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使用Go实现可用select监听的队列

1. 背景与选型

《基于Redis Cluster的分布式锁实现以互斥方式操作共享资源》一文一样,今天要说的Go队列方案也是有一定项目背景的。

5G消息方兴未艾!前一段时间从事了一段时间5G消息网关的研发,但凡涉及类似消息业务的网关,我们一般都离不开队列这种数据结构的支持。这个5G消息网关项目采用的是Go技术栈开发,那么我们应该如何为它选择一个与业务模型匹配且性能不差的实现呢?

如今一提到消息队列,大家第一个想到的一定是kafka,kafka的确是一款优秀的分布式队列中间件,但对于我们这个系统来说,它有些“重”,部署和运维都有门槛,并且项目组里也没有能很好维护它的专家,毕竟“可控”是技术选择的一个重要因素。除此之外,我们更想在Go技术栈的生态中挑选,但kafka是Java实现的。

Go圈里在性能上能与kafka“掰掰手腕”的成熟选手不多,nats以及其主持持久化的子项目nats-streaming算是其中两个。不过nats的消息送达模型是:At-least-once-delivery,即至少送一次(而没有kafka的精确送一次的送达模型)。一旦消费者性能下降,给nats server返回的应答超时,nats就会做消息的重发处理:即将消息重新加入到队列中。这与我们的业务模型不符,即便nats提供了发送超时的设定,但我们还是无法给出适当的timeout时间。Go圈里的另一个高性能分布式消息队列nsq采用的也是“至少送一次”的消息送达模型,因此也无法满足我们的业务需求。

我们的业务决定了我们需要的队列要支持“多生产者多消费者”模型,Go语言内置的channel也是一个不错的候选。经过多个Go版本的打磨和优化,channel的send和recv操作性能在一定数量goroutine的情况下已经可以满足很多业务场景的需求了。但channel还是不完全满足我们的业务需求。我们的系统要求尽可能将来自客户端的消息接收下来并缓存在队列中。即便下游发送性能变慢,也要将客户消息先收下来,而不是拒收或延迟响应。而channel本质上是一个具有“静态大小”的队列并且Go的channel操作语义会在channel buffer满的情况下阻塞对channel的继续send,这就与我们的场景要求有背离,即便我们使用buffered channel,我们也很难选择一个合适的len值,并且一旦buffer满,它与unbuffered channel行为无异。

这样一来,我们便选择自己实现一个简单的、高性能的满足业务要求的队列,并且最好能像channel那样可以被select监听到数据ready,而不是给消费者带去“心智负担” :消费者采用轮询的方式查看队列中是否有数据。

2. 设计与实现方案

要设计和实现这样一个队列结构,我们需要解决三个问题:

  • 实现队列这个数据结构;
  • 实现多goroutine并发访问队列时对消费者和生产者的协调;
  • 解决消费者使用select监听队列的问题。

我们逐一来看!

1) 基础队列结构实现来自一个未被Go项目采纳的技术提案

队列是最基础的数据结构,实现一个“先进先出(FIFO)”的练手queue十分容易,但实现一份能加入标准库、资源占用小且性能良好的queue并不容易。Christian Petrin在2018年10月份曾发起一份关于Go标准库加入queue实现的技术提案,提案对基于array和链表的多种queue实现进行详细的比对,并最终给出结论:impl7是最为适宜和有竞争力的标准库queue的候选者。虽然该技术提案目前尚未得到accept,但impl7足可以作为我们的内存队列的基础实现。

2) 为impl7添加并发支持

在性能敏感的领域,我们可以直接使用sync包提供的诸多同步原语来实现goroutine并发安全访问,这里也不例外,一个最简单的让impl7队列实现支持并发的方法就是使用sync.Mutex实现对队列的互斥访问。由于impl7并未作为一个独立的repo存在,我们将其代码copy到我们的实现中(queueimpl7.go),并将其包名由queueimpl7改名为queue:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue1/queueimpl7.go

// Package queueimpl7 implements an unbounded, dynamically growing FIFO queue.
// Internally, queue store the values in fixed sized slices that are linked using
// a singly linked list.
// This implementation tests the queue performance when performing lazy creation of
// the internal slice as well as starting with a 1 sized slice, allowing it to grow
// up to 16 by using the builtin append function. Subsequent slices are created with
// 128 fixed size.
package queue

// Keeping below as var so it is possible to run the slice size bench tests with no coding changes.
var (
        // firstSliceSize holds the size of the first slice.
        firstSliceSize = 1

        // maxFirstSliceSize holds the maximum size of the first slice.
        maxFirstSliceSize = 16

        // maxInternalSliceSize holds the maximum size of each internal slice.
        maxInternalSliceSize = 128
)
... ...

下面我们就来为以queueimpl7为底层实现的queue增加并发访问支持:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue1/safe-queue.go

package queue

import (
    "sync"
)

type SafeQueue struct {
    q *Queueimpl7
    sync.Mutex
}

func NewSafe() *SafeQueue {
    sq := &SafeQueue{
        q: New(),
    }

    return sq
}

func (s *SafeQueue) Len() int {
    s.Lock()
    n := s.q.Len()
    s.Unlock()
    return n
}

func (s *SafeQueue) Push(v interface{}) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()

    s.q.Push(v)
}

func (s *SafeQueue) Pop() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Pop()
}

func (s *SafeQueue) Front() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Front()
}

我们建立一个新结构体SafeQueue,用于表示支持并发访问的Queue,该结构只是在queueimpl7的Queue的基础上嵌入了sync.Mutex。

3) 支持select监听

到这里支持并发的queue虽然实现了,但在使用上还存在一些问题,尤其是对消费者而言,它只能通过轮询的方式来检查队列中是否有消息。而Go并发范式中,select扮演着重要角色,如果能让SafeQueue像普通channel那样能支持select监听,那么消费者在使用时的心智负担将大大降低。于是我们得到了下面第二版的SafeQueue实现:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue2/safe-queue.go

package queue

import (
    "sync"
    "time"
)

const (
    signalInterval = 200
    signalChanSize = 10
)

type SafeQueue struct {
    q *Queueimpl7
    sync.Mutex
    C chan struct{}
}

func NewSafe() *SafeQueue {
    sq := &SafeQueue{
        q: New(),
        C: make(chan struct{}, signalChanSize),
    }

    go func() {
        ticker := time.NewTicker(time.Millisecond * signalInterval)
        defer ticker.Stop()
        for {
            select {
            case <-ticker.C:
                if sq.q.Len() > 0 {
                    // send signal to indicate there are message waiting to be handled
                    select {
                    case sq.C <- struct{}{}:
                        //signaled
                    default:
                        // not block this goroutine
                    }
                }
            }
        }

    }()

    return sq
}

func (s *SafeQueue) Len() int {
    s.Lock()
    n := s.q.Len()
    s.Unlock()
    return n
}

func (s *SafeQueue) Push(v interface{}) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()

    s.q.Push(v)
}

func (s *SafeQueue) Pop() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Pop()
}

func (s *SafeQueue) Front() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Front()
}

从上面代码看到,每个SafeQueue的实例会伴随一个goroutine,该goroutine会定期(signalInterval)扫描其所绑定的队列实例中当前消息数,如果大于0,则会向SafeQueue结构中新增的channel发送一条数据,作为一个“事件”。SafeQueue的消费者则可以通过select来监听该channel,待收到“事件”后调用SafeQueue的Pop方法获取队列数据。下面是一个SafeQueue的简单使用示例:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/main.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"

    queue "github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2"
)

func main() {
    var q = queue.NewSafe()
    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(2)
    // 生产者
    go func() {
        for i := 0; i < 1000; i++ {
            time.Sleep(time.Second)
            q.Push(i + 1)

        }
        wg.Done()
    }()

    // 消费者
    go func() {
    LOOP:
        for {
            select {
            case <-q.C:
                for {
                    i, ok := q.Pop()
                    if !ok {
                        // no msg available
                        continue LOOP
                    }

                    fmt.Printf("%d\n", i.(int))
                }
            }

        }

    }()

    wg.Wait()
}

从支持SafeQueue的原理可以看到,当有多个消费者时,只有一个消费者能得到“事件”并开始消费。如果队列消息较少,只有一个消费者可以启动消费,这个机制也不会导致“惊群”;当队列中有源源不断的消费产生时,与SafeQueue绑定的goroutine可能会连续发送“事件”,多个消费者都会收到事件并启动消费行为。在这样的实现下,建议消费者在收到“事件”后持续消费,直到Pop的第二个返回值返回false(代表队列为空),就像上面示例中的那样。

这个SafeQueue的性能“中规中矩”,比buffered channel略好(Go 1.16 darwin下跑的benchmark):

$go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
BenchmarkParallelQueuePush-8                10687545           110.9 ns/op        32 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelQueuePop-8                 18185744            55.58 ns/op        0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkParallelPushBufferredChan-8        10275184           127.1 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPopBufferedChan-8          10168750           128.8 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPushUnBufferredChan-8       3005150           414.9 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPopUnBufferedChan-8         2987301           402.9 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
PASS
ok      github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2  11.209s

注:BenchmarkParallelQueuePop-8因为是读取空队列,所以没有分配内存,实际情况是会有内存分配的。另外并发goroutine的模拟差异可能导致有结果差异。

3. 扩展与问题

上面实现的SafeQueue是一个纯内存队列,一旦程序停止/重启,未处理的消息都将消失。一个传统的解决方法是采用wal(write ahead log)在推队列之前将消息持久化后写入文件,在消息出队列后将消息状态也写入wal文件中。这样重启程序时,从wal中恢复消息到各个队列即可。我们也可以将wal封装到SafeQueue的实现中,在SafeQueue的Push和Pop时自动操作wal,并对SafeQueue的使用者透明,不过这里有一个前提,那就是队列消息的可序列化(比如使用protobuf)。另外SafeQueue还需提供一个对外的wal消息恢复接口。大家可以考虑一下如何实现这些。

另外在上述的SafeQueue实现中,我们在给SafeQueue增加select监听时引入两个const:

const (
    signalInterval = 200
    signalChanSize = 10
)

对于SafeQueue的使用者而言,这两个默认值可能不满足需求,那么我们可以将SafeQueue的New方法做一些改造,采用“功能选项(functional option)”的模式为用户提供设置这两个值的可选接口,这个“作业”也留给大家了^_^。

本文所有示例代码可以在这里下载 – https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/queue-with-select。


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对Go 1.16 io/fs设计的第一感觉:得劲儿!

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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