golang从context源码领悟接口的设计

2022-04-11 10:41:15

注：写帖子时go的版本是1.12.7
go语言中实现一个interface不用像其他语言一样需要显示的声明实现接口。go语言只要实现了某interface的方法就可以做类型转换。go语言没有继承的概念，只有Embedding的概念。想深入学习这些用法，阅读源码是最好的方式.Context的源码非常推荐阅读，从中可以领悟出go语言接口设计的精髓。

对外暴露`Context`接口

Context源码中只对外显露出一个Context接口

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

对于Context的实现源码里有一个最基本的实现，就是私有的emptyCtx，他也就是我们经常使用的context.Background()底层的实现，他是一个int类型，实现了Context接口的所有方法，但都是没有做任何处理，都是返回的默认空值。只有String()方法，里有几行代码，去判断emptyCtx的类型来进行相应的字符串输出，String()方法其实是实现了接口Stringer。emptyCtx是整个Context的灵魂，为什么这么说，因为你对context的所有的操作都是基于他去做的再次封装。
注意一下Value(key interface{}) interface{} ,因为还没有泛型，所以能用的做法就是传递或者返回interface{}。不知道Go2会不会加入泛型，说是会加入，但是还没有出最终版，一切都是未知的，因为前一段时间还说会加入try,后来又宣布放弃。

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

在使用Context时我们能直接得到就是background和todo

func Background() Context {
    return background
}
func TODO() Context {
    return todo
}

其他所有对外公开的方法都必须传入一个Context做为parent,这里设计的很巧妙，为什么要有parent后面我会详细说。

可以cancel掉的Context

可以cancel掉的context有三个公开的方法，也就是，是否带过期时间的Context

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc)
func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc)
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)

Context只用关心自己是否Done()，具体这个是怎么完成的他并不关心，是否可以cancel掉也不是他的业务，所以源码中把这部分功能分开来。
Context最常用的功能就是去监控他的Done()是否已完成，然后判断完成的原因，根据自己的业务展开相应的操作。要提一下Context是线程安全的，他在必要的地方都加了锁处理。Done()的原理:其实是close掉了channel所以所有监控Done()方法都能知道这个Context执行完了。

ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, 100*time.Millisecond)
defer cancel()
v, err := DoSomething(ctx)
if err != nil {
    return err
}
select {
case <-ctx.Done():
    return ctx.Err()
case out <- v:
}

我这里不缀述Context是如何使用的。这篇帖子主要分析的是源码。
Context可以被cancel掉需要考虑几个问题：

如何处理父或子Context的cancel。
cancel后Context是否也应该删除掉。

我们从源码中来找到答案。
看一下canceler的接口,这是一个独立的私有接口，和Context接口独立开来，Context只做自己的事，并不用关心自己有啥附加的功能，比如现在说的cancel功能，这也是一个很好的例子，如果有需要对Context进行扩展，可以参考他们的代码。

type canceler interface {
    cancel(removeFromParent bool, err error)
    Done() <-chan struct{}
}

和两个错误

var Canceled = errors.New("context canceled")
var DeadlineExceeded error = deadlineExceededError{}

是个是被主动Cancel的错误和一个超时的错误，这两个错误是对外显露的，我们也是根据这两个Error判断Done()是如何完成的。
实现canceler接口的是结构体cancelCtx

// that implement canceler.
type cancelCtx struct {
    Context

    mu       sync.Mutex            // protects following fields
    done     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
}

注意：cancelCtx把Context接口Embedding进去了，也就是说cancelCtx多重实现接口，不但是个canceler类型也是一个Context类型。
源码中cancelCtx并没有实现Context接口中的所有的方法，这就是Embedding的强大之处，Context接口的具体实现都是外部传进来的具体Context实现类型来实现的eg: cancelCtx{Context: xxxx}。
还要注意一点就是这两个接口都有各自的Done()方法，cancelCtx有实现自己的Done()方法，也就是说无论转换成canceler接口类型还是Context类型调用Done()方法时，都是他自己的实现

以cancelCtx 为基础还有一个是带过期时间的实现timerCtx

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

    deadline time.Time
}

timerCtx是WithDeadline和WithTimeout方法的基础。

func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc)
func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc)

WithCancel 需要调用者主动去调用cancel，其他的两个，就是有过期时间，如果不主动去调用cancel到了过期时间系统会自动调用。

上面我有说过context包中Background()和TODO()方法，是其他所有公开方法的基础，因为其他所有的公开方法都需要传递进来一个Context接口做为parent。这样我们所有创建的新的Context都是以parent为基础来进行封装和操作

看一下cancelCtx的是如何初始化的

func newCancelCtx(parent Context) cancelCtx {
    return cancelCtx{Context: parent}
}
func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
    c := newCancelCtx(parent)
    propagateCancel(parent, &c)
    return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

propagateCancel回答了我们第一个问题

如何处理父或子Context的cancel。

func propagateCancel(parent Context, child canceler) {
    if parent.Done() == nil {
        return // parent is never canceled
    }
    if p, ok := parentCancelCtx(parent); ok {
        p.mu.Lock()
        if p.err != nil {
            // parent has already been canceled
            child.cancel(false, p.err)
        } else {
            if p.children == nil {
                p.children = make(map[canceler]struct{})
            }
            p.children[child] = struct{}{}
        }
        p.mu.Unlock()
    } else {
        go func() {
            select {
            case <-parent.Done():
                child.cancel(false, parent.Err())
            case <-child.Done():
            }
        }()
    }
}

propagateCancel做了以下几件事

检查parent是否可以cancel
检查parent是否是cancelCtx类型
2.1. 如果是，再检查是否已经cancel掉，是则cancel掉child，否则加入child

2.2. 如果不是，则监控parent和child 的Done()

我们看一下timerCtx的具体实现

func (c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool, err error) {
    if err == nil {
        panic("context: internal error: missing cancel error")
    }
    c.mu.Lock()
    if c.err != nil {
        c.mu.Unlock()
        return // already canceled
    }
    c.err = err
    if c.done == nil {
        c.done = closedchan
    } else {
        close(c.done)
    }
    for child := range c.children {
        // NOTE: acquiring the child's lock while holding parent's lock.
        child.cancel(false, err)
    }
    c.children = nil
    c.mu.Unlock()

    if removeFromParent {
        removeChild(c.Context, c)
    }
}

我们去查看所有对cancel的调用会发现

func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) {
    c := newCancelCtx(parent)
    propagateCancel(parent, &c)
    return &c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}
func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) {
    if cur, ok := parent.Deadline(); ok && cur.Before(d) {
        // The current deadline is already sooner than the new one.
        return WithCancel(parent)
    }
    c := &timerCtx{
        cancelCtx: newCancelCtx(parent),
        deadline:  d,
    }
    propagateCancel(parent, c)
    dur := time.Until(d)
    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()
    if c.err == nil {
        c.timer = time.AfterFunc(dur, func() {
            c.cancel(true, DeadlineExceeded)
        })
    }
    return c, func() { c.cancel(true, Canceled) }
}

返回的cancel方法都是func() { c.cancel(true, Canceled) }

回答了我们的第二个问题

cancel后Context是否也应该删除掉。

所有创建的可以cancel掉的方法都会被从parent上删除掉

保存`key/value`信息的`Context`

Context还有一个功能就是保存key/value的信息，从源码中我们可以看出一个Context只能保存一对，但是我们可以调用多次WithValue创建多个Context

func WithValue(parent Context, key, val interface{}) Context {
   if key == nil {
       panic("nil key")
   }
   if !reflect.TypeOf(key).Comparable() {
       panic("key is not comparable")
   }
   return &valueCtx{parent, key, val}
}

在查询key的时候，是一个向上递归的过程：

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

总结一下

接口要有边界，要简洁。
对外公开的部分要简单明了。
提炼边界方法和辅助实现部分，隐藏细节。

码农公寓

对外暴露Context接口

可以cancel掉的Context

保存key/value信息的Context

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