GO的并发模式Context

一、介绍

参考：Go的并发模式Context。

在Go服务中，每一个传入进来的请求都将在它自己的goroutine中被处理。请求处理器通常启动额外的goroutines去访问后端（例如数据库和RPC服务）。基于请求进行工作的goroutines通常需要获取请求的特殊值，例如最终的用户身份、授权令牌、和请求的最后期限。当一个请求被取消或者超时，所有给予请求进行工作的goroutines应该立刻退出，以便于系统能够回收任何它们使用的资源。

在Google中，我们开发了一个context包，以便于更容易的传递请求范围的值、取消信号、和最终的读取API边界的期限，涉及处理请求中的所有goroutines。这个包是公开可用的，被称为context。这篇文章将详细描述如何使用这个包，并提供完成的工作示例。

二、Context

context包的核心代码是Context类型：

// 一个Context懈怠了终止日期、取消信号、和请求范围的值，读取API的边界。
// 它的方法对于多个goroutines同时使用是安全的。
type Context interface{// Done方法，返回一个通道。当Context被取消或者超时的时候，这个通道将被关闭。Done() <-chan struct{}// Err 用于表明为什么Context是被取消。通常是由于Done的通道被关闭Err() error// Deadline 当无论什么原因，这个context被取消的时候，返回一个时间，Deadline() (deadline time.Time, ok bool)// Value 返回与key对应的值，如果没有就返回nilValue(key interface{}) interface{}
}

Done方法返回一个通道，这个通道给那些代表Context运行函数的取消信号：当通道被关闭，当通道关闭，这些函数应该立刻放弃它们的工作并返回。Err函数返回一个错误，表明为什么Context 是被取消。在管道和消除这篇文件中更详细的探讨了Done 通道的完整用法。

一个Context没有一个Cancel方法，和Done通道仅用于接收的原因相同：函数通常是接收到一个取消信号，而不是发送一个信号。尤其是，当一个父操作为子操作启动goroutines，这些子操作不应该能够去取消父操作。相反，WithCancel函数（在下面描述）提供了一个方法用于取消一个新的Context值。

一个Context被多个goroutine同时使用时安全的。代码能够传统同一个Context给任何数量的goroutines，并取消Context以向所有goroutines发出信号。

Deadline方法允许函数去确定是否它们应该都开始工作；如果剩余的时间太少，它可能是没有价值的。代码也可以使用最后期限给I/O操作设置超时时间。

Value允许一个Context可以携带请求范围的值。这个数据对多个goroutines同时使用必须是安全的。

三、context的衍生

context包提供了一个函数用于从已经存在的Contexts里衍生新的Context值。这些值形成了树：当一个Context被取消，所有从它衍生出来的Context也将被取消。

Background是任何Context树的根，它永远不会被取消：

/// Background 返回一个空的context。它绝不会被取消，没有最后期限，不带值。
//  Background 通常在main、init、test中使用，作为请求顶层的Context。
func Background() Context

WithCancel和WithTimeout返回衍生的Context值。它能比它父Context更早的取消。

关联一个传入请求的Context，当请求处理返回的时候，它通常能够被取消。

当使用多个副本的时候，WithCancel对于·取消冗余的请求也很有用。

WithTimeout对于设置后台服务请求的截止日期很有用。

// WithCancel 返回一个父Context的拷贝，它的Done通道在父级关闭时立即关闭。
// Done 完成关闭或取消
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)
// 一个CancelFunc 取消一个Context
type CancelFunc func()// WithTimeout 返回一个父级的副本，它的Done 通道在父级关闭时立即关闭。
// 关闭 Done、调用取消或超时。
// 新Context的最后期限，是现在+超时时间 和 父的截止日期（如果有的话）中较早的一个。
// 如果计时器仍在运行，取消函数将释放其资源。
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (context, CancelFunc)

WithContext 提供了一个方法，去将请求范围的值和Context进行关联。

// WithValue 返回一个父Context的副本， 它的Value方法返回key对应的val。
func WithValue(parent Context, key interface{}, value interface{}) Context 

最好查看如何使用context包的方法是通过工作示例。

四、示例：Google Web Search

我们的示例是一个HTTP服务，它处理像/search?q=golang&timeout=1s这样的URL，通过转发"golang" 的查询，到Google Web Search API并展示结果。这个timeout参数告诉服务端在一段时间后取消请求。

代码被分到三个包中：

• server 提供main函数，并处理/search请求；
• userip 提供用于从请求中提取用户ip地址的函数，并将它和Context进行关联；
• google 提供查询函数用于发送请求到 Google；

4.1 server程序

server程序处理像/search?q=golang的请求，通过提供前几个对golang在Google上的查询结果。它注册handleSearch来处理/search端点。这个处理创建了一个初始的Context称之为ctx，当处理返回的时候，安排它取消。如果请求包含timeoutURL参数，当超时时间通过Context将自动被取消：

func main() {// 注册 handleSearch 来处理 /search 端点http.HandleFunc("/search", handleSearch)
}func handleSearch(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {// ctx 是 这个处理器的 Context。// 调用 cancel 关闭ctx.Done 的通道。这是对这个请求的取消信号，被处理器启动。var (ctx    context.Contextcancel context.CancelFunc)// 获取超时时间timeout, err := time.ParseDuration(req.FormValue("timeout"))if err == nil {//  请求有超时时间，因此创建一个context，当超时时间到期后它将自动取消ctx, cancel = context.WithTimeout(context.Background(), timeout)} else {ctx, cancel = context.WithCancel(context.Background())}// handleSearch返回之后，立刻取消ctxdefer cancel()

处理器从请求中提取查询，并通过调用userip包提取客户端的IP地址。客户端的IP地址对后端是需要的，因此handleSearch将它绑定到ctx上：

	// 检查查询请求query := req.FormValue("q")if query == "" {http.Error(w, "no query", http.StatusBadRequest)return}userIP, err := userip.FromRequest(req)if err != nil {http.Error(w, err.Error(), http.StatusBadRequest)return}ctx = userip.NewContext(ctx, userIP)

handle调用google.Search方法，带有ctx和query：

	// 运行Google 搜索，并打印结果start := time.Now()results, err := google.Search(ctx, query)elapsed := time.Since(start)

如果查询成功，处理器渲染结果

	if err != nil {http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)return}if err := resultsTemplate.Execute(w, struct {Results          google.ResultsTimeout, Elapsed time.Duration}{Results: results,Timeout: timeout,Elapsed: elapsed,}); err != nil {log.Print(err)return}

4.2 userip 包

userip包提供了用于从请求中提取用户ip地址的函数，并将它关联到Context中。一个Context提供了键-值对的映射，在这里键和值都是interface{}类型。键的类型必须支持判等操作，值在被多个goroutine同时使用多时候必须是安全的。像userip包，隐藏了这个映射的细节，并提供了抢类型用于读取一个特定的Context值。

为了避免键的冲突，userip定义了一个不对外开放的类型key，并使用这个类型的值作为context的键。

// 密钥类型未导出以防止与其他包中定义的上下文密钥发生冲突。
type key int// userIPKey 是一个context key，用于用户的IP地址。它的零值是随意定的。
// 如果这个包定义了其它的context key。它们应该是不同的数值。
const userIPKey key = 0

FromRequest从一个http.Request中提取一个userIP：

func FromRequest(req *http.Request) (net.IP, error) {ip, _, err := net.SplitHostPort(req.RemoteAddr)if err != nil {return nil, fmt.Errorf("userip: %q is not IP:port", req.RemoteAddr)}

NewContext返回一个新的Context，携带了一个提供的userIP值。

// 如果ip地址存在， FromContext 从ctx中提取用户的ip地址，
func FromContext(ctx context.Context) (net.IP, bool) {// 如果 ctx 没有针对key的值，ctx.Value 将返回 nil// net.IP 类型的断言 将对 nil 返回 ok=falseuserIP, ok := ctx.Value(userIPKey).(net.IP)return userIP, ok
}

4.3 google 包

google.Search函数创建一个HTTP请求给Google Web Search API，并解析JSON编码的结果。它接受一个Context参数，在请求被处理期间，如果ctx.Done被关闭，它将立即返回。

Google Web Search API请求，包含了查询请求，并使用IP作为请求参数。

// Search 发送查询到 Google 搜索，并返回结果
func Search(ctx context.Context, query string) (Results, error) {// 准备Google 搜索 API 请求req, err := http.NewRequest("GET", "https://ajax.googleapis.com/ajax/services/search/web?v=1.0", nil)if err != nil {return nil, err}q := req.URL.Query()q.Set("q", query)// 如果 ctx 懈怠了用户的IP地址，将它转发给服务器。// Google APIs 使用用户的IP地址来区分服务器发起的请求和最终用户的请求if userIP, ok := userip.FromContext(ctx); ok {q.Set("userip", userIP.String())}req.URL.RawQuery = q.Encode()

Search使用一个有用的函数，httpDo，用于发出http请求，并在请求或响应在处理期间，如果ctx.Done 被关闭，那么就取消它们。Search将一个闭包传递给httpDo，用于处理http响应。

	// 发出HTTP请求，并处理响应。// 如果 ctx.Done 是被取消， httpDo 函数将取消请求。var results Resultserr = httpDo(ctx, req, func(resp *http.Response, err error) error {if err != nil {return err}defer resp.Body.Close()// 解析JSON格式的查询结果// https://developers.google.com/web-search/docs/#fonjevar data struct {ResponseData struct {Results []struct {TitleNoFormatting stringURL               string}}}if err := json.NewDecoder(resp.Body).Decode(&data); err != nil {return err}for _, res := range data.ResponseData.Results {results = append(results, Result{Title: res.TitleNoFormatting, URL: res.URL})}return nil})// httpDo 等待我们提供的闭包返回，所以在这里读取结果是安全的。return results, err

httpDo 函数返回http请求，并在一个新的goroutine中处理它的响应。在goroutine离开之前，如果ctx.Done被关闭，它将取消请求。

// httpDo 发起 HTTP 请求， 并使用响应调用 f 。
//  如果 ctx.Done 在请求或f函数运行期间被关闭，httpDo取消那个请求，等待f离开，并返回ctx.Err。
// 否则 返回 f 的 error
func httpDo(ctx context.Context, req *http.Request, f func(*http.Response, error) error) error {// 在一个goroutine中 运行HTTP请求， 并传递响应给 fc := make(chan error, 1)req = req.WithContext(ctx)go func() { c <- f(http.DefaultClient.Do(req)) }()select {case <-ctx.Done():<-c // 为了等待f 函数返回return ctx.Err()case err := <-c:return err}
}

五、使用context包中程序实体实现sync.WaitGroup同样的功能

（1）使用sync.WaitGroup实现一对多goroutine协作流程多同步工具

package mainimport ("fmt""sync""sync/atomic"
)func main() {coordinateWithWaitGroup()
}func coordinateWithWaitGroup() {total := 12stride := 3var num int32fmt.Printf("The number: %d [with sync.WaitGroup]\n", num)var wg sync.WaitGroupfor i := 1; i <= total; i += stride {wg.Add(stride)for j := 0; j < stride; j++ {go addNum(&num, i+j, wg.Done)}wg.Wait()}
}func addNum(numP *int32, id int, deferFunc func()) {defer func() {deferFunc()}()for i := 0; ; i++ {currNum := atomic.LoadInt32(numP)newNum := currNum + 1if atomic.CompareAndSwapInt32(numP, currNum, newNum) {fmt.Printf("The number: %d [%d-%d]\n", newNum, id, i)break} else {fmt.Printf("The CAS option failed. [%d-%d]\n", id, i)}}
}

（2）使用context包中程序实体来实现

func coordinateWithContext() {total := 12var num int32fmt.Printf("The number: %d [with context.Context]\n", num)cxt, cancelFunc := context.WithCancel(context.Background())for i := 1; i <= total; i++ {go addNum(&num, i, func() {// 如果所有的addNum函数都执行完毕，那么就立即分发子任务的goroutine// 这里分发子任务的goroutine，就是执行 coordinateWithContext 函数的goroutine.if atomic.LoadInt32(&num) == int32(total) {// <-cxt.Done() 针对该函数返回的通道进行接收操作。// cancelFunc() 函数被调用，针对该通道的接收会马上结束。// 所以，这样做就可以实现“等待所有的addNum函数都执行完毕”的功能cancelFunc()}})}<-cxt.Done()fmt.Println("end.")
}

$ go run demo01.go
The number: 0 [with context.Context]
The number: 1 [12-0]
The number: 3 [6-0]
The number: 4 [7-0]
The number: 5 [8-0]
The number: 6 [9-0]
The number: 2 [5-0]
The number: 8 [10-0]
The number: 10 [11-0]
The number: 11 [1-0]
The number: 9 [3-0]
The number: 7 [2-0]
end.

执行发现，有时候结果并不对。

六、Context的特点

（1）Context介绍：上下文、树、根节点

Context类型是一种非常通用的同步工具，它的值不但可以任意扩散，还可以被用来传递额外的信息和信号。

Context类型可以提供一类代表上下文的值。此类值是并发安全的，也就是说它可以被传播给多个goroutine。

Context类型的值可以繁衍，这意味着可以通过一个Context值产生任意个子值。这些子值可以携带其父值的属性和数据，也可以响应我们通过父值传递的信号。

所有的Context值共同构成了一颗代表上下文全貌的树形结构。这棵树的树根（或称上下文的根节点）是一个已经在context包中预定义好的Context值，它是全局唯一的。通过context.Background函数可以取到它。

上下文根节点仅仅是一个最基本的支点，它不提供任何额外的功能。也就是说它既不可以被撤销，也不能携带任何数据。

（2）四个延伸Context值的函数

在context包中，包含四个用于繁衍Context值的函数，即WithCancel 、WithDeadline、WithTimeout、WithValue。

• 四个函数的第一个参数的类型都是context.Context，名称都为parent。

  顾名思义，这个位置上的参数对应的都是它们将会产生的Context 值的父值。

• WithCancel用于产生一个可撤销的parent的子值；

  通过调用该函数，可以得到一个衍生自上下文根节点的Context值，和一个用于发送撤销信号的函数。

  cxt, cancelFunc := context.WithCancel(context.Background())
  

• WithDeadline和 WithTimeout函数都是用来产生一个会定时撤销的parent的子值。

• WithValue函数可以用来产生一个会携带额外数据的parent的子值。

（3）理解context包中“可撤销”和“撤销一个context”

在Context接口中，有两个与撤销息息相关的方法：

• Done方法会返回一个元素类型为struct{}的接收通道。（让使用方感知撤销信号）

  这个接收通道的用途并不是传递元素值，而是让调用方法感知“撤销”当前Context值的那个信号。

  一旦当前的Contex值被撤销，这里的接收通道会立刻关闭。对于一个未包含任何元素值的通道来说，它的关闭会使任何针对它的接收操作立即结束。

• Err方法。让使用方得到撤销的具体原因。

  Context的Err方法的结果是error类型，并且其值值可能等于context.Canceled变量的值，或者context.DeadlineExceeded 变量的值。

  context.Canceled 表示手动撤销；context.DeadlineExceeded 表示由于给定的过期时间已到，而导致的撤销。

对“撤销“和”可撤销“对理解：

• 如果把”撤销“当作名词理解：指的是用来表达“撤销”状态的信号；
• 如果把“撤销”当作动词理解：指的是对撤销信号的表达；
• “可撤销”：指的是具有传达这种撤销信号的能力；

理解context.WithCancel：

• 通过调用context.WithCancel可以产生一个可撤销的Context值，还会获得一个用于触发撤销信号的函数。

• 通过调用这个用于触发撤销信号的函数， 撤销信号会被传达给这个Context值，并由它的Done方法的结果值（一个接收通道）表达出来；

• 撤销函数只负责触发信号，而对应的可撤销的Context值也只负责传达信号。它们都不会去管后面具体的“撤销”操作。

  实际上，我们的代码在感知到撤销操作以后，可以任意的操作，Context对此并没有任何的约束。

（4）撤销信号在上下文树中的传播

在contex包中，包含四个用于繁衍Context值的函数，其中WithCancel、WithDeadline、WithTimeout都是被用于基于给定的Context值产生可撤销的子值的。

context.WithValue函数得到的Context值可不撤销，撤销信号在被传播时，若遇到它们则会直接跨过，并试图将信号直接传给它们的子值。

context 包的WithCancel函数在被调用后会产生两个结果值，第一个结果值就是那个可撤销的Context值，而第二个则是用于触发撤销信号的函数。

撤销函数被调用之后，对应的Context值会先关闭它内部的接收通道，也就是它的Done方法会返回的那个通道。然后，它会向它的所有子值（或者说子节点）传达撤销信号。这些子值会如法炮制，把撤销信号继续传播下去。最后这个Context值会断开它与其父值之间的关联。

通过调用context包中的WithDealline函数，或者WithTimeout函数生成的Context值也是可撤销的。它们不但可以被手动撤销，还会依据在生成时被给定的过期时间，自动地进行撤销。

这里的定时撤销，是借助内部的计时器来做。

当过期时间到达时，WithDeadline和WithTimeout这两个Context值当行为与Context值被手动撤销时的行为几乎是一致的。只不过WithDeadline和WithTimeout会在最后停止并释放掉其内部的计时器。

（5）通过Context携带数据

WithValue函数在产生新的Context值的时候需要三个参数：父值、键、值。

与字典对于键的约束类似，这里键的类型必须是可判等的。原因很简单，我们从中获取数据的时候，它需要根据给定的键来查找对应的值。只不过，这种Context值并不是用字典来存储键和值的，只是简单的存储在响应的字段中。

Context类型的Value方法就是用来获取数据的。在我们调用含数据的Context值的Value方法时，它会先判断给定的键，是否与当前值中存储的键相等。如果相等就把该值中的存储的值直接返回，否则就到父值中继续寻找。如果父值中仍然未存储相等的键，那么该方法就会沿着上下文根节点的方向一路查找下去。

注意，除了含数据的Context值以外，其它几种Context值都无法携带数据。因此，Context值的Value方法在沿路查找的时候，会直接跨过那几种值。

Context接口并没有提供改变数据的方法。因此，在通常情况下，我们只能通过在上下文树中添加含数据的Context值来存储新的数据，或者通过撤销此种值的父值丢弃掉相应的数据。如果你存储在这里的数据可以从外部改变，那么必须自行保证安全。