Go 1.20新特性前瞻
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在近期Russ Cox代表Go核心团队发表的“Go, 13周年”一文中，他提到了“在Go的第14个年头，Go团队将继续努力使Go成为用于大规模软件工程的最好的环境，将特别关注供应链安全，提高兼容性和结构化日志记录，当然还会有很多其他改进，包括profile-guided optimization等”。
当前正在开发的版本是Go 1.20，预计2023年2月正式发布，这个版本也将是Go在其第14个年头发布的第一个版本。很多人没想到Go真的会进入到Go 1.2x版本，而不是Go 2.x。记得Russ Cox曾说过可能永远也不会有Go2了，毕竟Go泛型语法落地这么大的语法改动也没有让Go1兼容性承诺失效。
目前Go 1.20版本正在如火如荼的开发中，很多gopher都好奇Go 1.20版本会带来哪些新特性？在这篇文章中，我就带大家一起去Go 1.20 milestone的issues列表中翻翻，提前看看究竟会有哪些新特性加入Go。
1. 语法变化
Go在其1.18版本迎来了自开源以来最大规模的语法变化，然后呢？就没有然后了。Go在语法演进上再次陷入沉寂，没错，这就是Go长期以来坚持的风格。
如果Go 1.20版本真有语法层面的变化，那估计就是这个issue了：“spec: allow conversion from slice to array”，即允许切片类型到数组类型的类型转换。
在Go 1.20版本之前，我们以Go 1.19版本为例写下下面代码：
package main
import "fmt"
func main() {
var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var arr = [7]int(sl) // 编译器报错：cannot convert sl (variable of type []int) to type [7]int
fmt.Println(sl)
fmt.Println(arr)
}
这段代码中，我们进行了一个[]int到[7]int的类型转换，但在Go 1.19版本编译器针对这个转换会报错！即不支持将切片类型显式转换数组类型。
在Go 1.20版本之前如果要实现切片到数组的转换，是有trick的，看下面代码：
func main() {
var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var parr = (*[7]int)(sl)
var arr = *(*[7]int)(sl)
fmt.Println(sl) // [1 2 3 4 5 6 7]
fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
sl[0] = 11
fmt.Println(sl) // [11 2 3 4 5 6 7]
fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
fmt.Println(*parr) // [11 2 3 4 5 6 7]
}
该trick的理论基础是Go允许获取切片的底层数组地址。在上面的例子中parr就是指向切片sl底层数组的指针，通过sl或parr对底层数组元素的修改都能在对方身上体现出来。但是arr则是底层数组的一个副本，后续通过sl对切片的修改或通过parr对底层数组的修改都不会影响arr，反之亦然。
不过这种trick语法还不是那么直观！于是上面那个“允许将切片直接转换为数组”的issue便提了出来。我们在go playground上选择“go dev branch”便可以使用最新go tip的代码，我们尝试一下最新语法：
func main() {
var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var arr = [7]int(sl)
var parr = (*[7]int)(sl)
fmt.Println(sl) // [1 2 3 4 5 6 7]
fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
sl[0] = 11
fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
fmt.Println(parr) // &[11 2 3 4 5 6 7]
}
我们看到直接将sl转换为数组arr不再报错，但其语义与前面的“var arr = ([7]int)(sl)”语义是相同的，即返回一个切片底层数组的副本，arr不会受到后续切片元素变化的影响。
不过这里也有个约束，那就是转换后的数组长度要小于等于切片长度，否则会panic：
var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var arr = [8]int(sl) // panic: runtime error: cannot convert slice with length 7 to array or pointer to array with length 8
在写本文时，该issue尚未close，不过进入最终Go 1.20版本应该不是大问题。
2. 编译器/链接器和其他工具链
1) profile-guided optimization
Go编译器团队一直致力于对Go编译器/链接器的优化，这次在Go 1.20版本中，该团队很大可能会给我们带来“profile-guided optimization”。
什么是“profile-guided optimization”呢？原先Go编译器实施的优化手段，比如内联，都是基于固定规则决策的，所有信息都来自编译的Go源码。而这次的“profile-guided optimization”顾名思义，需要源码之外的信息做“制导”来决定实施哪些优化，这个源码之外的信息就是profile信息，即来自pprof工具在程序运行时采集的数据，如下图(图来自profile-guided optimization设计文档)所示:
因此pgo优化实际上是需要程序员参与的，程序员拿着程序到生产环境跑，程序生成的profile性能采集数据会被保存下来，然后这些profile采集数据会提供给Go编译器，以在下次构建同一个程序时辅助优化决策。由于这些profile是来自生产环境或模拟生产环境的数据，使得这种优化更有针对性。并且，Google数据中心其他语言(C/C++)实施PGO优化的效果显示，优化后的性能保守估计提升幅度在5%~15%。
和其他新引入的特性一样，Go 1.20将包含该特性，但默认并不开启，我们可以手动开启进行体验，未来版本，pgo特性才会默认为auto开启。
2) 大幅减小Go发行版包的Size
随着Go语言的演进，Go发行版的Size也在不断增加，从最初的几十M到如今的上百M。本地电脑里多安装几个Go版本，(解压后)几个G就没有了，此外Size大也让下载时间变得更长，尤其是一些网络环境不好的地区。
为什么Go发行版Size越来越大呢？这很大程度是因为Go发行版中包含了GOROOT下所有软件包的预编译.a文件，以go 1.19的macos版本为例，在\$GOROOT/pkg下，我们看到下面这些.a文件，用du查看一下占用的磁盘空间，达111M：
$ls
archive/ database/ fmt.a index/ mime/ plugin.a strconv.a time/
bufio.a debug/ go/ internal/ mime.a reflect/ strings.a time.a
bytes.a embed.a hash/ io/ net/ reflect.a sync/ unicode/
compress/ encoding/ hash.a io.a net.a regexp/ sync.a unicode.a
container/ encoding.a html/ log/ os/ regexp.a syscall.a vendor/
context.a errors.a html.a log.a os.a runtime/ testing/
crypto/ expvar.a image/ math/ path/ runtime.a testing.a
crypto.a flag.a image.a math.a path.a sort.a text/
$du -sh
111M .
而整个pkg目录的size为341M，占Go 1.19版本总大小495M的近70%。
于是在Go社区提议下，Go团队决定从Go 1.20开始发行版不再为GOROOT中的大多数软件包提供预编译的.a文件，新版本将只包括GOROOT中使用cgo的几个软件包的.a文件。
因此Go 1.20版本中，GOROOT下的源码将像其他用户包那样在构建后被缓存到本机cache中。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这样Go发行版的size将最多减少三分之二。
取而代之的是，这些包将在需要时被构建并缓存在构建缓存中，就像已经为GOROOT之外的非主包所做的那样。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这些改变是为了减少Go发行版的大小，在某些情况下可以减少三分之二。
3) 扩展代码覆盖率(coverage)报告到应用本身
想必大家都用过go test的输出过代码覆盖率，go test会在unit test代码中注入代码以统计unit test覆盖的被测试包路径，下面是代码注入的举例：
func ABC(x int) {
if x < 0 {
bar()
}
}
注入代码后：
func ABC(x int) {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[9] = 1;
if x < 0 {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[10] = 1;
bar()
}
}
像GoCover_xxx这样的代码会被放置到每条分支路径下。
不过go test -cover也有一个问题，那就是它只是适合针对包收集数据并提供报告，它无法针对应用整体给出代码覆盖度报告。
Go 1.20版本中有关的“extend code coverage testing to include applications”的proposal就是来扩展代码覆盖率的，可以支持对应用整体的覆盖率统计和报告。
该特性在Go 1.20版本中也将作为实验性特性，默认是off的。该方案通过go build -cover方式生成注入了覆盖率统计代码的应用程序，在应用执行过程中，报告会被生成到指定目录下，我们依然可以通过go tool cover来查看这个整体性报告。
此外，新proposal在实现原理上与go test -cover差不多，都是source-to-source的方案，这样后续也可以统一维护。当然Go编译器也会有一些改动。
4) 废弃-i flag
这个是一个早计划好的“废弃动作”。自从Go 1.10引入go build cache后，go build/install/test -i就不会再将编译好的包安装到\$GOPATH/pkg下面了。
3. Go标准库
1) 支持wrap multiple errors
Go 1.20增加了一种将多个error包装(wrap)为一个error的机制，方便从打包后的错误的Error方法中一次性得到包含一系列关于该错误的相关错误的信息。
这个机制增加了一个(匿名)接口和一个函数：
interface {
Unwrap() []error
}
func Join(errs ...error) error
同时增强了像fmt.Errorf这样的函数的语义，当在Errorf中使用多个%w verb时，比如：
e := errors.Errorf("%w, %w, %w", e1, e2, e3)
Errorf将返回一个将e1, e2, e3打包完的且实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口的错误类型实例。
Join函数的语义是将传入的所有err打包成一个错误类型实例，该实例同样实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口，且该错误实例的类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。
我们看一下下面这个例子：
package main
import (
"errors"
"fmt"
)
type MyError struct {
s string
}
func (e *MyError) Error() string {
return e.s
}
func main() {
e1 := errors.New("error1")
e2 := errors.New("error2")
e3 := errors.New("error3")
e4 := &MyError{
s: "error4",
}
e := fmt.Errorf("%w, %w, %w, %w", e1, e2, e3, e4)
fmt.Printf("e = %s\n", e.Error()) // error1 error2, error3, error4
fmt.Println(errors.Is(e, e1)) // true
var ne *MyError
fmt.Println(errors.As(e, &ne)) // true
fmt.Println(ne == e4) // true
}
我们首先在Go 1.19编译运行上面程序：
e = error1 %!w(*errors.errorString=&{error2}), %!w(*errors.errorString=&{error3}), %!w(*main.MyError=&{error4})
false
false
false
显然Go 1.19的fmt.Errorf函数尚不支持多%w verb。
而Go 1.20编译上面程序的运行结果为：
e = error1 error2, error3, error4
true
true
true
将fmt.Errorf一行换为：
e := errors.Join(e1, e2, e3, e4)
再运行一次的结果为：
e = error1
error2
error3
error4
true
true
true
即Join函数打包后的错误类型实例类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。
2) 新增arena实验包
Go是带GC语言，虽然Go GC近几年持续改进，绝大多数场合都不是大问题了。但是在一些性能敏感的领域，GC过程占用的可观算力还是让应用吃不消。
降GC消耗，主要思路就是减少堆内存分配、减少反复的分配与释放。Go社区的某些项目为了减少内存GC压力，在mmaped内存上又建立一套GC无法感知到的简单内存管理机制并在适当场合应用。但这些自实现的、脱离GC的内存管理都有各自的问题。
Go 1.18版本发布前，arena这个proposal就被提上了日程，arena包又是google内部的一个实验包，据说效果还不错的(在改进grpc的protobuf反序列化实验上)，可以节省15%的cpu和内存消耗。但proposal一出，便收到了来自各方的comment，该proposal在Go 1.18和Go 1.19一度处于hold状态，直到Go 1.20才纳入到试验特性，我们可以通过GOEXPERIMENT=arena开启该机制。
arena包主要思路其实是“整体分配，零碎使用，再整体释放”，以最大程度减少对GC的压力。关于arena包，等进一步完善后，后续可能会有专门文章分析。
3) time包变化
time包增加了三个时间layout格式常量，相信不用解释，大家也知道如何使用：
DateTime = "2006-01-02 15:04:05"
DateOnly = "2006-01-02"
TimeOnly = "15:04:05"
time包还为Time增加了Compare方法，适用于time之间的>=和<=比较：
// Compare returns -1 if t1 is before t2, 0 if t1 equals t2 or 1 if t1 is after t2.
func (t1 Time) Compare(t2 Time) int
此外，time包的RFC3339时间格式是使用最广泛的时间格式，其解析性能在Go 1.20中得到优化，提升了70%左右，格式化性能提升30%。
4. 其他
- Go 1.17版本将作为Go 1.20的bootstrap编译器;
- Go编译器性能提升3%；
- Go工具链将根据GO[arch]环境变量的设置自动设置相关build tags；
- 标准库增加crypto/ecdh包，提供安全的、基于byte切片的ECDH API；
- bytes, strings包增加Clone函数；
- strings包增加CutPrefix和CutSuffix函数；
- text/template的解析性能提升40%。
5. 参考资料
- Go 1.20 milestone – https://github.com/golang/go/milestone/250
- Exploring Go’s Profile-Guided Optimizations – https://www.polarsignals.com/blog/posts/2022/09/exploring-go-profile-guided-optimizations/
- What’s coming to go 1.20 – https://twitter.com/mvdan_/status/1588242469577117696
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