1. 设计io/fs的背景

Go语言的接口是Gopher最喜欢的语法元素之一,其隐式的契约满足和“当前唯一可用的泛型机制”的特质让其成为面向组合编程的强大武器,其存在为Go建立事物抽象奠定了基础,同时也是建立抽象的主要手段。

Go语言从诞生至今,最成功的接口定义之一就是io.Writer和io.Reader接口:

type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
}

type Reader interface {
    Read(p []byte) (n int, err error)
}

这两个接口建立了对数据源中的数据操作的良好的抽象,通过该抽象我们可以读或写满足这两个接口的任意数据源:

  • 字符串
r := strings.NewReader("hello, go")
r.Read(...)
  • 字节序列
r := bytes.NewReader([]byte("hello, go"))
r.Read(...)
  • 文件内数据
f := os.Open("foo.txt") // f 满足io.Reader
f.Read(...)
  • 网络socket
r, err :=  net.DialTCP("192.168.0.10", nil, raddr *TCPAddr) (*TCPConn, error)
r.Read(...)
  • 构造HTTP请求
req, err := http.NewRequestWithContext(ctx, "POST", url, bytes.NewReader([]byte("hello, go"))
  • 读取压缩文件内容
func main() {
    f, err := os.Open("hello.txt.gz")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    zr, err := gzip.NewReader(f)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    if _, err := io.Copy(os.Stdout, zr); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    if err := zr.Close(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
}

… …

能构架出io.Reader和Writer这样的抽象,与Go最初核心团队的深厚的Unix背景是密不可分的,这一抽象可能深受“在UNIX中,一切都是字节流”这一设计哲学的影响。

Unix还有一个设计哲学:一切都是文件,即在Unix中,任何有I/O的设备,无论是文件、socket、驱动等,在打开设备之后都有一个对应的文件描述符,Unix将对这些设备的操作简化在抽象的文件中了。用户只需要打开文件,将得到的文件描述符传给相应的操作函数,操作系统内核就知道如何根据这个文件描述符得到具体设备信息,内部隐藏了对各种设备进行读写的细节。

并且Unix还使用树型的结构将各种抽象的文件(数据文件、socket、磁盘驱动器、外接设备等)组织起来,通过文件路径对其进行访问,这样的一个树型结构构成了文件系统。

不过由于历史不知名的某个原因,Go语言并没有在标准库中内置对文件以及文件系统的抽象!我们知道如今的os.File是一个具体的结构体类型,而不是抽象类型:

// $GOROOT/src/os/types.go

// File represents an open file descriptor.
type File struct {
        *file // os specific
}

结构体os.File中唯一的字段file指针还是一个操作系统相关的类型,我们以os/file_unix.go为例,在unix中,file的定义如下:

// file is the real representation of *File.
// The extra level of indirection ensures that no clients of os
// can overwrite this data, which could cause the finalizer
// to close the wrong file descriptor.
type file struct {
        pfd         poll.FD
        name        string
        dirinfo     *dirInfo // nil unless directory being read
        nonblock    bool     // whether we set nonblocking mode
        stdoutOrErr bool     // whether this is stdout or stderr
        appendMode  bool     // whether file is opened for appending
}

Go语言之父Rob Pike对当初os.File没有被定义为interface而耿耿于怀

不过就像Russ Cox在上述issue中的comment那样:“我想我会认为io.File应该是接口,但现在这一切都没有意义了”:

但在Go 1.16的embed文件功能设计过程中,Go核心团队以及参与讨论的Gopher们认为引入一个对File System和File的抽象,将会像上面的io.Reader和io.Writer那样对Go代码产生很大益处,同时也会给embed功能的实现带去便利!于是Rob Pike和Russ Cox亲自上阵完成了io/fs的设计

2. 探索io/fs包

io/fs的加入也不是“临时起意”,早在很多年前的godoc实现时,对一个抽象的文件系统接口的需求就已经被提了出来并给出了实现:

最终这份实现以godoc工具的vfs包的形式一直长期存在着。虽然它的实现有些复杂,抽象程度不够,但却对io/fs包的设计有着重要的参考价值。

Go语言对文件系统与文件的抽象以io/fs中的FS接口类型和File类型落地,这两个接口的设计遵循了Go语言一贯秉持的“小接口原则”,并符合开闭设计原则(对扩展开放,对修改关闭)。

// $GOROOT/src/io/fs/fs.go
type FS interface {
        // Open opens the named file.
        //
        // When Open returns an error, it should be of type *PathError
        // with the Op field set to "open", the Path field set to name,
        // and the Err field describing the problem.
        //
        // Open should reject attempts to open names that do not satisfy
        // ValidPath(name), returning a *PathError with Err set to
        // ErrInvalid or ErrNotExist.
        Open(name string) (File, error)
}

// A File provides access to a single file.
// The File interface is the minimum implementation required of the file.
// A file may implement additional interfaces, such as
// ReadDirFile, ReaderAt, or Seeker, to provide additional or optimized functionality.
type File interface {
        Stat() (FileInfo, error)
        Read([]byte) (int, error)
        Close() error
}

FS接口代表虚拟文件系统的最小抽象,它仅包含一个Open方法;File接口则是虚拟文件的最小抽象,仅包含抽象文件所需的三个共同方法(不能再少了)。我们可以基于这两个接口通过Go常见的嵌入接口类型的方式进行扩展,就像io.ReadWriter是基于io.Reader的扩展那样。在这份设计提案中,作者还将这种方式命名为extension interface,即在一个基本接口类型的基础上,新增一到多个新方法以形成一个新接口。比如下面的基于FS接口的extension interface类型StatFS:

// A StatFS is a file system with a Stat method.
type StatFS interface {
        FS

        // Stat returns a FileInfo describing the file.
        // If there is an error, it should be of type *PathError.
        Stat(name string) (FileInfo, error)
}

对于File这个基本接口类型,fs包仅给出一个extension interface:ReadDirFile,即在File接口的基础上增加了一个ReadDir方法形成的,这种用扩展方法名+基础接口名来命名一个新接口类型的方式也是Go的惯用法。

对于FS接口,fs包给出了一些扩展FS的常见“新扩展接口”的样例:

以fs包的ReadDirFS接口为例:

// $GOROOT/src/io/fs/readdir.go
type ReadDirFS interface {
    FS

    // ReadDir reads the named directory
    // and returns a list of directory entries sorted by filename.
    ReadDir(name string) ([]DirEntry, error)
}

// ReadDir reads the named directory
// and returns a list of directory entries sorted by filename.
//
// If fs implements ReadDirFS, ReadDir calls fs.ReadDir.
// Otherwise ReadDir calls fs.Open and uses ReadDir and Close
// on the returned file.
func ReadDir(fsys FS, name string) ([]DirEntry, error) {
    if fsys, ok := fsys.(ReadDirFS); ok {
        return fsys.ReadDir(name)
    }

    file, err := fsys.Open(name)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    defer file.Close()

    dir, ok := file.(ReadDirFile)
    if !ok {
        return nil, &PathError{Op: "readdir", Path: name, Err: errors.New("not implemented")}
    }

    list, err := dir.ReadDir(-1)
    sort.Slice(list, func(i, j int) bool { return list[i].Name() < list[j].Name() })
    return list, err
}

我们看到伴随着ReadDirFS,标准库还提供了一个helper函数:ReadDir。该函数的第一个参数为FS接口类型的变量,在其内部实现中,ReadDir先通过类型断言判断传入的fsys是否实现了ReadDirFS,如果实现了,就直接调用其ReadDir方法;如果没有实现则给出了常规实现。其他几个FS的extension interface也都有自己的helper function,这也算是Go的一个惯例。如果你要实现你自己的FS的扩展,不要忘了这个惯例:给出伴随你的扩展接口的helper function

标准库中一些涉及虚拟文件系统的包在Go 1.16版本中做了对io/fs的适配,比如:os、net/http、html/template、text/template、archive/zip等。

以http.FileServer为例,Go 1.16版本之前建立一个静态文件Server一般这么来写:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_classic.go
package main

import "net/http"

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.Dir(".")))
}

Go 1.16 http包对fs的FS和File接口做了适配后,我们可以这样写:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_iofs.go
package main

import (
    "net/http"
    "os"
)

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.FS(os.DirFS("./"))))
}

os包新增的DirFS函数返回一个fs.FS的实现:一个以传入dir为根的文件树构成的File System。

我们可以参考DirFS实现一个goFilesFS,该FS的实现仅返回以.go为后缀的文件:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gofilefs/gofilefs.go

package gfs

import (
    "io/fs"
    "os"
    "strings"
)

func GoFilesFS(dir string) fs.FS {
    return goFilesFS(dir)
}

type goFile struct {
    *os.File
}

func Open(name string) (*goFile, error) {
    f, err := os.Open(name)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return &goFile{f}, nil
}

func (f goFile) ReadDir(count int) ([]fs.DirEntry, error) {
    entries, err := f.File.ReadDir(count)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    var newEntries []fs.DirEntry

    for _, entry := range entries {
        if !entry.IsDir() {
            ss := strings.Split(entry.Name(), ".")
            if ss[len(ss)-1] != "go" {
                continue
            }
        }
        newEntries = append(newEntries, entry)
    }
    return newEntries, nil
}

type goFilesFS string

func (dir goFilesFS) Open(name string) (fs.File, error) {
    f, err := Open(string(dir) + "/" + name)
    if err != nil {
        return nil, err // nil fs.File
    }
    return f, nil
}

上述GoFilesFS的实现中:

  • goFilesFS实现了io/fs的FS接口,而其Open方法返回的fs.File实例为我自定义的goFile结构;
  • goFile结构通过嵌入*os.File满足了io/fs的File接口;
  • 我们重写goFile的ReadDir方法(覆盖os.File的同名方法),在这个方法中我们过滤掉非.go后缀的文件。

有了GoFilesFS的实现后,我们就可以将其传给http.FileServer了:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_gofilefs.go
package main

import (
    "net/http"

    gfs "github.com/bigwhite/testiofs/gofilefs"
)

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.FS(gfs.GoFilesFS("./"))))
}

通过浏览器打开localhost:8080页面,我们就能看到仅由go源文件组成的文件树!

3. 使用io/fs提高代码可测性

抽象的接口意味着降低耦合,意味着代码可测试性的提升。Go 1.16增加了对文件系统和文件的抽象之后,我们以后再面对文件相关代码时,我们便可以利用io/fs提高这类代码的可测试性。

我们有这样的一个函数:

func FindGoFiles(dir string) ([]string, error)

该函数查找出dir下所有go源文件的路径并放在一个[]string中返回。我们可以很轻松的给出下面的第一版实现:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo1/gowalk.go

package demo

import (
    "os"
    "path/filepath"
    "strings"
)

func FindGoFiles(dir string) ([]string, error) {
    var goFiles []string
    err := filepath.Walk(dir, func(path string, info os.FileInfo, err error) error {
        if info.IsDir() {
            return nil
        }

        ss := strings.Split(path, ".")
        if ss[len(ss)-1] != "go" {
            return nil
        }

        goFiles = append(goFiles, path)
        return nil
    })
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    return goFiles, nil
}

这一版的实现直接使用了filepath的Walk函数,它与os包是紧绑定的,即要想测试这个函数,我们需要在磁盘上真实的构造出一个文件树,就像下面这样:

$tree testdata
testdata
└── foo
    ├── 1
    │   └── 1.txt
    ├── 1.go
    ├── 2
    │   ├── 2.go
    │   └── 2.txt
    └── bar
        ├── 3
        │   └── 3.go
        └── 4.go

按照go惯例,我们将测试依赖的外部数据文件放在testdata下面。下面是针对上面函数的测试文件:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo1/gowalk_test.go
package demo

import (
    "testing"
)

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo")
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

FindGoFiles函数的第一版设计显然可测性较差,需要对依赖特定布局的磁盘上的文件,虽然testdata也是作为源码提交到代码仓库中的。

有了io/fs包后,我们用FS接口来提升一下FindGoFiles函数的可测性,我们重新设计一下该函数:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo2/gowalk.go

package demo

import (
    "io/fs"
    "strings"
)

func FindGoFiles(dir string, fsys fs.FS) ([]string, error) {
    var newEntries []string
    err := fs.WalkDir(fsys, dir, func(path string, entry fs.DirEntry, err error) error {
        if entry == nil {
            return nil
        }

        if !entry.IsDir() {
            ss := strings.Split(entry.Name(), ".")
            if ss[len(ss)-1] != "go" {
                return nil
            }
            newEntries = append(newEntries, path)
        }
        return nil
    })

    if err != nil {
        return nil, err
    }

    return newEntries, nil
}

这次我们给FindGoFiles增加了一个fs.FS类型的参数fsys,这是解除掉该函数与具体FS实现的关键。当然demo1的测试方法同样适用于该版FindGoFiles函数:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo2/gowalk_test.go
package demo

import (
    "os"
    "testing"
)

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo", os.DirFS("."))
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

但这不是我们想要的,既然我们使用了io/fs.FS接口,那么一切实现了fs.FS接口的实体均可被用来构造针对FindGoFiles的测试。但自己写一个实现了fs.FS接口以及fs.File相关接口还是比较麻烦的,Go标准库已经想到了这点,为我们提供了testing/fstest包,我们可以直接利用fstest包中实现的基于memory的FS来对FindGoFiles进行测试:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo3/gowalk_test.go
package demo

import (
    "testing"
    "testing/fstest"
)

/*
$tree testdata
testdata
└── foo
    ├── 1
    │   └── 1.txt
    ├── 1.go
    ├── 2
    │   ├── 2.go
    │   └── 2.txt
    └── bar
        ├── 3
        │   └── 3.go
        └── 4.go

5 directories, 6 files

*/

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    mfs := fstest.MapFS{
        "testdata/foo/1.go":       {Data: []byte("package foo\n")},
        "testdata/foo/1/1.txt":    {Data: []byte("1111\n")},
        "testdata/foo/2/2.txt":    {Data: []byte("2222\n")},
        "testdata/foo/2/2.go":     {Data: []byte("package bar\n")},
        "testdata/foo/bar/3/3.go": {Data: []byte("package zoo\n")},
        "testdata/foo/bar/4.go":   {Data: []byte("package zoo1\n")},
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo", mfs)
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

由于FindGoFiles接受了fs.FS类型变量作为参数,使其可测性显著提高,我们可以通过代码来构造测试场景,而无需在真实物理磁盘上构造复杂多变的测试场景。

4. 小结

io/fs的加入让我们易于面向接口编程,而不是面向os.File这个具体实现。io/fs的加入丝毫没有违和感,就好像这个包以及其中的抽象在Go 1.0版本发布时就存在的一样。这也是Go interface隐式依赖的特质带来的好处,让人感觉十分得劲儿!

本文中涉及的代码可以在这里下载。https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/iofs


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