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Go 并发模式:Context

Sameer Ajmani
2014 年 7 月 29 日

简介

在 Go 服务器中,每个传入请求都在其自己的 goroutine 中处理。请求处理程序通常会启动其他 goroutine 来访问后端,例如数据库和 RPC 服务。处理请求的一组 goroutine 通常需要访问特定于请求的值,例如最终用户的身份、授权令牌和请求的截止时间。当请求被取消或超时时,处理该请求的所有 goroutine 应快速退出,以便系统可以回收它们正在使用的任何资源。

在 Google,我们开发了一个 context 包,它可以轻松地跨 API 边界将请求范围的值、取消信号和截止时间传递给处理请求的所有 goroutine。该包作为 context 公开提供。本文介绍了如何使用该包,并提供了一个完整的可运行示例。

Context

context 包的核心是 Context 类型

// A Context carries a deadline, cancellation signal, and request-scoped values
// across API boundaries. Its methods are safe for simultaneous use by multiple
// goroutines.
type Context interface {
    // Done returns a channel that is closed when this Context is canceled
    // or times out.
    Done() <-chan struct{}

    // Err indicates why this context was canceled, after the Done channel
    // is closed.
    Err() error

    // Deadline returns the time when this Context will be canceled, if any.
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)

    // Value returns the value associated with key or nil if none.
    Value(key interface{}) interface{}
}

(此描述已浓缩;godoc 是权威的。)

Done 方法返回一个通道,该通道充当对代表 Context 运行的函数的取消信号:当通道关闭时,函数应放弃其工作并返回。Err 方法返回一个错误,指示 Context 被取消的原因。 管道和取消 文章更详细地讨论了 Done 通道习惯用法。

Context 没有 Cancel 方法的原因与 Done 通道是只读的原因相同:接收取消信号的函数通常不是发送信号的函数。特别是,当父操作为子操作启动 goroutine 时,这些子操作不应该能够取消父操作。相反,WithCancel 函数(如下所述)提供了一种取消新 Context 值的方法。

Context 可安全地被多个 goroutine 同时使用。代码可以将单个 Context 传递给任意数量的 goroutine,并取消该 Context 以向所有 goroutine 发出信号。

Deadline 方法允许函数确定它们是否应该开始工作;如果剩余时间太少,则可能不值得。代码还可以使用截止时间为 I/O 操作设置超时。

Value 允许 Context 传递请求范围的数据。这些数据必须能够安全地被多个 goroutine 同时使用。

派生上下文

context 包提供了从现有 Context派生Context 值的函数。这些值形成一棵树:当 Context 被取消时,所有从中派生的 Contexts 也会被取消。

Background 是任何 Context 树的根;它永远不会被取消

// Background returns an empty Context. It is never canceled, has no deadline,
// and has no values. Background is typically used in main, init, and tests,
// and as the top-level Context for incoming requests.
func Background() Context

WithCancelWithTimeout 返回派生的 Context 值,这些值可以比父 Context 更早被取消。与传入请求关联的 Context 通常在请求处理程序返回时被取消。WithCancel 也可用于在使用多个副本时取消冗余请求。WithTimeout 可用于为对后端服务器的请求设置截止时间

// WithCancel returns a copy of parent whose Done channel is closed as soon as
// parent.Done is closed or cancel is called.
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)

// A CancelFunc cancels a Context.
type CancelFunc func()

// WithTimeout returns a copy of parent whose Done channel is closed as soon as
// parent.Done is closed, cancel is called, or timeout elapses. The new
// Context's Deadline is the sooner of now+timeout and the parent's deadline, if
// any. If the timer is still running, the cancel function releases its
// resources.
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)

WithValue 提供了一种将请求范围的值与 Context 关联起来的方法

// WithValue returns a copy of parent whose Value method returns val for key.
func WithValue(parent Context, key interface{}, val interface{}) Context

了解如何使用 context 包的最佳方法是通过一个示例。

我们的示例是一个 HTTP 服务器,它处理类似 /search?q=golang&timeout=1s 的 URL,方法是将查询“golang”转发到 Google 网页搜索 API 并呈现结果。timeout 参数告诉服务器在该持续时间过后取消请求。

代码分为三个包

  • server 提供 main 函数和 /search 的处理程序。
  • userip 提供从请求中提取用户 IP 地址并将其与 Context 关联的函数。
  • google 提供将查询发送到 Google 的 Search 函数。

服务器程序

server 程序处理类似 /search?q=golang 的请求,方法是为 golang 提供前几个 Google 搜索结果。它注册 handleSearch 来处理 /search 端点。处理程序创建一个名为 ctx 的初始 Context,并安排在处理程序返回时取消它。如果请求包含 timeout URL 参数,则在超时时会自动取消 Context

func handleSearch(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    // ctx is the Context for this handler. Calling cancel closes the
    // ctx.Done channel, which is the cancellation signal for requests
    // started by this handler.
    var (
        ctx    context.Context
        cancel context.CancelFunc
    )
    timeout, err := time.ParseDuration(req.FormValue("timeout"))
    if err == nil {
        // The request has a timeout, so create a context that is
        // canceled automatically when the timeout expires.
        ctx, cancel = context.WithTimeout(context.Background(), timeout)
    } else {
        ctx, cancel = context.WithCancel(context.Background())
    }
    defer cancel() // Cancel ctx as soon as handleSearch returns.

处理程序从请求中提取查询,并通过调用 userip 包提取客户端的 IP 地址。客户端的 IP 地址对于后端请求是必需的,因此 handleSearch 将其附加到 ctx

    // Check the search query.
    query := req.FormValue("q")
    if query == "" {
        http.Error(w, "no query", http.StatusBadRequest)
        return
    }

    // Store the user IP in ctx for use by code in other packages.
    userIP, err := userip.FromRequest(req)
    if err != nil {
        http.Error(w, err.Error(), http.StatusBadRequest)
        return
    }
    ctx = userip.NewContext(ctx, userIP)

处理程序使用 ctxquery 调用 google.Search

    // Run the Google search and print the results.
    start := time.Now()
    results, err := google.Search(ctx, query)
    elapsed := time.Since(start)

如果搜索成功,处理程序将呈现结果

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

userip 包

userip 包提供从请求中提取用户 IP 地址并将其与 Context 关联的函数。Context 提供键值映射,其中键和值都是 interface{} 类型。键类型必须支持相等性,而值必须能够安全地被多个 goroutine 同时使用。像 userip 这样的包隐藏了此映射的细节,并提供对特定 Context 值的强类型访问。

为了避免键冲突,userip 定义了一个未导出的类型 key,并使用此类型的值作为上下文键

// The key type is unexported to prevent collisions with context keys defined in
// other packages.
type key int

// userIPkey is the context key for the user IP address.  Its value of zero is
// arbitrary.  If this package defined other context keys, they would have
// different integer values.
const userIPKey key = 0

FromRequesthttp.Request 中提取 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,该 Context 传递提供的 userIP

func NewContext(ctx context.Context, userIP net.IP) context.Context {
    return context.WithValue(ctx, userIPKey, userIP)
}

FromContextContext 中提取 userIP

func FromContext(ctx context.Context) (net.IP, bool) {
    // ctx.Value returns nil if ctx has no value for the key;
    // the net.IP type assertion returns ok=false for nil.
    userIP, ok := ctx.Value(userIPKey).(net.IP)
    return userIP, ok
}

google 包

google.Search 函数向 Google 网页搜索 API 发出 HTTP 请求并解析 JSON 编码的结果。它接受一个 Context 参数 ctx,并在请求飞行过程中 ctx.Done 关闭时立即返回。

Google 网页搜索 API 请求包括搜索查询和用户 IP 作为查询参数

func Search(ctx context.Context, query string) (Results, error) {
    // Prepare the Google Search API request.
    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)

    // If ctx is carrying the user IP address, forward it to the server.
    // Google APIs use the user IP to distinguish server-initiated requests
    // from end-user requests.
    if userIP, ok := userip.FromContext(ctx); ok {
        q.Set("userip", userIP.String())
    }
    req.URL.RawQuery = q.Encode()

Search 使用一个辅助函数 httpDo 来发出 HTTP 请求并在请求或响应正在处理时 ctx.Done 关闭时取消它。Search 将一个闭包传递给 httpDo 来处理 HTTP 响应

    var results Results
    err = httpDo(ctx, req, func(resp *http.Response, err error) error {
        if err != nil {
            return err
        }
        defer resp.Body.Close()

        // Parse the JSON search result.
        // https://developers.google.com/web-search/docs/#fonje
        var data struct {
            ResponseData struct {
                Results []struct {
                    TitleNoFormatting string
                    URL               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 waits for the closure we provided to return, so it's safe to
    // read results here.
    return results, err

httpDo 函数在一个新的 goroutine 中运行 HTTP 请求并处理其响应。如果在 goroutine 退出之前 ctx.Done 关闭,它将取消请求

func httpDo(ctx context.Context, req *http.Request, f func(*http.Response, error) error) error {
    // Run the HTTP request in a goroutine and pass the response to f.
    c := make(chan error, 1)
    req = req.WithContext(ctx)
    go func() { c <- f(http.DefaultClient.Do(req)) }()
    select {
    case <-ctx.Done():
        <-c // Wait for f to return.
        return ctx.Err()
    case err := <-c:
        return err
    }
}

使代码适应 Contexts

许多服务器框架提供用于传递请求范围值的包和类型。我们可以定义 Context 接口的新实现,以在使用现有框架的代码和期望 Context 参数的代码之间建立桥梁。

例如,Gorilla 的 github.com/gorilla/context 包允许处理程序通过提供从 HTTP 请求到键值对的映射来将数据与传入请求关联。在 gorilla.go 中,我们提供了一个 Context 实现,其 Value 方法返回与 Gorilla 包中特定 HTTP 请求关联的值。

其他包提供了类似于 Context 的取消支持。例如,Tomb 提供了一个 Kill 方法,该方法通过关闭 Dying 通道来发出取消信号。Tomb 还提供方法来等待这些 goroutine 退出,类似于 sync.WaitGroup。在 tomb.go 中,我们提供了一个 Context 实现,当其父 Context 被取消或提供的 Tomb 被杀死时,该实现会被取消。

结论

在 Google,我们要求 Go 程序员将 Context 参数作为第一个参数传递给传入请求和传出请求之间调用路径上的每个函数。这使得许多不同团队开发的 Go 代码能够很好地互操作。它提供了对超时和取消的简单控制,并确保关键值(如安全凭据)能够正确地通过 Go 程序。

想要基于 Context 构建的服务器框架应提供 Context 的实现,以在它们的包与那些期望 Context 参数的包之间建立桥梁。然后,它们的客户端库将从调用代码中接受 Context。通过为请求范围的数据和取消建立一个通用接口,Context 使包开发人员更容易共享用于创建可扩展服务的代码。

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