《go 语言圣经》笔记

最近看了《go 语言圣经》这本书，发现 go 语言很有趣，对于语法就不必关注，主要记录了一些语言特性(相对于其他语言而言)的笔记。

Go（又称Golang）是 Google 开发的一种静态强类型、编译型、并发型，并具有垃圾回收功能的编程语言。

package

Go 语言的代码通过包（package）组织，包类似于其它语言里的库（libraries）或者模块 （modules）。

Go语言中的包和其他语言的库或模块的概念类似，目的都是为了支持模块化、封装、单独编译和代码重用。每个包都对应一个独立的名字空间。

必须恰当导入需要的包，缺少了必要的包或者导入了不需要的包，程序都无法编译通过。这项严格要求避免了程序开发过程中引入未使用的包。

当我们 import 了一个包路径包含有多个单词的 package 时，比如 image/color（image 和 color两个单词），通常我们只需要用最后那个单词表示这个包就可以。

类型声明语句一般出现在包一级，因此如果新创建的类型名字的首字符大写，则在包外部也可以使用。

构建速度

当我们修改了一个源文件，我们必须重新编译该源文件对应的包和所有依赖该包的其他包。即使是从头构建，Go语言编译器的编译速度也明显快于其它编译语言。Go语言的闪电般的编译速度主要得益于三个语言特性。第一点，所有导入的包必须在每个文件的开头显式声明，这样的话编译器就没有必要读取和分析整个源文件来判断包的依赖关系。第二点，禁止包的环状依赖，因为没有循环依赖，包的依赖关系形成一个有向无环图，每个包可以被独立编译，而且很可能是被并发编译。第三点，编译后包的目标文件不仅仅记录包本身的导出信息，目标文件同时还记录了包的依赖关系。因此，在编译一个包的时候，编译器只需要读取每个直接导入包的目标文件，而不需要遍历所有依赖的的文件（译注：很多都是重复的间接依赖）。

包声明

通常来说，默认的包名就是包导入路径名的最后一段，因此即使两个包的导入路径不同，它们依然可能有一个相同的包名。例如，math/rand包和crypto/rand包的包名都是rand。

关于默认包名一般采用导入路径名的最后一段的约定也有三种例外情况。第一个例外，包对应一个可执行程序，也就是main包，这时候main包本身的导入路径是无关紧要的。名字为main的包是给go build（§10.7.3）构建命令一个信息，这个包编译完之后必须调用连接器生成一个可执行程序。

第二个例外，包所在的目录中可能有一些文件名是以_test.go为后缀的Go源文件（译注：前面必须有其它的字符，因为以_或.开头的源文件会被构建工具忽略），并且这些源文件声明的包名也是以_test为后缀名的。这种目录可以包含两种包：一种是普通包，另一种则是测试的外部扩展包。所有以_test为后缀包名的测试外部扩展包都由go test命令独立编译，普通包和测试的外部扩展包是相互独立的。测试的外部扩展包一般用来避免测试代码中的循环导入依赖。

第三个例外，一些依赖版本号的管理工具会在导入路径后追加版本号信息，例如"http://gopkg.in/yaml.v2"。这种情况下包的名字并不包含版本号后缀，而是yaml。

匿名导入

如果只是导入一个包而并不使用导入的包将会导致一个编译错误。但是有时候我们只是想利用导入包而产生的副作用：它会计算包级变量的初始化表达式和执行导入包的init初始化函数（§2.6.2）。这时候我们需要抑制“unused import”编译错误，我们可以用下划线_来重命名导入的包。像往常一样，下划线_为空白标识符，并不能被访问。

import _ "image/png" // register PNG decoder

这个被称为包的匿名导入。它通常是用来实现一个编译时机制，然后通过在main主程序入口选择性地导入附加的包。

goroutine

goroutine 是一种函数的并发执行方式，而 channel 是用来在 goroutine 之间进行参数传递。main 函数本身也运行在一个 goroutine 中，而 go function 则表示创建一个新的 goroutine，并在这个新的 goroutine 中执行这个函数。

当一个 goroutine 尝试在一个 channel 上做 send 或者 receive 操作时，这个 goroutine 会阻塞在调用处，直到另一个 goroutine 往这个 channel 里写入、或者接收值，这样两个 goroutine 才会继续执行 channel 操作之后的逻辑。

和 map 类似，channel 也对应一个 make 创建的底层数据结构的引用。当我们复制一个 channel 或用于函数参数传递时，我们只是拷贝了一个 channel 引用，因此调用者和被调用者将引用同一个 channel 对象。和其它的引用类型一样，channel 的零值也是 nil。

ch <- x  // a send statement
x = <-ch // a receive expression in an assignment statement
<-ch     // a receive statement; result is discarded

如果发送者知道，没有更多的值需要发送到 channel 的话，那么让接收者也能及时知道没有多余的值可接收将是有用的，因为接收者可以停止不必要的接收等待。这可以通过内置的 close 函数来关闭 channel 实现：

close(ch)

当一个 channel 被关闭后，再向该 channel 发送数据将导致 panic 异常。当一个被关闭的 channel 中已经发送的数据都被成功接收后，后续的接收操作将不再阻塞，它们会立即返回一个零值。

以最简单方式调用 make 函数创建的是一个无缓存的 channel，但是我们也可以指定第二个整型参数，对应 channel 的容量。如果 channel 的容量大于零，那么该 channel 就是带缓存的 channel。

ch = make(chan int)    // unbuffered channel
ch = make(chan int, 0) // unbuffered channel
ch = make(chan int, 3) // buffered channel with capacity 3

一个基于无缓存 Channels 的发送操作将导致发送者 goroutine 阻塞，直到另一个 goroutine 在相同的 Channels 上执行接收操作，当发送的值通过 Channels 成功传输之后，两个 goroutine 可以继续执行后面的语句。反之，如果接收操作先发生，那么接收者 goroutine 也将阻塞，直到有另一个 goroutine 在相同的 Channels 上执行发送操作。

基于无缓存 Channels 的发送和接收操作将导致两个 goroutine 做一次同步操作。因为这个原因，无缓存 Channels 有时候也被称为同步 Channels。当通过一个无缓存 Channels 发送数据时，接收者收到数据发生在唤醒发送者 goroutine 之前。

底层

一个goroutine会以一个很小的栈开始其生命周期，一般只需要2KB。一个goroutine的栈，和操作系统线程一样，会保存其活跃或挂起的函数调用的本地变量，但是和OS线程不太一样的是，一个goroutine的栈大小并不是固定的；栈的大小会根据需要动态地伸缩。而goroutine的栈的最大值有1GB，比传统的固定大小的线程栈要大得多，尽管一般情况下，大多goroutine都不需要这么大的栈。

OS线程会被操作系统内核调度。每几毫秒，一个硬件计时器会中断处理器，这会调用一个叫作scheduler的内核函数。这个函数会挂起当前执行的线程并将它的寄存器内容保存到内存中，检查线程列表并决定下一次哪个线程可以被运行，并从内存中恢复该线程的寄存器信息，然后恢复执行该线程的现场并开始执行线程。因为操作系统线程是被内核所调度，所以从一个线程向另一个“移动”需要完整的上下文切换，也就是说，保存一个用户线程的状态到内存，恢复另一个线程的到寄存器，然后更新调度器的数据结构。这几步操作很慢，因为其局部性很差需要几次内存访问，并且会增加运行的cpu周期。

Go的运行时包含了其自己的调度器，这个调度器使用了一些技术手段，比如m:n调度，因为其会在n个操作系统线程上多工(调度)m个goroutine。Go调度器的工作和内核的调度是相似的，但是这个调度器只关注单独的Go程序中的goroutine。

和操作系统的线程调度不同的是，Go调度器并不是用一个硬件定时器，而是被Go语言“建筑”本身进行调度的。例如当一个goroutine调用了time.Sleep，或者被channel调用或者mutex操作阻塞时，调度器会使其进入休眠并开始执行另一个goroutine，直到时机到了再去唤醒第一个goroutine。因为这种调度方式不需要进入内核的上下文，所以重新调度一个goroutine比调度一个线程代价要低得多。

goroutine没有可以被程序员获取到的身份(id)的概念。这一点是设计上故意而为之，由于thread-local storage总是会被滥用。比如说，一个web server是用一种支持tls的语言实现的，而非常普遍的是很多函数会去寻找HTTP请求的信息，这代表它们就是去其存储层(这个存储层有可能是tls)查找的。这就像是那些过分依赖全局变量的程序一样，会导致一种非健康的“距离外行为”，在这种行为下，一个函数的行为可能并不仅由自己的参数所决定，而是由其所运行在的线程所决定。因此，如果线程本身的身份会改变——比如一些worker线程之类的——那么函数的行为就会变得神秘莫测。

Go鼓励更为简单的模式，这种模式下参数(译注：外部显式参数和内部显式参数。tls 中的内容算是"外部"隐式参数)对函数的影响都是显式的。这样不仅使程序变得更易读，而且会让我们*地向一些给定的函数分配子任务时不用担心其身份信息影响行为。

命名

在习惯上，Go语言程序员推荐使用 驼峰式 命名，当名字由几个单词组成时优先使用大小写分隔，而不是优先用下划线分隔。

基础语法

var 变量名字 类型 = 表达式

名字 := 表达式 // 变量的类型根据表达式来自动推导

// 函数
func name(parameter-list) (result-list) {
    body
}

生命周期

不要将作用域和生命周期混为一谈。声明语句的作用域对应的是一个源代码的文本区域；它是一个编译时的属性。一个变量的生命周期是指程序运行时变量存在的有效时间段，在此时间区域内它可以被程序的其他部分引用；是一个运行时的概念。

变量的生命周期指的是在程序运行期间变量有效存在的时间段。对于在包一级声明的变量来说，它们的生命周期和整个程序的运行周期是一致的。而相比之下，局部变量的生命周期则是动态的：每次从创建一个新变量的声明语句开始，直到该变量不再被引用为止，然后变量的存储空间可能被回收。函数的参数变量和返回值变量都是局部变量。它们在函数每次被调用的时候创建。

那么 Go 语言的自动垃圾收集器是如何知道一个变量是何时可以被回收的呢？这里我们可以避开完整的技术细节，基本的实现思路是，从每个包级的变量和每个当前运行函数的每一个局部变量开始，通过指针或引用的访问路径遍历，是否可以找到该变量。如果不存在这样的访问路径，那么说明该变量是不可达的，也就是说它是否存在并不会影响程序后续的计算结果。

因为一个变量的有效周期只取决于是否可达，因此一个循环迭代内部的局部变量的生命周期可能超出其局部作用域。同时，局部变量可能在函数返回之后依然存在。

编译器会自动选择在栈上还是在堆上分配局部变量的存储空间，但可能令人惊讶的是，这个选择并不是由用 var 还是 new 声明变量的方式决定的。

var global *int

func f() {
    var x int
    x = 1
    global = &x
}

func g() {
    y := new(int)
    *y = 1
}

f 函数里的 x 变量必须在堆上分配，因为它在函数退出后依然可以通过包一级的 global 变量找到，虽然它是在函数内部定义的；用 Go 语言的术语说，这个 x 局部变量从函数 f 中逃逸了。相反，当 g 函数返回时，变量*y将是不可达的，也就是说可以马上被回收的。因此，*y并没有从函数 g 中逃逸，编译器可以选择在栈上分配*y的存储空间（译注：也可以选择在堆上分配，然后由 Go 语言的 GC 回收这个变量的内存空间），虽然这里用的是 new 方式。其实在任何时候，你并不需为了编写正确的代码而要考虑变量的逃逸行为，要记住的是，逃逸的变量需要额外分配内存，同时对性能的优化可能会产生细微的影响。

Go 语言的自动垃圾收集器对编写正确的代码是一个巨大的帮助，但也并不是说你完全不用考虑内存了。你虽然不需要显式地分配和释放内存，但是要编写高效的程序你依然需要了解变量的生命周期。例如，如果将指向短生命周期对象的指针保存到具有长生命周期的对象中，特别是保存到全局变量时，会阻止对短生命周期对象的垃圾回收（从而可能影响程序的性能）。

匿名结构体

type Circle struct {
    Point
    Radius int
}

type Wheel struct {
    Circle
    Spokes int
}

// 得益于匿名嵌入的特性，我们可以直接访问叶子属性而不需要给出完整的路径：
var w Wheel
w.X = 8            // equivalent to w.Circle.Point.X = 8
w.Y = 8            // equivalent to w.Circle.Point.Y = 8
w.Radius = 5       // equivalent to w.Circle.Radius = 5
w.Spokes = 20

因为匿名成员也有一个隐式的名字，因此不能同时包含两个类型相同的匿名成员，这会导致名字冲突。同时，因为成员的名字是由其类型隐式地决定的，所以匿名成员也有可见性的规则约束。在上面的例子中，Point 和 Circle 匿名成员都是导出的。即使它们不导出（比如改成小写字母开头的 point 和 circle ），我们依然可以用简短形式访问匿名成员嵌套的成员

但是在包外部，因为 circle 和 point 没有导出，不能访问它们的成员，因此简短的匿名成员访问语法也是禁止的。

json

细心的读者可能已经注意到，其中 Year 名字的成员在编码后变成了 released，还有 Color 成员编码后变成了小写字母开头的 color。这是因为结构体成员 Tag 所导致的。一个结构体成员 Tag 是和在编译阶段关联到该成员的元信息字符串：

Year  int  `json:"released"`
Color bool `json:"color,omitempty"`

结构体的成员 Tag 可以是任意的字符串面值，但是通常是一系列用空格分隔的 key:"value" 键值对序列；因为值中含有双引号字符，因此成员 Tag 一般用原生字符串面值的形式书写。json 开头键名对应的值用于控制 encoding/json 包的编码和解码的行为，并且 encoding/... 下面其它的包也遵循这个约定。成员 Tag 中 json 对应值的第一部分用于指定 JSON 对象的名字，比如将 Go 语言中的 TotalCount 成员对应到 JSON 中的 total_count 对象。Color 成员的 Tag 还带了一个额外的 omitempty 选项，表示当 Go 语言结构体成员为空或零值时不生成该 JSON 对象（这里 false 为零值）。果然，Casablanca 是一个黑白电影，并没有输出 Color 成员。

defer

你只需要在调用普通函数或方法前加上关键字 defer，就完成了 defer 所需要的语法。当执行到该条语句时，函数和参数表达式得到计算，但直到包含该 defer 语句的函数执行完毕时，defer 后的函数才会被执行，不论包含 defer 语句的函数是通过 return 正常结束，还是由于 panic 导致的异常结束。你可以在一个函数中执行多条 defer 语句，它们的执行顺序与声明顺序相反。

defer 语句经常被用于处理成对的操作，如打开、关闭、连接、断开连接、加锁、释放锁。通过 defer 机制，不论函数逻辑多复杂，都能保证在任何执行路径下，资源被释放。释放资源的 defer 应该直接跟在请求资源的语句后。

在循环体中的 defer 语句需要特别注意，因为只有在函数执行完毕后，这些被延迟的函数才会执行。下面的代码会导致系统的文件描述符耗尽，因为在所有文件都被处理之前，没有文件会被关闭。

for _, filename := range filenames {
    f, err := os.Open(filename)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer f.Close() // NOTE: risky; could run out of file descriptors
    // ...process f…
}

一种解决方法是将循环体中的 defer 语句移至另外一个函数。在每次循环时，调用这个函数。

for _, filename := range filenames {
    if err := doFile(filename); err != nil {
        return err
    }
}
func doFile(filename string) error {
    f, err := os.Open(filename)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer f.Close()
    // ...process f…
}

panic

通常来说，不应该对 panic 异常做任何处理，但有时，也许我们可以从异常中恢复，至少我们可以在程序崩溃前，做一些操作。举个例子，当 web 服务器遇到不可预料的严重问题时，在崩溃前应该将所有的连接关闭；如果不做任何处理，会使得客户端一直处于等待状态。如果 web 服务器还在开发阶段，服务器甚至可以将异常信息反馈到客户端，帮助调试。

如果在 deferred 函数中调用了内置函数 recover，并且定义该 defer 语句的函数发生了 panic 异常，recover 会使程序从 panic 中恢复，并返回 panic value。导致 panic 异常的函数不会继续运行，但能正常返回。在未发生 panic 时调用 recover，recover 会返回 nil。

让我们以语言解析器为例，说明 recover 的使用场景。考虑到语言解析器的复杂性，即使某个语言解析器目前工作正常，也无法肯定它没有漏洞。因此，当某个异常出现时，我们不会选择让解析器崩溃，而是会将 panic 异常当作普通的解析错误，并附加额外信息提醒用户报告此错误。

func Parse(input string) (s *Syntax, err error) {
    defer func() {
        if p := recover(); p != nil {
            err = fmt.Errorf("internal error: %v", p)
        }
    }()
    // ...parser...
}

deferred 函数帮助 Parse 从 panic 中恢复。在 deferred 函数内部，panic value 被附加到错误信息中；并用 err 变量接收错误信息，返回给调用者。我们也可以通过调用 runtime.Stack 往错误信息中添加完整的堆栈调用信息。

不加区分的恢复所有的 panic 异常，不是可取的做法；因为在 panic 之后，无法保证包级变量的状态仍然和我们预期一致。比如，对数据结构的一次重要更新没有被完整完成、文件或者网络连接没有被关闭、获得的锁没有被释放。此外，如果写日志时产生的 panic 被不加区分的恢复，可能会导致漏洞被忽略。

defer func() {
  switch p := recover(); p {
    case nil:       // no panic
    case bailout{}: // "expected" panic
      err = fmt.Errorf("multiple title elements")
    default:
      panic(p) // unexpected panic; carry on panicking
  }
}()

类型断言

类型断言是一个使用在接口值上的操作。语法上它看起来像x.(T)被称为断言类型，这里x表示一个接口的类型和T表示一个类型。一个类型断言检查它操作对象的动态类型是否和断言的类型匹配。

var w io.Writer = os.Stdout
f, ok := w.(*os.File)      // success:  ok, f == os.Stdout
b, ok := w.(*bytes.Buffer) // failure: !ok, b == nil

类型分支

switch x.(type) {
    case nil:       // ...
    case int, uint: // ...
    case bool:      // ...
    case string:    // ...
    default:        // ...
}

测试手法

随机测试

表格驱动的测试便于构造基于精心挑选的测试数据的测试用例。另一种测试思路是随机测试，也就是通过构造更广泛的随机输入来测试探索函数的行为。

那么对于一个随机的输入，我们如何能知道希望的输出结果呢？这里有两种处理策略。第一个是编写另一个对照函数，使用简单和清晰的算法，虽然效率较低但是行为和要测试的函数是一致的，然后针对相同的随机输入检查两者的输出结果。第二种是生成的随机输入的数据遵循特定的模式，这样我们就可以知道期望的输出的模式。

白盒测试

一种测试分类的方法是基于测试者是否需要了解被测试对象的内部工作原理。黑盒测试只需要测试包公开的文档和API行为，内部实现对测试代码是透明的。相反，白盒测试有访问包内部函数和数据结构的权限，因此可以做到一些普通客户端无法实现的测试。例如，一个白盒测试可以在每个操作之后检测不变量的数据类型。（白盒测试只是一个传统的名称，其实称为clear box测试会更准确。）

黑盒和白盒这两种测试方法是互补的。黑盒测试一般更健壮，随着软件实现的完善测试代码很少需要更新。它们可以帮助测试者了解真实客户的需求，也可以帮助发现API设计的一些不足之处。相反，白盒测试则可以对内部一些棘手的实现提供更多的测试覆盖。

基准测试

基准测试是测量一个程序在固定工作负载下的性能。

反射

能够在运行时更新变量和检查它们的值、调用它们的方法和它们支持的内在操作，而不需要在编译时就知道这些变量的具体类型。这种机制被称为反射。反射也可以让我们将类型本身作为第一类的值类型处理。

需求

有时候我们需要编写一个函数能够处理一类并不满足普通公共接口的类型的值，也可能是因为它们并没有确定的表示方式，或者是在我们设计该函数的时候这些类型可能还不存在。

一个大家熟悉的例子是fmt.Fprintf函数提供的字符串格式化处理逻辑，它可以用来对任意类型的值格式化并打印，甚至支持用户自定义的类型。让我们也来尝试实现一个类似功能的函数。为了简单起见，我们的函数只接收一个参数，然后返回和fmt.Sprint类似的格式化后的字符串。我们实现的函数名也叫Sprint。

我们首先用switch类型分支来测试输入参数是否实现了String方法，如果是的话就调用该方法。然后继续增加类型测试分支，检查这个值的动态类型是否是string、int、bool等基础类型，并在每种情况下执行相应的格式化操作。

但是我们如何处理其它类似[]float64、map[string][]string等类型呢？我们当然可以添加更多的测试分支，但是这些组合类型的数目基本是无穷的。还有如何处理类似url.Values这样的具名类型呢？即使类型分支可以识别出底层的基础类型是map[string][]string，但是它并不匹配url.Values类型，因为它们是两种不同的类型，而且switch类型分支也不可能包含每个类似url.Values的类型，这会导致对这些库的依赖。

没有办法来检查未知类型的表示方式，我们被卡住了。这就是我们为何需要反射的原因。

实现

反射是由 reflect 包提供的。 它定义了两个重要的类型, Type 和 Value. 一个 Type 表示一个Go类型. 它是一个接口, 有许多方法来区分类型以及检查它们的组成部分, 例如一个结构体的成员或一个函数的参数等.

函数 reflect.TypeOf 接受任意的 interface{} 类型, 并以reflect.Type形式返回其动态类型:

t := reflect.TypeOf(3)  // a reflect.Type
fmt.Println(t.String()) // "int"
fmt.Println(t)          // "int"

v := reflect.ValueOf(3) // a reflect.Value
fmt.Println(v)          // "3"
fmt.Printf("%v\n", v)   // "3"
fmt.Println(v.String()) // NOTE: "<int Value>"

概念上讲一个接口的值，接口值，由两个部分组成，一个具体的类型和那个类型的值。它们被称为接口的动态类型和动态值。对于像Go语言这种静态类型的语言，类型是编译期的概念；因此一个类型不是一个值。在我们的概念模型中，一些提供每个类型信息的值被称为类型描述符，比如类型的名称和方法。在一个接口值中，类型部分代表与之相关类型的描述符。

将一个*os.File类型的值赋给变量w:

w = os.Stdout

这个赋值过程调用了一个具体类型到接口类型的隐式转换，这和显式的使用io.Writer(os.Stdout)是等价的。这类转换不管是显式的还是隐式的，都会刻画出操作到的类型和值。这个接口值的动态类型被设为*os.File指针的类型描述符，它的动态值持有os.Stdout的拷贝；这是一个代表处理标准输出的os.File类型变量的指针（图7.2）。

调用一个包含*os.File类型指针的接口值的Write方法，使得(*os.File).Write方法被调用。