
}

1.3 通道方式

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
var wg sync.WaitGroup
// 管道方式存在的问题：
// 1. 使用全局变量在跨包调用时不容易实现规范和统一，需要维护一个共用的channel
func worker(exitChan chan struct{}) {
LOOP:
    for {
        fmt.Println("worker")
        time.Sleep(time.Second)
        select {
        case <-exitChan: // 等待接收上级通知
            break LOOP
        default:
        }
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    var exitChan = make(chan struct{})
    wg.Add(1)
    go worker(exitChan)
    time.Sleep(time.Second * 3) // sleep3秒以免程序过快退出
    exitChan <- struct{}{}      // 给子goroutine发送退出信号
    close(exitChan)
    wg.Wait()
    fmt.Println("over")
}

1.4 官方版方案

package main
import (
    "context"
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
var wg sync.WaitGroup
func worker(ctx context.Context) {
LOOP:
    for {
        fmt.Println("worker")
        time.Sleep(time.Second)
        select {
        case <-ctx.Done(): // 等待上级通知
            break LOOP
        default:
        }
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    wg.Add(1)
    go worker(ctx)
    time.Sleep(time.Second * 3)
    cancel() // 通知子goroutine结束
    wg.Wait()
    fmt.Println("over")
}

当子goroutine又开启另外一个goroutine时，只需要将ctx传入即可：

package main
import (
    "context"
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
var wg sync.WaitGroup
func worker(ctx context.Context) {
    go worker2(ctx)
LOOP:
    for {
        fmt.Println("worker")
        time.Sleep(time.Second)
        select {
        case <-ctx.Done(): // 等待上级通知
            break LOOP
        default:
        }
    }
    wg.Done()
}
func worker2(ctx context.Context) {
LOOP:
    for {
       fmt.Println("worker2")
        time.Sleep(time.Second)
        select {
        case <-ctx.Done(): // 等待上级通知
            break LOOP
        default:
        }
    }
}
func main() {
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    wg.Add(1)
    go worker(ctx)
    time.Sleep(time.Second * 3)
    cancel() // 通知子goroutine结束
    wg.Wait()
    fmt.Println("over")
}

二、Context初始

Go1.7加入一个新的标准库context，它定义了Context类型，专门用来简化对于处理单个请求的多个goroutine之间与请求域的数据、取消信号、截止时间等相关操作，这些操作可能涉及多个API调用。
对服务器传入的请求应该创建上下文，而对服务器的传出调用应该接受上下文。它们之间的函数调用链必须传递上下文，或者可以使用WithCancel、WithDeadline、WithTimeout或WithValue创建的派生上下文。当一个上下文被取消时，它派生的所有上下文也被取消。

三、Context接口

context.Context是一个接口，该接口定义了四个需要实现的方法。具体签名如下：

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

其中：

• Deadline方法需要返回当前Context被取消的时间，也就是完成工作的截止时间（deadline）；
• Done方法需要返回一个Channel，这个Channel会在当前工作完成或者上下文被取消之后关闭，多次调用Done方法会返回同一个Channel；
• Err方法会返回当前Context结束的原因，它只会在Done返回的Channel被关闭时才会返回非空的值；
  • 如果当前Context被取消就会返回Canceled错误；
  • 如果当前Context超时就会返回DeadlineExceeded错误；
• Value方法会从Context中返回键对应的值，对于同一个上下文来说，多次调用Value 并传入相同的Key会返回相同的结果，该方法仅用于传递跨API和进程间跟请求域的数据；

3.1 Background()和TODO()

Go内置两个函数：Background()和TODO()，这两个函数分别返回一个实现了Context接口的background和todo。我们代码中最开始都是以这两个内置的上下文对象作为最顶层的partent context，衍生出更多的子上下文对象。
Background()主要用于main函数、初始化以及测试代码中，作为Context这个树结构的最顶层的Context，也就是根Context。
TODO()，它目前还不知道具体的使用场景，如果我们不知道该使用什么Context的时候，可以使用这个。
background和todo本质上都是emptyCtx结构体类型，是一个不可取消，没有设置截止时间，没有携带任何值的Context。

四、With系列函数

此外，context包中还定义了四个With系列函数。

4.1 WithCancel

WithCancel的函数签名如下：
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)
WithCancel返回带有新Done通道的父节点的副本。当调用返回的cancel函数或当关闭父上下文的Done通道时，将关闭返回上下文的Done通道，无论先发生什么情况。
取消此上下文将释放与其关联的资源，因此代码应该在此上下文中运行的操作完成后立即调用cancel。

func gen(ctx context.Context) <-chan int {
        dst := make(chan int)
        n := 1
        go func() {
            for {
                select {
                case <-ctx.Done():
                    return // return结束该goroutine，防止泄露
                case dst <- n:
                    n++
                }
            }
        }()
        return dst
    }
func main() {
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    defer cancel() // 当我们取完需要的整数后调用cancel
for n := range gen(ctx) {
        fmt.Println(n)
        if n == 5 {
            break
        }
    }
}

上面的示例代码中，gen函数在单独的goroutine中生成整数并将它们发送到返回的通道。 gen的调用者在使用生成的整数之后需要取消上下文，以免gen启动的内部goroutine发生泄漏。

4.2 WithDeadline

WithDeadline的函数签名如下：
func WithDeadline(parent Context, deadline time.Time) (Context, CancelFunc)
返回父上下文的副本，并将deadline调整为不迟于d。如果父上下文的deadline已经早于d，则WithDeadline(parent, d)在语义上等同于父上下文。当截止日过期时，当调用返回的cancel函数时，或者当父上下文的Done通道关闭时，返回上下文的Done通道将被关闭，以最先发生的情况为准。
取消此上下文将释放与其关联的资源，因此代码应该在此上下文中运行的操作完成后立即调用cancel。

func main() {
	d := time.Now().Add(50 * time.Millisecond)
	ctx, cancel := context.WithDeadline(context.Background(), d)
// 尽管ctx会过期，但在任何情况下调用它的cancel函数都是很好的实践。
	// 如果不这样做，可能会使上下文及其父类存活的时间超过必要的时间。
	defer cancel()
select {
	case <-time.After(1 * time.Second):
		fmt.Println("overslept")
	case <-ctx.Done():
		fmt.Println(ctx.Err())
	}
}

上面的代码中，定义了一个50毫秒之后过期的deadline，然后我们调用context.WithDeadline(context.Background(), d)得到一个上下文（ctx）和一个取消函数（cancel），然后使用一个select让主程序陷入等待：等待1秒后打印overslept退出或者等待ctx过期后退出。 因为ctx50秒后就过期，所以ctx.Done()会先接收到值，上面的代码会打印ctx.Err()取消原因。

4.3 WithTimeout

WithTimeout的函数签名如下：
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)
WithTimeout返回WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout))。
取消此上下文将释放与其相关的资源，因此代码应该在此上下文中运行的操作完成后立即调用cancel，通常用于数据库或者网络连接的超时控制。具体示例如下：

package main
import (
	"context"
	"fmt"
	"sync"
"time"
)
// context.WithTimeout
var wg sync.WaitGroup
func worker(ctx context.Context) {
LOOP:
	for {
		fmt.Println("db connecting ...")
		time.Sleep(time.Millisecond * 10) // 假设正常连接数据库耗时10毫秒
		select {
		case <-ctx.Done(): // 50毫秒后自动调用
			break LOOP
		default:
		}
	}
	fmt.Println("worker done!")
	wg.Done()
}
func main() {
	// 设置一个50毫秒的超时
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Millisecond*50)
	wg.Add(1)
	go worker(ctx)
	time.Sleep(time.Second * 5)
	cancel() // 通知子goroutine结束
	wg.Wait()
	fmt.Println("over")
}

4.4 WithValue

WithValue函数能够将请求作用域的数据与 Context 对象建立关系。声明如下：
func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context
WithValue返回父节点的副本，其中与key关联的值为val。
仅对API和进程间传递请求域的数据使用上下文值，而不是使用它来传递可选参数给函数。
所提供的键必须是可比较的，并且不应该是string类型或任何其他内置类型，以避免使用上下文在包之间发生冲突。WithValue的用户应该为键定义自己的类型。为了避免在分配给interface{}时进行分配，上下文键通常具有具体类型struct{}。或者，导出的上下文关键变量的静态类型应该是指针或接口。

package main
import (
	"context"
	"fmt"
	"sync"
"time"
)
// context.WithValue
type TraceCode string
var wg sync.WaitGroup
func worker(ctx context.Context) {
	key := TraceCode("TRACE_CODE")
	traceCode, ok := ctx.Value(key).(string) // 在子goroutine中获取trace code
	if !ok {
		fmt.Println("invalid trace code")
	}
LOOP:
	for {
		fmt.Printf("worker, trace code:%s\n", traceCode)
		time.Sleep(time.Millisecond * 10) // 假设正常连接数据库耗时10毫秒
		select {
		case <-ctx.Done(): // 50毫秒后自动调用
			break LOOP
		default:
		}
	}
	fmt.Println("worker done!")
	wg.Done()
}
func main() {
	// 设置一个50毫秒的超时
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Millisecond*50)
	// 在系统的入口中设置trace code传递给后续启动的goroutine实现日志数据聚合
	ctx = context.WithValue(ctx, TraceCode("TRACE_CODE"), "12512312234")
	wg.Add(1)
	go worker(ctx)
	time.Sleep(time.Second * 5)
	cancel() // 通知子goroutine结束
	wg.Wait()
	fmt.Println("over")
}

五、使用Context的注意事项

• 推荐以参数的方式显示传递Context
• 以Context作为参数的函数方法，应该把Context作为第一个参数。
• 给一个函数方法传递Context的时候，不要传递nil，如果不知道传递什么，就使用context.TODO()
• Context的Value相关方法应该传递请求域的必要数据，不应该用于传递可选参数
• Context是线程安全的，可以放心的在多个goroutine中传递

六、客户端超时取消示例

调用服务端API时如何在客户端实现超时控制？

6.1 Server端

// context_timeout/server/main.go
package main
import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "net/http"
    "time"
)
// server端，随机出现慢响应
func indexHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    number := rand.Intn(2)
    if number == 0 {
        time.Sleep(time.Second * 10) // 耗时10秒的慢响应
        fmt.Fprintf(w, "slow response")
        return
    }
    fmt.Fprint(w, "quick response")
}
func main() {
    http.HandleFunc("/", indexHandler)
    err := http.ListenAndServe(":8000", nil)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
}

6.2 client端

// context_timeout/client/main.go
package main
import (
    "context"
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "net/http"
    "sync"
    "time"
)
// 客户端
type respData struct {
    resp *http.Response
    err  error
}
func doCall(ctx context.Context) {
    transport := http.Transport{
       // 请求频繁可定义全局的client对象并启用长链接
       // 请求不频繁使用短链接
       DisableKeepAlives: true, 	}
    client := http.Client{
        Transport: &transport,
    }
respChan := make(chan *respData, 1)
    req, err := http.NewRequest("GET", "http://127.0.0.1:8000/", nil)
    if err != nil {
        fmt.Printf("new requestg failed, err:%v\n", err)
        return
    }
    req = req.WithContext(ctx) // 使用带超时的ctx创建一个新的client request
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(1)
    defer wg.Wait()
    go func() {
        resp, err := client.Do(req)
        fmt.Printf("client.do resp:%v, err:%v\n", resp, err)
        rd := &respData{
            resp: resp,
            err:  err,
        }
        respChan <- rd
        wg.Done()
    }()
select {
    case <-ctx.Done():
        //transport.CancelRequest(req)
        fmt.Println("call api timeout")
    case result := <-respChan:
        fmt.Println("call server api success")
        if result.err != nil {
            fmt.Printf("call server api failed, err:%v\n", result.err)
            return
        }
        defer result.resp.Body.Close()
        data, _ := ioutil.ReadAll(result.resp.Body)
        fmt.Printf("resp:%v\n", string(data))
    }
}
func main() {
    // 定义一个100毫秒的超时
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Millisecond*100)
    defer cancel() // 调用cancel释放子goroutine资源
    doCall(ctx)
}