2022年博客回顾与总结

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/01/11/2022-blog-summary

2022年对我来说,也是十分忙碌和充实的一年。尽管和2021年相比,成果物没那么多^_^。

伴随着二宝的长大,我发现自己的闲暇时间被进一步“压缩”,还好大宝上初中后领悟到了自驱学习的重要性和相关方法后,她的学习现在基本不需要我过问了。

2022年初,《Go语言精进之路:从新手到高手的编程思想、方法和技巧》系列1、2册上市后取得了不错的口碑,纸版书售卖量也还不错,在年中的时候都进入二印了,这也让我有机会修复一些勘误表中的问题,让读者拿到内容更准确的的版本。年中,我还借助谢大组织的“GoCN社区的Go读书会”分享了《Go语言精进之路》这本书的写作历程、内容导读以及个人的一些读书方法和经验。

我在极客时间的《Go语言第一课》专栏由于口碑相传,得到了很多Gopher的关注和学习,我也很积极的回答学员们的各种问题。目前该专栏大约排在极客时间周学习排行榜15名左右,不过还进不了首页推荐,和那些常驻首页的大V课程还没法比^_^。

2022年应谢大之邀,原本计划在GopherChina 2022之前的培训环节做一期《Go高级工程师训练营》培训的,但GopherChina因为疫情原因两次推迟,最终线下大会被取消,没能成行。期望在2023年能把这个培训补上。

2022年是我进入智能网联汽车这个赛道的第二个年头,精力主要花在研发几个重要的核心产品上,包括:车云通信产品、车端的基于DSL的数据处理产品、云端的流数据处理和时序数据存储产品等,跨度很大,难度很大。目前车云通信产品已经部署在我们主要客户的生产环境,为2023车型提供车云通道能力,另外我们也在与国内一些大主机厂做POC测试。时序数据存储产品进入关键的设计阶段,这块经验的确不足,需要投入较大精力学习、思考和尝试,2023年我将投入较大精力在这个产品上。

在博客写作方面,我仍然保持高昂的热情,粗略统计了一下,今年写了有80余篇。和2021年一样,这里我也根据阅读数量选出了2022年本博客最受欢迎的若干篇文章(排名不分先后):

复盘了一下2022年的博客文章,感觉目前的博客选题更多是“工作和学习中遇到的问题”来驱动的,还缺少系统化的规划和组织,2023年在这方面需要加强。

最后展望一下2023年!

在纸版书写作方面,2023年是否开启《Go语言精进之路》第三册、 是否扩写《Go语言第一课》专栏,然后整理成纸版书出版等都是可尝试的但未确定的事情。

专栏方面也有一些不成熟的选题想法:

  • 如何写出地道的Go代码
  • 深入理解Go核心技术
  • Go高级工程师必知必会(在培训的基础上扩充)

Gopher部落知识星球也将进入运营的第三个年头,2022年尝试做出了一些改变,效果还不错。2023年争取再聚焦一下:围绕少而精的几个主题做高质量分享。

2022年最大的“损失”是微博账号被冻结了,目前只能暂时用小号。之前的账号啥时候恢复也不清楚,也可能会永远失去那个账号。失去了微博这个重要的私域流量,损失还是蛮大的:(

2023年,由于时序数据存储这个产品的原因,可能会真正开始学习Rust语言,虽然之前了解过多次,但都是从入门到放弃了。这回有了产品和项目驱动,希望不会“重蹈覆辙”^_^。


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聊聊Prometheus Gauge的增减操作实现

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/01/10/how-prometheus-gauge-add-and-sub

1. Gauge是啥?

熟悉Prometheus的小伙伴们都知道Prometheus提供了四大指标类型

  • Counter
  • Gauge
  • Histogram
  • Summary

Histogram和Summary是一类,但理解起来稍复杂一些,这里我们暂且不提。Counter顾名思义“计数器”,仅提供了Add方法,是一个一直递增的数值;而Gauge直译为“仪表盘”,它也是一个数值,但和Counter不同,它不仅提供Add方法,还提供了Sub方法。如果你的指标可增可减或是需要支持负数,那么Gauge显然是一个比Counter更适合的指标类型。

近期我们在测试时发现一个Gauge值为负的问题,Gauge本身是支持负值的,但我们系统中的这个指标值从业务含义上来说是不应该为负值的,为了fix掉这个问题,我深入看了一下Prometheus Go client包中Gauge的实现方式,Gauge的实现方式代表了一类问题的典型解决方法,这里简单聊聊。

2. Gauge增减操作的原理

在Prometheus Go client包中,我们看到Gauge是一个接口类型:

// github.com/prometheus/client_golang/prometheus/gauge.go
type Gauge interface {
    Metric
    Collector

    // Set sets the Gauge to an arbitrary value.
    Set(float64)
    // Inc increments the Gauge by 1. Use Add to increment it by arbitrary
    // values.
    Inc()
    // Dec decrements the Gauge by 1. Use Sub to decrement it by arbitrary
    // values.
    Dec()
    // Add adds the given value to the Gauge. (The value can be negative,
    // resulting in a decrease of the Gauge.)
    Add(float64)
    // Sub subtracts the given value from the Gauge. (The value can be
    // negative, resulting in an increase of the Gauge.)
    Sub(float64)

    // SetToCurrentTime sets the Gauge to the current Unix time in seconds.
    SetToCurrentTime()
}

client包还提供了该接口的默认实现类型gauge:

// github.com/prometheus/client_golang/prometheus/gauge.go
type gauge struct {
    // valBits contains the bits of the represented float64 value. It has
    // to go first in the struct to guarantee alignment for atomic
    // operations.  http://golang.org/pkg/sync/atomic/#pkg-note-BUG
    valBits uint64

    selfCollector

    desc       *Desc
    labelPairs []*dto.LabelPair
}

从gauge类型定义来看,作为仪表盘即时数值的gauge,其核心字段是uint64类型的valBits,该字段存储了gauge指标所代表的即时值

不过我们看到Gauge接口类型中的Add和Sub方法的参数都是float64类型。Gauge接口类型中的方法使用float64类型作为参数是无可厚非的,这是因为Gauge要支持浮点数,要支持小数,浮点数可以转化为整型,但整型却无法支持转换为带有小数部分的浮点数。

那么为什么gauge类型中使用了uint64类型而不是float64类型的字段来存储gauge代表的即时值呢?这就要从Prometheus go client的一个特性说起,那就是对Gauge即时值的修改要保证goroutine-safe。具体来说,gauge使用的是atomic包提供的原子操作来保证这种并发访问安全。但标准库的atomic包支持uint64类型的原子操作,而不支持float64类型的原子操作,恰float64和uint64的size又都是8字节,于是Prometheus go client利用了uint64支持原子操作以及uint64和float64类型都是64bits长度这两点实现了gauge类型的Add和Sub方法:

// github.com/prometheus/client_golang/prometheus/gauge.go

func (g *gauge) Add(val float64) {
    for {
        oldBits := atomic.LoadUint64(&g.valBits)
        newBits := math.Float64bits(math.Float64frombits(oldBits) + val)
        if atomic.CompareAndSwapUint64(&g.valBits, oldBits, newBits) {
            return
        }
    }
}

func (g *gauge) Sub(val float64) {
    g.Add(val * -1)
}

我们看到Sub方法实际调用的也是Add方法,只是将val值乘了个-1后作为Add方法的参数。我们接下来重点来看看gauge的Add方法。

gauge Add方法的实现是一个典型的CAS(CompareAndSwap)原子操作的使用模式,即在一个无限循环中,先原子读取当前即时值,然后将其与传入的增量值进行加和得到新值,最后通过CAS操作将新值设置为当前即时值。如果CAS操作失败,则重新走一遍循环。

不过值得我们关注的是Add方法中的float64与uint64类型各自的功用与相互的转换。Add方法先是利用atomic.LoadUint64原子读取valBits的值,然后通过math.Float64frombits将其转换为float64类型,之后用得到的float64类型即时值与val进行加法运算,得到我们想要的新值。接下来就是将其重新存储到valBits中。float64不支持原子操作,因此再调用CAS之前,Add方法还需将新值转换回uint64,这就是上面代码调用math.Float64bits的原因,之后通过atomic.CompareAndSwapUint64将保存了float64位模式的uint64类型的新值newBits写入valBits中。

大家一定很好奇,math.Float64frombits和math.Float64bits是如何做的uint64和float64间的转换,我们来看一下他们的实现:

// $GOROOT/src/math/unsafe.go

// Float64bits returns the IEEE 754 binary representation of f,
// with the sign bit of f and the result in the same bit position,
// and Float64bits(Float64frombits(x)) == x.
func Float64bits(f float64) uint64 { return *(*uint64)(unsafe.Pointer(&f)) }

// Float64frombits returns the floating-point number corresponding
// to the IEEE 754 binary representation b, with the sign bit of b
// and the result in the same bit position.
// Float64frombits(Float64bits(x)) == x.
func Float64frombits(b uint64) float64 { return *(*float64)(unsafe.Pointer(&b)) }

我们看到,这两个函数只是利用unsafe包进行了类型转换,而并没有做任何算术运算。

关于如何使用unsafe包进行安全的类型转换,可以参见我的《Go语言精进之路》一书的第58条“掌握unsafe包的安全使用模式”。

综上:

  • gauge结构体中uint64类型的valBits实质上只是用来做float64数值的“承载体”,并借助原子操作对其类型的支持实现即时值的更新,它本身并不参与任何整型或浮点型计算;
  • Add方法中的运算都是在浮点型之间进行的,Add方法通过math.Float64frombits将uint64中承载的符合IEEE 754的浮点数表示还原为一个浮点数类型,然后与同样是float64类型的输入参数进行加和计算,计算的结果再通过math.Float64bits函数转换为uint64类型,这个过程8字节字段的位模式没有发生任何变化,最后通过CAS操作将结果值(新的位模式)写入valBits。

valBits中存储的是满足IEEE 754的浮点数的位模式。IEEE 754规范中,一个浮点数是由“符号位+阶码+尾数”构成的。详情可参考我的《Go语言第一课》专栏的第12讲基本数据类型:Go原生支持的数值类型有哪些

3. 小结

gauge结构体以及其Add方法所使用的这种通过位模式转换实现float64原子操作的模式值得借鉴。


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