Go編程模式：切片，接口，時(shí)間和性能

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在本篇文章中，我會(huì)對(duì) Go 語言編程模式的一些基本技術(shù)和要點(diǎn)，這樣可以讓你更容易掌握 Go 語言編程。其中，主要包括，數(shù)組切片的一些小坑，還有接口編程，以及時(shí)間和程序運(yùn)行性能相關(guān)的話題。

本文是全系列中第 1 / 9 篇：Go 編程模式^[1]

• Go 編程模式：切片，接口，時(shí)間和性能
• Go 編程模式：錯(cuò)誤處理^[2]
• Go 編程模式：Functional Options^[3]
• Go 編程模式：委托和反轉(zhuǎn)控制^[4]
• Go 編程模式：Map-Reduce^[5]
• Go 編程模式：Go Generation^[6]
• Go 編程模式：修飾器^[7]
• Go 編程模式：Pipeline^[8]
• Go 編程模式：k8s Visitor 模式^[9]

1. Slice

首先，我們先來討論一下 Slice，中文翻譯叫“切片”，這個(gè)東西在 Go 語言中不是數(shù)組，而是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其定義如下：

type?slice?struct?{
????array?unsafe.Pointer?//指向存放數(shù)據(jù)的數(shù)組指針
????len???int????????????//長(zhǎng)度有多大
????cap???int????????????//容量有多大
}

用圖示來看，一個(gè)空的 slice 的表現(xiàn)如下：

熟悉 C/C++的同學(xué)一定會(huì)知道，在結(jié)構(gòu)體里用數(shù)組指針的問題——數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生共享！下面我們來看一下 slice 的一些操作

foo?=?make([]int,?5)
foo[3]?=?42
foo[4]?=?100

bar??:=?foo[1:4]
bar[1]?=?99

對(duì)于上面這段代碼。

• 首先先創(chuàng)建一個(gè) foo 的 slice，其中的長(zhǎng)度和容量都是 5
• 然后開始對(duì) foo 所指向的數(shù)組中的索引為 3 和 4 的元素進(jìn)行賦值
• 然后，對(duì) foo 做切片后賦值給 bar，再修改 bar[1]

通過上圖我們可以看到，因?yàn)?foo 和 bar 的內(nèi)存是共享的，所以，foo 和 bar 的對(duì)數(shù)組內(nèi)容的修改都會(huì)影響到對(duì)方。

接下來，我們?cè)賮砜匆粋€(gè)數(shù)據(jù)操作 append() 的示例

a?:=?make([]int,?32)
b?:=?a[1:16]
a?=?append(a,?1)
a[2]?=?42

上面這段代碼中，把 a[1:16] 的切片賦給到了 b ，此時(shí)，a 和 b 的內(nèi)存空間是共享的，然后，對(duì) a做了一個(gè) append()的操作，這個(gè)操作會(huì)讓 a 重新分享內(nèi)存，導(dǎo)致 a 和 b 不再共享，如下圖所示：

從上圖我們可以看以看到 append()操作讓 a 的容量變成了 64，而長(zhǎng)度是 33。這里，需要重點(diǎn)注意一下——append()這個(gè)函數(shù)在 cap 不夠用的時(shí)候就會(huì)重新分配內(nèi)存以擴(kuò)大容量，而如果夠用的時(shí)候不不會(huì)重新分享內(nèi)存！

我們?cè)倏磥砜匆粋€(gè)例子：

func?main()?{
????path?:=?[]byte("AAAA/BBBBBBBBB")
????sepIndex?:=?bytes.IndexByte(path,'/’)

????dir1?:=?path[:sepIndex]
????dir2?:=?path[sepIndex+1:]

????fmt.Println("dir1?=>",string(dir1))?//prints:?dir1?=>?AAAA
????fmt.Println("dir2?=>",string(dir2))?//prints:?dir2?=>?BBBBBBBBB

????dir1?=?append(dir1,"suffix"...)

????fmt.Println("dir1?=>",string(dir1))?//prints:?dir1?=>?AAAAsuffix
????fmt.Println("dir2?=>",string(dir2))?//prints:?dir2?=>?uffixBBBB
}

上面這個(gè)例子中，dir1 和 dir2 共享內(nèi)存，雖然 dir1 有一個(gè) append() 操作，但是因?yàn)?cap 足夠，于是數(shù)據(jù)擴(kuò)展到了dir2 的空間。下面是相關(guān)的圖示（注意上圖中 dir1 和 dir2 結(jié)構(gòu)體中的 cap 和 len 的變化）

如果要解決這個(gè)問題，我們只需要修改一行代碼。

dir1?:=?path[:sepIndex]

修改為

dir1?:=?path[:sepIndex:sepIndex]

新的代碼使用了 Full Slice Expression，其最后一個(gè)參數(shù)叫“Limited Capacity”，于是，后續(xù)的 append() 操作將會(huì)導(dǎo)致重新分配內(nèi)存。

2. 深度比較

當(dāng)我們復(fù)雜一個(gè)對(duì)象時(shí)，這個(gè)對(duì)象可以是內(nèi)建數(shù)據(jù)類型，數(shù)組，結(jié)構(gòu)體，map……我們?cè)趶?fù)制結(jié)構(gòu)體的時(shí)候，當(dāng)我們需要比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)是否相同時(shí)，我們需要使用深度比較，而不是只是簡(jiǎn)單地做淺度比較。這里需要使用到反射 reflect.DeepEqual() ，下面是幾個(gè)示例

import?(
????"fmt"
????"reflect"
)

func?main()?{

????v1?:=?data{}
????v2?:=?data{}
????fmt.Println("v1?==?v2:",reflect.DeepEqual(v1,v2))
????//prints:?v1?==?v2:?true

????m1?:=?map[string]string{"one":?"a","two":?"b"}
????m2?:=?map[string]string{"two":?"b",?"one":?"a"}
????fmt.Println("m1?==?m2:",reflect.DeepEqual(m1,?m2))
????//prints:?m1?==?m2:?true

????s1?:=?[]int{1,?2,?3}
????s2?:=?[]int{1,?2,?3}
????fmt.Println("s1?==?s2:",reflect.DeepEqual(s1,?s2))
????//prints:?s1?==?s2:?true
}

3. 接口編程

下面，我們來看段代碼，其中是兩個(gè)方法，它們都是要輸出一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其中一個(gè)使用一個(gè)函數(shù)，另一個(gè)使用一個(gè)“成員函數(shù)”。

func?PrintPerson(p?*Person)?{
????fmt.Printf("Name=%s,?Sexual=%s,?Age=%d\n",
??p.Name,?p.Sexual,?p.Age)
}

func?(p?*Person)?Print()?{
????fmt.Printf("Name=%s,?Sexual=%s,?Age=%d\n",
??p.Name,?p.Sexual,?p.Age)
}

func?main()?{
????var?p?=?Person{
????????Name:?"Hao?Chen",
????????Sexual:?"Male",
????????Age:?44,
????}

????PrintPerson(&p)
????p.Print()
}

你更喜歡哪種方式呢？在 Go 語言中，使用“成員函數(shù)”的方式叫“Receiver”，這種方式是一種封裝，因?yàn)?PrintPerson()本來就是和 Person強(qiáng)耦合的，所以，理應(yīng)放在一起。更重要的是，這種方式可以進(jìn)行接口編程，對(duì)于接口編程來說，也就是一種抽象，主要是用在“多態(tài)”，這個(gè)技術(shù)，在《Go 語言簡(jiǎn)介（上）：接口與多態(tài)^[10]》中已經(jīng)講過。在這里，我想講另一個(gè) Go 語言接口的編程模式。

首先，我們來看一下，有下面這段代碼：

type?Country?struct?{
????Name?string
}

type?City?struct?{
????Name?string
}

type?Printable?interface?{
????PrintStr()
}
func?(c?Country)?PrintStr()?{
????fmt.Println(c.Name)
}
func?(c?City)?PrintStr()?{
????fmt.Println(c.Name)
}

c1?:=?Country?{"China"}
c2?:=?City?{"Beijing"}
c1.PrintStr()
c2.PrintStr()

其中，我們可以看到，其使用了一個(gè) Printable 的接口，而 Country 和 City 都實(shí)現(xiàn)了接口方法 PrintStr() 而把自己輸出。然而，這些代碼都是一樣的。能不能省掉呢？

我們可以使用“結(jié)構(gòu)體嵌入”的方式來完成這個(gè)事，如下的代碼所示：

type?WithName?struct?{
????Name?string
}

type?Country?struct?{
????WithName
}

type?City?struct?{
????WithName
}

type?Printable?interface?{
????PrintStr()
}

func?(w?WithName)?PrintStr()?{
????fmt.Println(w.Name)
}

c1?:=?Country?{WithName{?"China"}}
c2?:=?City?{?WithName{"Beijing"}}
c1.PrintStr()
c2.PrintStr()

引入一個(gè)叫 WithName的結(jié)構(gòu)體，然而，所帶來的問題就是，在初始化的時(shí)候，變得有點(diǎn)亂。那么，我們有沒有更好的方法？下面是另外一個(gè)解。

type?Country?struct?{
????Name?string
}

type?City?struct?{
????Name?string
}

type?Stringable?interface?{
????ToString()?string
}
func?(c?Country)?ToString()?string?{
????return?"Country?=?"?+?c.Name
}
func?(c?City)?ToString()?string{
????return?"City?=?"?+?c.Name
}

func?PrintStr(p?Stringable)?{
????fmt.Println(p.ToString())
}

d1?:=?Country?{"USA"}
d2?:=?City{"Los?Angeles"}
PrintStr(d1)
PrintStr(d2)

上面這段代碼，我們可以看到——**我們使用了一個(gè)叫Stringable 的接口，我們用這個(gè)接口把“業(yè)務(wù)類型” Country 和 City 和“控制邏輯” Print() 給解耦了。**于是，只要實(shí)現(xiàn)了Stringable 接口，都可以傳給 PrintStr() 來使用。

這種編程模式在 Go 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)有很多的示例，最著名的就是 io.Read 和 ioutil.ReadAll 的玩法，其中 io.Read 是一個(gè)接口，你需要實(shí)現(xiàn)他的一個(gè) Read(p []byte) (n int, err error) 接口方法，只要滿足這個(gè)規(guī)模，就可以被 ioutil.ReadAll這個(gè)方法所使用。這就是面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ狞S金法則——“Program to an interface not an implementation”

4. 接口完整性檢查

另外，我們可以看到，Go 語言的編程器并沒有嚴(yán)格檢查一個(gè)對(duì)象是否實(shí)現(xiàn)了某接口所有的接口方法，如下面這個(gè)示例：

type?Shape?interface?{
????Sides()?int
????Area()?int
}
type?Square?struct?{
????len?int
}
func?(s*?Square)?Sides()?int?{
????return?4
}
func?main()?{
????s?:=?Square{len:?5}
????fmt.Printf("%d\n",s.Sides())
}

我們可以看到 Square 并沒有實(shí)現(xiàn) Shape 接口的所有方法，程序雖然可以跑通，但是這樣編程的方式并不嚴(yán)謹(jǐn)，如果我們需要強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)接口的所有方法，那么我們應(yīng)該怎么辦呢？

在 Go 語言編程圈里有一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的作法：

var?_?Shape?=?(*Square)(nil)

聲明一個(gè) _ 變量（沒人用），其會(huì)把一個(gè) nil 的空指針，從 Square 轉(zhuǎn)成 Shape，這樣，如果沒有實(shí)現(xiàn)完相關(guān)的接口方法，編譯器就會(huì)報(bào)錯(cuò)：

cannot use (*Square)(nil) (type *Square) as type Shape in assignment: *Square does not implement Shape (missing Area method)

這樣就做到了個(gè)強(qiáng)驗(yàn)證的方法。

5. 時(shí)間

對(duì)于時(shí)間來說，這應(yīng)該是編程中比較復(fù)雜的問題了，相信我，時(shí)間是一種非常復(fù)雜的事（比如《你確信你了解時(shí)間嗎？^[11]》、《關(guān)于閏秒^[12]》等文章）。而且，時(shí)間有時(shí)區(qū)、格式、精度等等問題，其復(fù)雜度不是一般人能處理的。所以，一定要重用已有的時(shí)間處理，而不是自己干。

在 Go 語言中，你一定要使用 time.Time 和 time.Duration 兩個(gè)類型：

• 在命令行上，flag 通過 time.ParseDuration 支持了 time.Duration
• JSon 中的 encoding/json 中也可以把time.Time 編碼成 RFC 3339^[13] 的格式
• 數(shù)據(jù)庫(kù)使用的 database/sql 也支持把 DATATIME 或 TIMESTAMP 類型轉(zhuǎn)成 time.Time
• YAML 你可以使用 gopkg.in/yaml.v2 也支持 time.Time 、time.Duration 和 RFC 3339^[14] 格式

如果你要和第三方交互，實(shí)在沒有辦法，也請(qǐng)使用 RFC 3339^[15] 的格式。

最后，如果你要做全球化跨時(shí)區(qū)的應(yīng)用，你一定要把所有服務(wù)器和時(shí)間全部使用 UTC 時(shí)間。

6. 性能提示

Go 語言是一個(gè)高性能的語言，但并不是說這樣我們就不用關(guān)心性能了，我們還是需要關(guān)心的。下面是一個(gè)在編程方面和性能相關(guān)的提示。

• 如果需要把數(shù)字轉(zhuǎn)字符串，使用 strconv.Itoa() 會(huì)比 fmt.Sprintf() 要快一倍左右
• 盡可能地避免把String轉(zhuǎn)成[]Byte 。這個(gè)轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致性能下降。
• 如果在 for-loop 里對(duì)某個(gè) slice 使用 append()請(qǐng)先把 slice 的容量很擴(kuò)充到位，這樣可以避免內(nèi)存重新分享以及系統(tǒng)自動(dòng)按 2 的 N 次方冪進(jìn)行擴(kuò)展但又用不到，從而浪費(fèi)內(nèi)存。
• 使用StringBuffer 或是StringBuild 來拼接字符串，會(huì)比使用 + 或 += 性能高三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。
• 盡可能的使用并發(fā)的 go routine，然后使用 sync.WaitGroup 來同步分片操作
• 避免在熱代碼中進(jìn)行內(nèi)存分配，這樣會(huì)導(dǎo)致 gc 很忙。盡可能的使用 sync.Pool 來重用對(duì)象。
• 使用 lock-free 的操作，避免使用 mutex，盡可能使用 sync/Atomic包。（關(guān)于無鎖編程的相關(guān)話題，可參看《無鎖隊(duì)列實(shí)現(xiàn)^[16]》或《無鎖 Hashmap 實(shí)現(xiàn)^[17]》）
• 使用 I/O 緩沖，I/O 是個(gè)非常非常慢的操作，使用 bufio.NewWrite() 和 bufio.NewReader() 可以帶來更高的性能。
• 對(duì)于在 for-loop 里的固定的正則表達(dá)式，一定要使用 regexp.Compile() 編譯正則表達(dá)式。性能會(huì)得升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
• 如果你需要更高性能的協(xié)議，你要考慮使用 protobuf^[18] 或 msgp^[19] 而不是 JSON，因?yàn)?JSON 的序列化和反序列化里使用了反射。
• 你在使用 map 的時(shí)候，使用整型的 key 會(huì)比字符串的要快，因?yàn)檎捅容^比字符串比較要快。

參考

還有很多不錯(cuò)的技巧，下面的這些參考文檔可以讓你寫出更好的 Go 的代碼，必讀！

• Effective Go^[20]
• Uber Go Style^[21]
• 50 Shades of Go: Traps, Gotchas, and Common Mistakes for New Golang Devs^[22]
• Go Advice^[23]
• Practical Go Benchmarks^[24]
• Benchmarks of Go serialization methods^[25]
• Debugging performance issues in Go programs^[26]
• Go code refactoring: the 23x performance hunt^[27]

參考資料

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