一文带你掌握Go语言并发模式中的Context的上下文管理

前言

Package context defines the Context type, which carries deadlines, cancellation signals, and other request-scoped values across API boundaries and between processes.

Go 在 1.7 引入了 context 包，目的是为了在不同的 goroutine 之间或跨 API 边界传递超时、取消信号和其他请求范围内的值（与该请求相关的值。这些值可能包括用户身份信息、请求处理日志、跟踪信息等等）。

在 Go 的日常开发中，Context 上下文对象无处不在，无论是处理网络请求、数据库操作还是调用 RPC 等场景下，都会使用到 Context。那么，你真的了解它吗？熟悉它的正确用法吗？了解它的使用注意事项吗？喝一杯你最喜欢的饮料，随着本文一探究竟吧。

Context 接口

context 包在提供了一个用于跨 API 边界传递超时、取消信号和其他请求范围值的通用数据结构。它定义了一个名为 Context 的接口，该接口包含一些方法，用于在多个 Goroutine 和函数之间传递请求范围内的信息。

以下是 Context 接口的定义：

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

Context 的核心方法

Context 的核心方法.jpg

Context 接口中有四个核心方法：Deadline()、Done()、Err()、Value()。

Deadline()

Deadline() (deadline time.Time, ok bool) 方法返回 Context 的截止时间，表示在这个时间点之后，Context 会被自动取消。如果 Context 没有设置截止时间，该方法返回一个零值 time.Time 和一个布尔值 false。

deadline, ok := ctx.Deadline()
if ok {
    // Context 有截止时间
} else {
    // Context 没有截止时间
}

Done()

Done() 方法返回一个只读通道，当 Context 被取消时，该通道会被关闭。你可以通过监听这个通道来检测 Context 是否被取消。如果 Context 永不取消，则返回 nil。

select {
case <-ctx.Done():
    // Context 已取消
default:
    // Context 尚未取消
}

Err()

Err() 方法返回一个 error 值，表示 Context 被取消时产生的错误。如果 Context 尚未取消，该方法返回 nil。

if err := ctx.Err(); err != nil {
    // Context 已取消，处理错误
}

Value()

Value(key any) any 方法返回与 Context 关联的键值对，一般用于在 Goroutine 之间传递请求范围内的信息。如果没有关联的值，则返回 nil。

value := ctx.Value(key)
if value != nil {
    // 存在关联的值
}

Context 的创建方式

Context 的创建方式.jpg

context.Background()

context.Background() 函数返回一个非 nil 的空 Context，它没有携带任何的值，也没有取消和超时信号。通常作为根 Context 使用。

ctx := context.Background()

context.TODO()

context.TODO() 函数返回一个非 nil 的空 Context，它没有携带任何的值，也没有取消和超时信号。虽然它的返回结果和 context.Background() 函数一样，但是它们的使用场景是不一样的，如果不确定使用哪个上下文时，可以使用 context.TODO()。

ctx := context.TODO()

context.WithValue()

context.WithValue(parent Context, key, val any) 函数接收一个父 Context 和一个键值对 key、val，返回一个新的子 Context，并在其中添加一个 key-value 数据对。

ctx := context.WithValue(parentCtx, "username", "陈明勇")

context.WithCancel()

context.WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) 函数接收一个父 Context，返回一个新的子 Context 和一个取消函数，当取消函数被调用时，子 Context 会被取消，同时会向子 Context 关联的 Done() 通道发送取消信号，届时其衍生的子孙 Context 都会被取消。这个函数适用于手动取消操作的场景。

ctx, cancelFunc := context.WithCancel(parentCtx)  
defer cancelFunc()

context.WithCancelCause() 与 context.Cause()

context.WithCancelCause(parent Context) (ctx Context, cancel CancelCauseFunc) 函数是 Go 1.20 版本才新增的，其功能类似于 context.WithCancel()，但是它可以设置额外的取消原因，也就是 error 信息，返回的 cancel 函数被调用时，需传入一个 error 参数。

ctx, cancelFunc := context.WithCancelCause(parentCtx)
defer cancelFunc(errors.New("原因"))

context.Cause(c Context) error 函数用于返回取消 Context 的原因，即错误值 error。如果是通过 context.WithCancelCause() 函数返回的取消函数 cancelFunc(myErr) 进行的取消操作，我们可以获取到 myErr 的值。否则，我们将得到与 c.Err() 相同的返回值。如果 Context 尚未被取消，将返回 nil。

err := context.Cause(ctx)

context.WithDeadline()

context.WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) 函数接收一个父 Context 和一个截止时间作为参数，返回一个新的子 Context。当截止时间到达时，子 Context 其衍生的子孙 Context 会被自动取消。这个函数适用于需要在特定时间点取消操作的场景。

deadline := time.Now().Add(time.Second * 2)
ctx, cancelFunc := context.WithTimeout(parentCtx, deadline)
defer cancelFunc()

context.WithTimeout()

context.WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) 函数和 context.WithDeadline() 函数的功能是一样的，其底层会调用 WithDeadline() 函数，只不过其第二个参数接收的是一个超时时间，而不是截止时间。这个函数适用于需要在一段时间后取消操作的场景。

ctx, cancelFunc := context.WithTimeout(parentCtx, time.Second * 2)
defer cancelFunc()

Context 的使用场景

传递共享数据

编写中间件函数，用于向 HTTP 处理链中添加处理请求 ID 的功能。

type key int

const (
   requestIDKey key = iota
)

func WithRequestId(next http.Handler) http.Handler {
   return http.HandlerFunc(func(rw http.ResponseWriter, req *http.Request) {
      // 从请求中提取请求ID和用户信息
      requestID := req.Header.Get("X-Request-ID")

      // 创建子 context，并添加一个请求 Id 的信息
      ctx := context.WithValue(req.Context(), requestIDKey, requestID)

      // 创建一个新的请求，设置新 ctx
      req = req.WithContext(ctx)

      // 将带有请求 ID 的上下文传递给下一个处理器
      next.ServeHTTP(rw, req)
   })
}

首先，我们从请求的头部中提取请求 ID。然后使用 context.WithValue 创建一个子上下文，并将请求 ID 作为键值对存储在子上下文中。接着，我们创建一个新的请求对象，并将子上下文设置为新请求的上下文。最后，我们将带有请求 ID 的上下文传递给下一个处理器。这样，通过使用 WithRequestId 中间件函数，我们可以在处理请求的过程中方便地获取和使用请求 ID，例如在 日志记录、跟踪和调试等方面。

传递取消信号，结束任务

启动一个工作协程，接收到取消信号就停止工作。

package main
import (
   "context"
   "fmt"
   "time"
)
func main() {
   ctx, cancelFunc := context.WithCancel(context.Background())
   go Working(ctx)
   time.Sleep(3 * time.Second)
   cancelFunc()
   // 等待一段时间，以确保工作协程接收到取消信号并退出
   time.Sleep(1 * time.Second)
}
func Working(ctx context.Context) {
   for {
      select {
      case <-ctx.Done():
         fmt.Println("下班啦...")
         return
      default:
         fmt.Println("陈明勇正在工作中...")
      }
   }
}

执行结果

······
······
陈明勇正在工作中...
陈明勇正在工作中...
陈明勇正在工作中...
陈明勇正在工作中...
陈明勇正在工作中...
下班啦...

在上面的示例中，我们创建了一个 Working 函数，它会不断执行工作任务。我们使用 context.WithCancel 创建了一个上下文 ctx 和一个取消函数 cancelFunc。然后，启动了一个工作协程，并将上下文传递给它。

在主函数中，需要等待一段时间（3 秒）模拟业务逻辑的执行。然后，调用取消函数 cancelFunc，通知工作协程停止工作。工作协程在每次循环中都会检查上下文的状态，一旦接收到取消信号，就会退出循环。

最后，等待一段时间（1 秒），以确保工作协程接收到取消信号并退出。

超时控制

模拟耗时操作，超时控制。

package main

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

func main() {
   // 使用 WithTimeout 创建一个带有超时的上下文对象
   ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 3*time.Second)
   defer cancel()

   // 在另一个 goroutine 中执行耗时操作
   gofunc() {
      // 模拟一个耗时的操作，例如数据库查询
      time.Sleep(5 * time.Second)
      cancel()
   }()

   select {
   case <-ctx.Done():
      fmt.Println("操作已超时")
   case <-time.After(10 * time.Second):
      fmt.Println("操作完成")
   }
}

执行结果

操作已超时

在上面的例子中，首先使用 context.WithTimeout() 创建了一个带有 3 秒超时的上下文对象 ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, 3*time.Second)。

接下来，在一个新的 goroutine 中执行一个模拟的耗时操作，例如等待 5 秒钟。当耗时操作完成后，调用 cancel() 方法来取消超时上下文。

最后，在主 goroutine 中使用 select 语句等待超时上下文的完成信号。如果在 3 秒内耗时操作完成，那么会输出 "操作完成"。如果超过了 3 秒仍未完成，超时上下文的 Done() 通道会被关闭，输出 "操作已超时"。

使用 Context 的一些规则

使用 Context 上下文，应该遵循以下规则，以保持包之间的接口一致，并使静态分析工具能够检查上下文传播:

不要在结构类型中加入 Context 参数，而是将它显式地传递给需要它的每个函数，并且它应该是第一个参数，通常命名为 ctx:

func DoSomething(ctx context.Context, arg Arg) error {
        // ... use ctx ...
}

即使函数允许，也不要传递 nil Context。如果不确定要使用哪个 Context，建议使用 context.TODO()。

仅将 Context 的值用于传输进程和 api 的请求作用域数据，不能用于向函数传递可选参数。

小结

本文详细介绍了 Go 语言中的 Context 上下文，通过阅读本文，相信你们对 Context 的功能和使用场景有所了解。同时，你们也应该能够根据实际需求选择最合适的 Context 创建方式，并且根据规则，正确、高效地使用它。

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