第004节:Go语言的核心特性

Go语言,作为编程语言的后生,站在巨人的肩膀上,吸收了其他一些编程语言的特点。

Go 编程语言是一个开源项目,它使程序员更具生产力。Go 语言具有很强的表达能力,它简洁、清晰而高效。得益于其并发机制, 用它编写的程序能够非常有效地利用多核与联网的计算机,其新颖的类型系统则使程序结构变得灵活而模块化。 Go 代码编译成机器码不仅非常迅速,还具有方便的垃圾收集机制和强大的运行时反射机制。 它是一个快速的、静态类型的编译型语言,感觉却像动态类型的解释型语言。(摘取自官网)

一、思想

Less can be more

大道至简,小而蕴真

让事情变得复杂很容易,让事情变得简单才难

深刻的工程文化

二、核心特性

Go语言之所以厉害,是因为它在服务端的开发中,总能抓住程序员的痛点,以最直接、简单、高效、稳定的方式来解决问题。这里我们并不会深入讨论GO语言的具体语法,只会将语言中关键的、对简化编程具有重要意义的方面介绍给大家,体验Go的核心特性。

2.1 并发编程

Go语言在并发编程方面比绝大多数语言要简洁不少,这一点是其最大亮点之一,也是其在未来进入高并发高性能场景的重要筹码。

第004节:Go语言的核心特性

不同于传统的多进程或多线程,golang的并发执行单元是一种称为goroutine的协程。

由于在共享数据场景中会用到锁,再加上GC,其并发性能有时不如异步复用IO模型,因此相对于大多数语言来说,golang的并发编程简单比并发性能更具卖点。

在当今这个多核时代,并发编程的意义不言而喻。当然,很多语言都支持多线程、多进程编程,但遗憾的是,实现和控制起来并不是那么令人感觉轻松和愉悦。Golang不同的是,语言级别支持协程(goroutine)并发(协程又称微线程,比线程更轻量、开销更小,性能更高),操作起来非常简单,语言级别提供关键字(go)用于启动协程,并且在同一台机器上可以启动成千上万个协程。协程经常被理解为轻量级线程,一个线程可以包含多个协程,共享堆不共享栈。协程间一般由应用程序显式实现调度,上下文切换无需下到内核层,高效不少。协程间一般不做同步通讯,而golang中实现协程间通讯有两种:1)共享内存型,即使用全局变量+mutex锁来实现数据共享;2)消息传递型,即使用一种独有的channel机制进行异步通讯。

对比JAVA的多线程和GO的协程实现,明显更直接、简单。这就是GO的魅力所在,以简单、高效的方式解决问题,关键字go,或许就是GO语言最重要的标志。

高并发是Golang语言最大的亮点

2.2 内存回收(GC)

从C到C++,从程序性能的角度来考虑,这两种语言允许程序员自己管理内存,包括内存的申请和释放等。因为没有垃圾回收机制所以C/C++运行起来速度很快,但是随着而来的是程序员对内存使用上的很谨小慎微的考虑。因为哪怕一点不小心就可能会导致“内存泄露”使得资源浪费或者“野指针”使得程序崩溃等,尽管C++11后来使用了智能指针的概念,但是程序员仍然需要很小心的使用。后来为了提高程序开发的速度以及程序的健壮性,java和C#等高级语言引入了GC机制,即程序员不需要再考虑内存的回收等,而是由语言特性提供垃圾回收器来回收内存。但是随之而来的可能是程序运行效率的降低。

GC过程是:先stop the world,扫描所有对象判活,把可回收对象在一段bitmap区中标记下来,接着立即start the world,恢复服务,同时起一个专门gorountine回收内存到空闲list中以备复用,不物理释放。物理释放由专门线程定期来执行。

GC瓶颈在于每次都要扫描所有对象来判活,待收集的对象数目越多,速度越慢。一个经验值是扫描10w个对象需要花费1ms,所以尽量使用对象少的方案,比如我们同时考虑链表、map、slice、数组来进行存储,链表和map每个元素都是一个对象,而slice或数组是一个对象,因此slice或数组有利于GC。

GC性能可能随着版本不断更新会不断优化,这块没仔细调研,团队中有HotSpot开发者,应该会借鉴jvm gc的设计思想,比如分代回收、safepoint等。

  • 内存自动回收,再也不需要开发人员管理内存
  • 开发人员专注业务实现,降低了心智负担
  • 只需要new分配内存,不需要释放

2.3 内存分配

初始化阶段直接分配一块大内存区域,大内存被切分成各个大小等级的块,放入不同的空闲list中,对象分配空间时从空闲list中取出大小合适的内存块。内存回收时,会把不用的内存重放回空闲list。空闲内存会按照一定策略合并,以减少碎片。

2.4 编译

编译涉及到两个问题:编译速度和依赖管理

目前Golang具有两种编译器,一种是建立在GCC基础上的Gccgo,另外一种是分别针对64位x64和32位x86计算机的一套编译器(6g和8g)。

依赖管理方面,由于golang绝大多数第三方开源库都在github上,在代码的import中加上对应的github路径就可以使用了,库会默认下载到工程的pkg目录下。

另外,编译时会默认检查代码中所有实体的使用情况,凡是没使用到的package或变量,都会编译不通过。这是golang挺严谨的一面。

2.5 网络编程

由于golang诞生在互联网时代,因此它天生具备了去中心化、分布式等特性,具体表现之一就是提供了丰富便捷的网络编程接口,比如socket用net.Dial(基于tcp/udp,封装了传统的connect、listen、accept等接口)、http用http.Get/Post()、rpc用client.Call(‘class_name.method_name’, args, &reply),等等。

高性能HTTP Server

2.6 函数多返回值

在C,C++中,包括其他的一些高级语言是不支持多个函数返回值的。但是这项功能又确实是需要的,所以在C语言中一般通过将返回值定义成一个结构体,或者通过函数的参数引用的形式进行返回。而在Go语言中,作为一种新型的语言,目标定位为强大的语言当然不能放弃对这一需求的满足,所以支持函数多返回值是必须的。

函数定义时可以在入参后面再加(a,b,c),表示将有3个返回值a、b、c。这个特性在很多语言都有,比如python。

这个语法糖特性是有现实意义的,比如我们经常会要求接口返回一个三元组(errno,errmsg,data),在大多数只允许一个返回值的语言中,我们只能将三元组放入一个map或数组中返回,接收方还要写代码来检查返回值中包含了三元组,如果允许多返回值,则直接在函数定义层面上就做了强制,使代码更简洁安全。

2.7 语言交互性

语言交互性指的是本语言是否能和其他语言交互,比如可以调用其他语言编译的库。

在Go语言中直接重用了大部份的C模块,这里称为Cgo.Cgo允许开发者混合编写C语言代码,然后Cgo工具可以将这些混合的C代码提取并生成对于C功能的调用包装代码。开发者基本上可以完全忽略这个Go语言和C语言的边界是如何跨越的。

golang可以和C程序交互,但不能和C++交互。可以有两种替代方案:1)先将c++编译成动态库,再由go调用一段c代码,c代码通过dlfcn库动态调用动态库(记得export LD_LIBRARY_PATH);2)使用swig(没玩过)

2.8 异常处理

golang不支持try…catch这样的结构化的异常解决方式,因为觉得会增加代码量,且会被滥用,不管多小的异常都抛出。golang提倡的异常处理方式是:

  • 普通异常:被调用方返回error对象,调用方判断error对象。
  • 严重异常:指的是中断性panic(比如除0),使用defer…recover…panic机制来捕获处理。严重异常一般由golang内部自动抛出,不需要用户主动抛出,避免传统try…catch写得到处都是的情况。当然,用户也可以使用panic(‘xxxx’)主动抛出,只是这样就使这一套机制退化成结构化异常机制了。

2.9 其他一些有趣的特性

  • 类型推导:类型定义:支持var abc = 10这样的语法,让golang看上去有点像动态类型语言,但golang实际上时强类型的,前面的定义会被自动推导出是int类型。

    作为强类型语言,隐式的类型转换是不被允许的,记住一条原则:让所有的东西都是显式的。

    简单来说,Go是一门写起来像动态语言,有着动态语言开发效率的静态语言。

  • 一个类型只要实现了某个interface的所有方法,即可实现该interface,无需显式去继承。

    Go编程规范推荐每个Interface只提供一到两个的方法。这样使得每个接口的目的非常清晰。另外Go的隐式推导也使得我们组织程序架构的时候更加灵活。在写JAVA/C++程序的时候,我们一开始就需要把父类/子类/接口设计好,因为一旦后面有变更,修改起来会非常痛苦。而Go不一样,当你在实现的过程中发现某些方法可以抽象成接口的时候,你直接定义好这个接口就OK了,其他代码不需要做任何修改,编译器的自动推导会帮你做好一切。

  • 不能循环引用:即如果a.go中import了b,则b.go要是import a会报import cycle not allowed。好处是可以避免一些潜在的编程危险,比如a中的func1()调用了b中的func2(),如果func2()也能调用func1(),将会导致无限循环调用下去。

  • defer机制:在Go语言中,提供关键字defer,可以通过该关键字指定需要延迟执行的逻辑体,即在函数体return前或出现panic时执行。这种机制非常适合善后逻辑处理,比如可以尽早避免可能出现的资源泄漏问题。

    可以说,defer是继goroutine和channel之后的另一个非常重要、实用的语言特性,对defer的引入,在很大程度上可以简化编程,并且在语言描述上显得更为自然,极大的增强了代码的可读性。

  • “包”的概念:和python一样,把相同功能的代码放到一个目录,称之为包。包可以被其他包引用。main包是用来生成可执行文件,每个程序只有一个main包。包的主要用途是提高代码的可复用性。通过package可以引入其他包。

  • 编程规范:GO语言的编程规范强制集成在语言中,比如明确规定花括号摆放位置,强制要求一行一句,不允许导入没有使用的包,不允许定义没有使用的变量,提供gofmt工具强制格式化代码等等。奇怪的是,这些也引起了很多程序员的不满,有人发表GO语言的XX条罪状,里面就不乏对编程规范的指责。要知道,从工程管理的角度,任何一个开发团队都会对特定语言制定特定的编程规范,特别像Google这样的公司,更是如此。GO的设计者们认为,与其将规范写在文档里,还不如强制集成在语言里,这样更直接,更有利用团队协作和工程管理。

  • 交叉编译:比如说你可以在运行 Linux 系统的计算机上开发运行 Windows 下运行的应用程序。这是第一门完全支持 UTF-8 的编程语言,这不仅体现在它可以处理使用 UTF-8 编码的字符串,就连它的源码文件格式都是使用的 UTF-8 编码。Go 语言做到了真正的国际化!

三、功能

此处我们说个小段子:

很久以前,有一个IT公司,这公司有个传统,允许员工拥有20%自由时间来开发实验性项目。在2007的某一天,公司的几个大牛,正在用c++开发一些比较繁琐但是核心的工作,主要包括庞大的分布式集群,大牛觉得很闹心,后来c++委员会来他们公司演讲,说c++将要添加大概35种新特性。这几个大牛的其中一个人,名为:Rob Pike,听后心中一万个xxx飘过,“c++特性还不够多吗?简化c++应该更有成就感吧”。于是乎,Rob Pike和其他几个大牛讨论了一下,怎么解决这个问题,过了一会,Rob Pike说要不我们自己搞个语言吧,名字叫“go”,非常简短,容易拼写。其他几位大牛就说好啊,然后他们找了块白板,在上面写下希望能有哪些功能。接下来的时间里,大牛们开心的讨论设计这门语言的特性,经过漫长的岁月,他们决定,以c语言为原型,以及借鉴其他语言的一些特性,来解放程序员,解放自己,然后在2009年,go语言诞生。

以下就是这些大牛所罗列出的Go要有的功能:

  • 规范的语法(不需要符号表来解析)
  • 垃圾回收(独有)
  • 无头文件
  • 明确的依赖
  • 无循环依赖
  • 常量只能是数字
  • int和int32是两种类型
  • 字母大小写设置可见性(letter case sets visibility)
  • 任何类型(type)都有方法(不是类型)
  • 没有子类型继承(不是子类)
  • 包级别初始化以及明确的初始化顺序
  • 文件被编译到一个包里
  • 包package-level globals presented in any order
  • 没有数值类型转换(常量起辅助作用)
  • 接口隐式实现(没有“implement”声明)
  • 嵌入(不会提升到超类)
  • 方法按照函数声明(没有特别的位置要求)
  • 方法即函数
  • 接口只有方法(没有数据)
  • 方法通过名字匹配(而非类型)
  • 没有构造函数和析构函数
  • postincrement(如++i)是状态,不是表达式
  • 没有preincrement(i++)和predecrement
  • 赋值不是表达式
  • 明确赋值和函数调用中的计算顺序(没有“sequence point”)
  • 没有指针运算
  • 内存一直以零值初始化
  • 局部变量取值合法
  • 方法中没有“this”
  • 分段的堆栈
  • 没有静态和其它类型的注释
  • 没有模板
  • 内建string、slice和map
  • 数组边界检查

大牛真身

最大牌的当属B和C语言设计者、Unix和Plan 9创始人、1983年图灵奖获得者Ken Thompson,这份名单中还包括了Unix核心成员Rob Pike(go语言之父)、java HotSpot虚拟机和js v8引擎的开发者Robert Griesemer、Memcached作者Brad Fitzpatrick,等等。

原创文章,Golang中国出品,文章对应源码下载:https://www.qfgolang.com/?page_id=1973

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