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聊聊Go语言的全局变量

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/03/22/global-variable-in-go

注:上面篇首配图的底图由百度文心一格生成。

C语言是Go语言的先祖之一,Go继承了很多C语言的语法与表达方式,这其中就包含了全局变量,虽然Go在其语法规范中并没有直接给出全局变量的定义。但是已经入门Go的童鞋都知道,在Go中包的导出变量(exported variable)起到的就是全局变量的作用。Go包导出变量与C的全局变量在优缺点与使用方式也有相似之处。

我是C程序员出身,对全局变量并不陌生,因此学习Go语言全局变量时,也没有太多Gap。不过来自其他语言(比如Java)的童鞋在学习Go全局变量时可能会觉得别扭,在全局变量的使用方式的理解方面也久久不能到位。

在这一篇中,我们就来聊聊Go语言的全局变量,和大家一起系统地理解一下。

一. Go中的全局变量

全局变量是一个可以在整个程序中被访问和修改的变量,不管它在哪里被定义。不同的编程语言有着不同的声明和使用全局变量的方式。

在Python中,你可以在module的任何地方声明一个全局变量。就像下面示例中的globvar。但是如果你想给它重新赋值,则需要在函数中使用global关键字。

globvar = 0

def set_globvar_to_one():
  global globvar # 要给全局变量globvar赋值
  globvar = 1

def print_globvar():
  print(globvar) # 读取全局变量globvar时无需global关键字

set_globvar_to_one()
print_globvar() # 打印1

Java中没有全局变量的概念,但你却可以使用一个类的public静态变量来模拟全局变量的作用,因为这样的public类静态变量可以被任何其他类在任何地方访问到。比如下面Java代码中globalVar:

public class GlobalExample {

  // 全局变量
  public static int globalVar = 10;

  // 全局常量
  public static final String GLOBAL_CONST = "Hello";

}

在Go中,全局变量指的是在包的最顶层声明的头母大写的导出变量,这样这个变量在整个Go程序的任何角落都可以被访问和修改,比如下面示例代码中foo包的变量Global:

package foo

var Global = "myvalue" // Go全局变量

package bar

import "foo"

func F1() {
    println(foo.Global)
    foo.Global = "another value"
}

foo.Global可以被任何导入foo包的其他包所读取和修改,就像上面代码F1中对它的那些操作。

即便是全局变量,按Go语法规范,上述Global变量的作用域也是package block的,而非universe block的,关于Go标识符的作用域,Go语言第一课专栏第11讲有系统详细地说明。

Go导出变量在Go中既然充当着全局变量的角色,它也就有了和其他语言全局变量一样的优劣势。接下来我们就来看看全局变量的优点与不足。

二. 全局变量的优缺点

俗话说:既然存在就有存在的“道理”!我们不去探讨“存在即合理”在哲学层面是否正确,我们先来看看全局变量的存在究竟能带来哪些好处。

1. 全局变量的优点

  • 首先,全局变量易于访问

全局变量的定义决定了它可以在程序的任何地方被访问。无论是在函数、方法、循环体内、深度缩进的条件语句块内部,全局变量都可以被直接访问到。这为减少函数参数个数带来一定“便利”,同时也省去了确定参数类型、实施参数传递的“烦恼”。

破壁人:全局变量容易被意外修改或被局部变量遮蔽,从而导致意想不到的问题。

  • 其次,全局变量易于共享数据

由于易于访问的特性,全局变量常用于在程序的不同部分之间共享数据,比如配置项数据、命令行标志(cmd flag)等。又由于全局变量的生命周期与程序的整个生命周期等同,不会因为函数调用结束而销毁,也不会被GC掉,可以始终存在并保持其值。因此全局变量被用作共享数据时,开发人员也不会有担心全局变量所在内存“已被回收”的心智负担。

破壁人: 并发的多线程或多协程(包括goroutine)访问同一个全局变量时需要考虑“数据竞争”问题。

  • 最后,全局变量让代码显得更为简洁

Go全局变量只需要在包的顶层声明一次即可,之后便可以在程序的任何地方对其进行访问和修改。对于声明全局变量的包的维护者而言,这样的代码再简洁不过了!

破壁人: 多处访问和修改全局变量的代码都与全局变量产生了直接的数据耦合,降低了可维护性和扩展性。

在上面的说明中,我针对全局变量的每条优点都写了一条“破壁人”观点,把这些破壁观点聚拢起来,就构成了全局变量的缺点集合,我们继续来看一下。

2. 全局变量的缺点

  • 首先,全局变量容易被意外修改或被局部变量遮蔽

前面提到,全局变量易于访问,这意味着所有地方都可能会直接访问或修改全局变量。任何一个位置改变了全局变量,都可能会以意想不到的方式影响着另外一个使用它的函数。这将导致针对这些函数的测试更为困难,全局变量的存在让各个测试之间隔离性不好,测试用例执行过程中如果修改了全局变量,测试执行结束前可能都需要将全局变量恢复到之前的状态,以尽可能保证对其他测试用例的干扰最小,下面是一个示例:

var globalVar int

func F1() {
    globalVar = 5
}

func F2() {
    globalVar = 6
}

func TestF1(t *testing) {
    old := globalVar
    F1()
    // assert the result
    ... ...
    globalVar = old // 恢复globalVar
}

func TestF2(t *testing) {
    old := globalVar
    F2()
    // assert the result
    ... ...
    globalVar = old // 恢复globalVar
}

此外,全局变量十分容易被函数、方法、循环体的同名局部变量所遮蔽(shadow),导致一些奇怪难debug的问题,尤其是与Go的短变量声明语法结合使用时

go vet支持对代码的静态分析,不过变量遮蔽检查的功能需要额外安装:

$go install golang.org/x/tools/go/analysis/passes/shadow/cmd/shadow@latest
$go vet -vettool=$(which shadow)
  • 其次,并发条件下,对全局变量的访问存在“数据竞争”问题

如果你的程序存在多个goroutine对全局变量的并发读写,那么“数据竞争”问题便不可避免。你需要使用额外的同步手段对全局变量进行保护,比如互斥锁、读写锁、原子操作等。

同理,没有同步手段保护的全局变量也限制了单元测试的并行执行能力(-paralell)。

  • 最后,全局变量在带来代码简洁性的同时,更多带来的是对扩展和复用不利的耦合性

全局变量让程序中所有访问和修改它的代码对其产生了数据耦合,全局变量的细微变化都将对这些代码产生影响。这样,如果要复用或扩展这些依赖全局变量的代码将变得十分困难。比如:若要对它们进行并行化执行,需要考虑其耦合的全局变量是否支持同步手段。若要复用其中的代码逻辑到其他程序中,可能还需要在新程序中创建一个新的全局变量。

我们看到,Go全局变量有优点,更有一堆不足,那么我们在实际生产编码过程中到底该如何对待全局变量呢?我们继续往下看。

三. Go全局变量的使用惯例与替代方案

到底Go语言是如何对待全局变量的?我翻了翻标准库来看看Go官方团队是如何对待全局变量的,我得到的结论是尽量少用

Go标准库中的全局变量用了“不少”,但绝大多数都是全局的“哨兵”错误变量,比如:

// $GOROOT/src/io/io.go
var ErrShortWrite = errors.New("short write")

// ErrShortBuffer means that a read required a longer buffer than was provided.
var ErrShortBuffer = errors.New("short buffer")

// EOF is the error returned by Read when no more input is available.
// (Read must return EOF itself, not an error wrapping EOF,
// because callers will test for EOF using ==.)
// Functions should return EOF only to signal a graceful end of input.
// If the EOF occurs unexpectedly in a structured data stream,
// the appropriate error is either ErrUnexpectedEOF or some other error
// giving more detail.
var EOF = errors.New("EOF")

// ErrUnexpectedEOF means that EOF was encountered in the
// middle of reading a fixed-size block or data structure.
var ErrUnexpectedEOF = errors.New("unexpected EOF")
... ...

关于错误处理中的“哨兵”错误处理模式,可以参考我的Go语言第一课专栏。更多Go错误处理模式在专栏中有系统讲解。

这些ErrXXX全局变量虽说是被定义为了“变量(Var)”,但Go开源许久以来,大家已经达成默契:这些ErrXXX变量仅是“只读”的,没人会对其进行任何修改操作。到这里有初学者可能会问:那为什么不将它们定义为常量呢?那是因为Go语言对常量的类型是有要求的:

Go常量有布尔常量、rune常量、整数常量、浮点常量、复数常量和字符串常量。

其他类型均不能被定义为常量。而errors.New返回的动态类型为errors.errorString结构体类型的指针,显然也不在常量类型范围之内。

除了ErrXXX这类全局变量外,Go标准库中其他全局变量就很少了。一个典型的全局变量是http.DefaultServeMux:

// $GOROOT/src/net/http/server.go

// DefaultServeMux is the default ServeMux used by Serve.
var DefaultServeMux = &defaultServeMux

var defaultServeMux ServeMux

// NewServeMux allocates and returns a new ServeMux.
func NewServeMux() *ServeMux { return new(ServeMux) }

http包是Go早期就携带的高频使用的包,我猜早期实现时出于某种原因定义了全局变量DefaultServeMux,后期可能由于兼容性原因保留了该全局变量,但从代码逻辑来看,去掉也不会有任何影响。

通过http包的DefaultServeMux、defaultServeMux和NewServeMux等逻辑,我们也可以看出Go语言采用的替代全局变量的方案,那就是“封装”。以http.ServeMux为例(我们假设删除掉DefaultServeMux这个全局变量,用包级非导出变量defaultServeMux替代它)。

http包定义了ServeMux类型以及相应方法用于处理HTTP请求的多路复用,但http包并未直接定义一个ServerMux的全局变量(我们假设删除了DefaultServeMux变量),而是定义了一个包级非导出变量defaultServeMux作为默认的Mux。

http包仅导出两个函数Handle和HandleFunc供调用者注册http请求路径与对应的handler(下面代码中的DefaultServeMux可换成defaultServeMux):

// $GOROOT/src/net/http/server.go

// Handle registers the handler for the given pattern
// in the DefaultServeMux.
// The documentation for ServeMux explains how patterns are matched.
func Handle(pattern string, handler Handler) { DefaultServeMux.Handle(pattern, handler) }

// HandleFunc registers the handler function for the given pattern
// in the DefaultServeMux.
// The documentation for ServeMux explains how patterns are matched.
func HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
    DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
}

这样http完全不需要暴露Mux实现的细节,调用者也无需依赖一个全局变量,这个方案将原先的对全局变量的数据耦合转换为对http包的行为耦合。

类似的作法我们在标准库log包中也能看到,log包定义了包级变量std用作默认的Logger,但对外仅暴露Printf等系列打印函数,这些函数的实现会使用包级变量std的相应方法:

// $GOROOT/src/log/log.go

// Print calls Output to print to the standard logger.
// Arguments are handled in the manner of fmt.Print.
func Print(v ...any) {
    if std.isDiscard.Load() {
        return
    }
    std.Output(2, fmt.Sprint(v...))
}

// Printf calls Output to print to the standard logger.
// Arguments are handled in the manner of fmt.Printf.
func Printf(format string, v ...any) {
    if std.isDiscard.Load() {
        return
    }
    std.Output(2, fmt.Sprintf(format, v...))
}

// Println calls Output to print to the standard logger.
// Arguments are handled in the manner of fmt.Println.
func Println(v ...any) {
    if std.isDiscard.Load() {
        return
    }
    std.Output(2, fmt.Sprintln(v...))
}
... ...

注:其他语言可能有一些其他的替代全局变量的方案,比如Java的依赖注入。

四. 小结

综上,全局变量虽然有易于访问、易于共享、代码简洁等优点,但相较于其带来的意外修改、并发数据竞争、更高的耦合性等弊端而言,Go开发者选择了“尽量少用全局变量”的最佳实践。

此外,在Go中最常见的替代全局变量的方案就是封装,这个大家可以通过阅读标准库的典型源码慢慢体会。

注:本文部分内容来自于New Bing的Chat功能(据说是基于GPT-4大语言模型)生成的答案。


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Go 1.20中值得关注的几个变化

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/02/08/some-changes-in-go-1-20

美国时间2023年2月1日,唯一尚未退休的Go语言之父Robert Griesemer代表Go核心开发团队在Go官博撰文正式发布了Go 1.20版本。就像Russ Cox在2022 GopherCon大会所说的那样:Go2永不会到来,Go 1.x.y将无限延续

注:似乎新兴编程语言都喜欢停留在1.x.y上无限延续,譬如已经演化到1.67版本的Rust^_^。

《Go,13周年》之后,Go 1.20新特性在开发主干冻结(2022.11)之前,我曾写过一篇《Go 1.20新特性前瞻》,对照着Go 1.20 milestone中内容,把我认为的主要特性和大家简单过了一遍,不过那时Go 1.20毕竟没有正式发布,前瞻肯定不够全面,某些具体的点与正式版本可能也有差异!现在Go 1.20版本正式发布了,其Release Notes也补充完整了,在这一篇中,我再来系统说说Go 1.20版本中值得关注的那些变化。对于在前瞻一文中详细介绍过的特性,这里不会再重复讲解了,大家参考前瞻一文中的内容即可。而对于其他一些特性,或是前瞻一文中着墨不多的特性,这里会挑重点展开说说。

按照惯例,我们依旧首先来看看Go语法层面都有哪些变化,这可能也是多数Gopher们最为关注的变化点。

一. 语法变化

Go秉持“大道至简”的理念,对Go语法特性向来是“不与时俱进”的。自从Go 1.18大刀阔斧的加入了泛型特性后,Go语法特性就又恢复到了之前的“新三年旧三年,缝缝补补又三年”的节奏。Go 1.20亦是如此啊!Release Notes说Go 1.20版本在语言方面包含了四点变化,但看了变化的内容后,我觉得真正的变化只有一个,其他的都是修修补补。

1. 切片到数组的转换

唯一算是真语法变化的特性是支持切片类型到数组类型(或数组类型的指针)的类型转换,这个特性在前瞻一文中系统讲过,这里就不赘述了,放个例子大家直观认知一下就可以了:

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/lang/slice2arr.go

func slice2arrOK() {
    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]
}

func slice2arrPanic() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    fmt.Println(sl)
    var arr = [8]int(sl) // panic: runtime error: cannot convert slice with length 7 to array or pointer to array with leng  th 8
    fmt.Println(arr)     // &[11 2 3 4 5 6 7]

}

func main() {
    slice2arrOK()
    slice2arrPanic()
}

有两点注意一下就好:

  • 切片转换为数组类型的指针,那么该指针将指向切片的底层数组,就如同上面例子中slice2arrOK的parr变量那样;
  • 转换的数组类型的长度不能大于原切片的长度(注意是长度而不是切片的容量哦),否则在运行时会抛出panic。

2. 其他的修修补补

  • comparable“放宽”了对泛型实参的限制

下面代码在Go 1.20版本之前,比如Go 1.19版本中会无法通过编译:

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/lang/comparable.go

func doSth[T comparable](t T) {
}

func main() {
    n := 2
    var i interface{} = n // 编译错误:interface{} does not implement comparable
    doSth(i)
}

之前,comparable约束下的泛型形参需要支持严格可比较(strictly comparable)的类型作为泛型实参,哪些是严格可比较的类型呢?Go 1.20的语法规范做出了进一步澄清:如果一个类型是可比较的,且不是接口类型或由接口类型组成的类型,那么这个类型就是严格可比较的类型,包括:

- 布尔型、数值类型、字符串类型、指针类型和channel是严格可比较的。
- 如果结构体类型的所有字段的类型都是严格可比较的,那么该结构体类型就是严格可比较的。
- 如果数组元素的类型是严格可比较的,那么该数组类型就是严格可比较的。
- 如果类型形参的类型集合中的所有类型都是严格可比较的,那么该类型形参就是严格可比较的。

我们看到:例外的就是接口类型了。接口类型不是“严格可比较的(strictly comparable)”,但未作为类型形参的接口类型是可比较的(comparable),如果两个接口类型的动态类型相同且值相等,那么这两个接口类型就相等,或两个接口类型的值均为nil,它们也相等,否则不等。

Go 1.19版本及之前,作为非严格比较类型的接口类型是不能作为comparable约束的类型形参的类型实参的,就像上面comparable.go中示例代码那样,但Go 1.20版本开始,这一要求被防控,接口类型被允许作为类型实参赋值给comparable约束的类型形参了!不过这么做之前,你也要明确一点,如果像下面这样两个接口类型底层类型相同且是不可比较的类型(比如切片),那么代码将在运行时抛panic:

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/lang/comparable1.go

func doSth[T comparable](t1, t2 T) {
    if t1 != t2 {
        println("unequal")
        return
    }
    println("equal")
}

func main() {
    n1 := []byte{2}
    n2 := []byte{3}
    var i interface{} = n1
    var j interface{} = n2
    doSth(i, j) // panic: runtime error: comparing uncomparable type []uint8
}

Go 1.20语言规范借此机会还进一步澄清了结构体和数组两种类型比较实现的规范:对于结构体类型,Go会按照结构体字段的声明顺序,逐一字段进行比较,直到遇到第一个不相等的字段为止。如果没有不相等字段,则两个结构体字段相等;对于数组类型,Go会按数组元素的顺序,逐一元素进行比较,直到遇到第一个不相等的元素为止。如果没有不相等的元素,则两个数组相等。

  • unsafe包继续添加“语法糖”

Go 1.17版本在unsafe包增加Slice函数后,Go 1.20版本又增加三个语法糖函数:SliceData、String和StringData:

// $GOROOT/src/unsafe/unsafe.go
func SliceData(slice []ArbitraryType) *ArbitraryType
func String(ptr *byte, len IntegerType) string
func StringData(str string) *byte

值得注意的是由于string的不可更改性,String函数的参数ptr指向的内容以及StringData返回的指针指向的内容在String调用和StringData调用后不允许修改,但实际情况是怎么样的呢?

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/lang/unsafe.go

func main() {
    var arr = [6]byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o', '!'}
    s := unsafe.String(&arr[0], 6)
    fmt.Println(s) // hello!
    arr[0] = 'j'
    fmt.Println(s) // jello!

    b := unsafe.StringData(s)
    *b = 'k'
    fmt.Println(s) // kello!

    s1 := "golang"
    fmt.Println(s1) // golang
    b = unsafe.StringData(s1)
    *b = 'h' // fatal error: fault, unexpected fault address 0x10a67e5
    fmt.Println(s1)
}

我们看到:unsafe.String函数调用后,如果我们修改了传入的指针指向的内容,那么该改动会影响到后续返回的string内容!而StringData返回
的指针所指向的内容一旦被修改,其结果要根据字符串的来源而定了。对于由可修改的底层数组“创建”的字符串(如s),通过StringData返回的指
针可以“修改”字符串的内容;而对于由字符串字面值初始化的字符串变量(如s1),其内容是不可修改的(编译器将字符串底层存储分配在了只读数据区),尝试通过指针修改指向内容,会导致运行时的段错误。

二. 工具链

1. Go安装包“瘦身”

这些年,Go发布版的安装包“体格”是越来越壮了,动辄100多MB的压缩包,以go.dev/dl页面上的go1.xy.linux-amd64.tar.gz为例,我们看看从Go 1.15版本到Go 1.19版本的“体格”变化趋势:

Go 1.15 - 116MB
Go 1.16 - 123MB
Go 1.17 - 129MB
Go 1.18 - 135MB
Go 1.19 - 142MB

如果按此趋势,Go 1.20势必要上到150MB以上。但Go团队找到了“瘦身”方法,那就是:从Go 1.20开始发行版的安装包不再为GOROOT中的软件包提供预编译的.a文件了,这样我们得到的瘦身后的Go 1.20版本的size为95MB!相较于Go 1.19,Go 1.20的安装包“瘦”了三分之一。安装包解压后这种体现更为明显:

➜  /Users/tonybai/.bin/go1.19 git:(master) ✗ $du -sh
495M    .
➜  /Users/tonybai/.bin/go1.20 git:(master) ✗ $du -sh
265M    .

我们看到:Go 1.20占用的磁盘空间仅为Go 1.19版本的一半多一点而已。 并且,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下的软件包安装.a文件。

2. 编译器

1) PGO(profile-guided optimization)

Go 1.20编译器的一个最大的变更点是引入了PGO优化技术预览版,这个在前瞻一文中也有对PGO技术的简单介绍。说白了点,PGO技术就是在原有compiler优化技术的基础上,针对程序在生产环境运行中的热点关键路径再进行一轮优化,并且针对热点代码执行路径,编译器会放开一些限制,比如Go决定是否对函数进行内联优化的复杂度上限默认值是80,但对于PGO指示的关键热点路径,即便函数复杂性超过80很多,也可能会被inline优化掉。

之前持续性能剖析工具开发商Polar Signals曾发布一篇文章《Exploring Go’s Profile-Guided Optimizations》,专门探讨了PGO技术可能带来的优化效果,文章中借助了Go项目中自带的测试示例,这里也基于这个示例带大家重现一下。

我们使用的例子在Go 1.20源码/安装包的\$GOROOT/src/cmd/compile/internal/test/testdata/pgo/inline路径下:

$ls -l
total 3156
-rw-r--r-- 1 tonybai tonybai    1698 Jan 31 05:46 inline_hot.go
-rw-r--r-- 1 tonybai tonybai     843 Jan 31 05:46 inline_hot_test.go

我们首先执行一下inline目录下的测试,并生成用于测试的可执行文件以及对应的cpu profile文件供后续PGO优化使用:

$go test -o inline_hot.test -bench=. -cpuprofile inline_hot.pprof
goos: linux
goarch: amd64
pkg: cmd/compile/internal/test/testdata/pgo/inline
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9700 CPU @ 3.00GHz
BenchmarkA-8        1348        870005 ns/op
PASS
ok      cmd/compile/internal/test/testdata/pgo/inline   1.413s

接下来,我们对比一下不使用PGO和使用PGO优化,Go编译器在内联优化上的区别:

$diff <(go test -run=none -tags='' -timeout=9m0s -gcflags="-m -m" 2>&1 | grep "can inline") <(go test -run=none -tags='' -timeout=9m0s -gcflags="-m -m -pgoprofile inline_hot.pprof" 2>&1 | grep "can inline")
4a5,6
> ./inline_hot.go:53:6: can inline (*BS).NS with cost 106 as: method(*BS) func(uint) (uint, bool) { x := int(i >> lWSize); if x >= len(b.s) { return 0, false }; w := b.s[x]; w = w >> (i & (wSize - 1)); if w != 0 { return i + T(w), true }; x = x + 1; for loop; return 0, false }
> ./inline_hot.go:74:6: can inline A with cost 312 as: func() { s := N(100000); for loop; for loop }

上面diff命令中为Go test命令传入-run=none -tags=”" -gcflags=”-m -m”是为了仅编译源文件,而不执行任何测试。

我们看到,相较于未使用PGO优化的结果,PGO优化后的结果多了两个inline函数,这两个可以被inline的函数,一个的复杂度开销为106,一个是312,都超出了默认的80,但仍然可以被inline。

我们来看看PGO的实际优化效果,我们分为在无PGO优化与有PGO优化下执行100次benchmark,再用benchstat工具对比两次的结果:

$go test -o inline_hot.test -bench=. -cpuprofile inline_hot.pprof -count=100 > without_pgo.txt
$go test -o inline_hot.test -bench=. -gcflags="-pgoprofile inline_hot.pprof" -count=100 > with_pgo.txt

$benchstat without_pgo.txt with_pgo.txt
goos: linux
goarch: amd64
pkg: cmd/compile/internal/test/testdata/pgo/inline
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9700 CPU @ 3.00GHz
    │ without_pgo.txt │            with_pgo.txt             │
    │     sec/op      │   sec/op     vs base                │
A-8       874.7µ ± 0%   872.6µ ± 0%  -0.24% (p=0.024 n=100)

注:benchstat的安装方法:\$go install golang.org/x/perf/cmd/benchstat@latest

我们看到,在我的机器上(ubuntu 20.04 linux kerenel 5.4.0-132),PGO针对这个测试的优化效果并不明显(仅仅有0.24%的提升),Polar Signals原文中的提升幅度也不大,仅为1.05%。

Go官方Release Notes中提到benchmark提升效果为3%~4%,同时官方也提到了,这个仅仅是PGO初始技术预览版,后续会加强对PGO优化的投入,直至对多数程序产生较为明显的优化效果。个人觉得目前PGO尚处于早期,不建议在生产中使用。

Go官方也增加针对PGO的ref页面,大家重点看看其中的FAQ,你会有更多收获!

2) 构建速度

Go 1.18泛型落地后,Go编译器的编译速度出现了回退(幅度15%),Go 1.19编译速度也没有提升。虽然编译速度回退后依然可以“秒杀”竞争对手,但对于以编译速度快著称的Go来说,这个问题必须修复。Go 1.20做到了这一点,让Go编译器的编译速度重新回归到了Go 1.17的水准!相对Go 1.19提升10%左右。

我使用github.com/reviewdog/reviewdog这个库实测了一下,分别使用go 1.17.1、go 1.18.6、go 1.19.1和Go 1.20对这个module进行go build -a构建(之前将依赖包都下载本地,排除掉go get环节的影响),结果如下:

go 1.20:
$time go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog
go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog  48.01s user 7.96s system 536% cpu 10.433 total

go 1.19.1:
$time go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog
go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog  54.40s user 10.20s system 506% cpu 12.757 total

go 1.18.6:
$time go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog
go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog  53.78s user 9.85s system 545% cpu 11.654 total

go 1.17.1:
$time go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog
go build -a github.com/reviewdog/reviewdog/cmd/reviewdog  50.30s user 9.76s system 580% cpu 10.338 total

虽然不能十分精确,但总体上反映出各个版本的编译速度水准以及Go 1.20相对于Go 1.18和Go 1.19版本的提升。我们看到Go 1.20与Go 1.17版本在一个水平线上,甚至要超过Go 1.17(但可能仅限于我这个个例)。

3) 允许在泛型函数/方法中进行类型声明

Go 1.20版本之前下面代码是无法通过Go编译器的编译的:

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/tools/compiler/local_type_decl.go
package main

func F[T1 any]() {
    type x struct{} // 编译错误:type declarations inside generic functions are not currently supported
    type y = x      // 编译错误:type declarations inside generic functions are not currently supported
}

func main() {
    F[int]()
}

Go 1.20改进了语言前端的实现,通过unified IR实现了对在泛型函数/方法中进行类型声明(包括定义type alias)的支持。

同时,Go 1.20在spec中还明确了哪些使用了递归方式声明的类型形参列表是不合法的

type T1[P T1[P]] …                    // 不合法: 形参列表中作为约束的T1引用了自己
type T2[P interface{ T2[int] }] …     // 不合法: 形参列表中作为约束的T2引用了自己
type T3[P interface{ m(T3[int])}] …   // 不合法: 形参列表中作为约束的T3引用了自己

type T4[P T5[P]] …                    // 不合法: 形参列表中,T4引用了T5 并且
type T5[P T4[P]] …                    //          T5引用了T4

type T6[P int] struct{ f *T6[P] }     // 正确: 虽然引用了T6,但这个引用发生在结构体定义中而不是形参列表中

4) 构建自举源码的Go编译器的版本选择

Go从Go 1.5版本开始实现自举,即使用Go实现Go,那么自举后的Go项目是谁来编译的呢?最初对应编译Go 1.5版本的Go编译器版本为Go 1.4。

以前从源码构建Go发行版,当未设置GOROOT_BOOTSTRAP时,编译脚本会默认使用Go 1.4,但如果有更高版本的Go编译器存在,会使用更高版本的编译器。

Go 1.18和Go 1.19会首先寻找是否有go 1.17版本,如果没有再使用go 1.4。

Go 1.20会寻找当前Go 1.17的最后一个版本Go 1.17.13,如果没有,则使用Go 1.4。

将来,Go核心团队计划一年升级一次构建自举源码的Go编译器的版本,例如:Go 1.22版本将使用Go 1.20版本的编译器。

5) cgo

Go命令现在在没有C工具链的系统上会默认禁用了cgo。更具体来说,当CGO_ENABLED环境变量未设置,CC环境变量未设置以及PATH环境变量中没有找到默认的C编译器(通常是clang或gcc)时,CGO_ENABLED会被默认设置为0。

3. 其他工具

1) 支持采集应用执行的代码盖率

在前瞻一文中,我提到过Go 1.20将对代码覆盖率的支持扩展到了应用整体层面,而不再仅仅是unit test。这里使用一个例子来看一下,究竟如何采集应用代码的执行覆盖率。我们以gitlab.com/esr/loccount这个代码统计工具为例,先修改一下Makefile,在go build后面加上-cover选项,然后编译loccount,并对其自身进行代码统计:

// /home/tonybai/go/src/gitlab.com/loccount
$make
$mkdir mycovdata
$GOCOVERDIR=./mycovdata loccount .
all          SLOC=4279    (100.00%) LLOC=1213    in 110 files
Go           SLOC=1724    (40.29%)  LLOC=835     in 3 files
asciidoc     SLOC=752     (17.57%)  LLOC=0       in 5 files
C            SLOC=278     (6.50%)   LLOC=8       in 2 files
Python       SLOC=156     (3.65%)   LLOC=0       in 2 files
... ...

上面执行loccount之前,我们建立了一个mycovdata目录,并设置GOCOVERDIR的值为mycovdata目录的路径。在这样的上下文下,执行loccount后,mycovdata目录下会生成一些覆盖率统计数据文件:

$ls mycovdata
covcounters.4ec45ce64f965e77563ecf011e110d4f.926594.1675678144659536943  covmeta.4ec45ce64f965e77563ecf011e110d4f

怎么查看loccount的执行覆盖率呢?我们使用go tool covdata来查看:

$go tool covdata percent -i=mycovdata
    loccount    coverage: 69.6% of statements

当然, covdata子命令还支持其他一些功能,大家可以自行查看manual挖掘。

2) vet

Go 1.20版本中,go工具链的vet子命令增加了两个十分实用的检测:

  • 对loopclosure这一检测策略进行了增强

具体可参见https://github.com/golang/tools/tree/master/go/analysis/passes/loopclosure代码

  • 增加对2006-02-01的时间格式的检查

注意我们使用time.Format或Parse时,最常使用的是2006-01-02这样的格式,即ISO 8601标准的时间格式,但一些代码中总是出现2006-02-01,十分容易导致错误。这个版本中,go vet将会对此种情况进行检查。

三. 运行时与标准库

1. 运行时(runtime)

Go 1.20运行时的调整并不大,仅对GC的内部数据结构进行了微调,这个调整可以获得最多2%的内存开销下降以及cpu性能提升。

2. 标准库

标准库肯定是变化最多的那部分。前瞻一文中对下面变化也做了详细介绍,这里不赘述了,大家可以翻看那篇文章细读:

  • 支持wrap multiple errors
  • time包新增DateTime、DateOnly和TimeOnly三个layout格式常量
  • 新增arena包
    … …

标准库变化很多,这里不能一一罗列,再补充一些我认为重要的,其他的变化大家可以到Go 1.20 Release Notes去看:

1) arena包

前瞻一文已经对arena包做了简要描述,对于arena包的使用以及最佳适用场合的探索还在进行中。著名持续性能剖析工具pyroscope的官方博客文章《Go 1.20 arenas实践:arena vs. 传统内存管理》对于arena实验特性的使用给出了几点好的建议,比如:

  • 只在关键的代码路径中使用arena,不要到处使用它们
  • 在使用arena之前和之后对你的代码进行profiling,以确保你在能提供最大好处的地方添加arena。
  • 密切关注arena上创建的对象的生命周期。确保你不会把它们泄露给你程序中的其他组件,因为那里的对象可能会超过arena的寿命。
  • 使用defer a.Free()来确保你不会忘记释放内存。
  • 如果你想在arena被释放后使用对象,使用arena.Clone()将其克隆回heap中。

pyroscope的开发人员认为arena是一个强大的工具,也支持标准库中保留arena这个特性,但也建议将arena和reflect、unsafe、cgo等一样纳入“不推荐”使用的包行列。这点我也是赞同的。我也在考虑如何基于arena改进我们产品的协议解析器的性能,有成果后,我也会将实践过程分享出来的。

2) 新增crypto/ecdh包

密码学包(crypto)的主要maintainer Filippo Valsorda从google离职后,成为了一名专职开源项目维护者。这似乎让其更有精力和动力对crypto包进行更好的规划、设计和实现了。crypto/ecdh包就是在他的提议下加入到Go标准库中的

相对于标准库之前存在的crypto/elliptic等包,crypto/ecdh包的API更为高级,Go官方推荐使用ecdh的高级API,这样大家以后可以不必再与低级的密码学函数斗争了。

3) HTTP ResponseController

以前HTTP handler的超时都是http服务器全局指定一个的:包括ReadTimeout和WriteTimeout。但有些时候,如果能在某个请求范围内支持这些超时(以及可能的其他选项)将非常有用。Damien Neil就创建了这个增加ResponseController的提案,下面是一个在HandlerFunc中使用ResponseController的例子:

http.HandleFunc("/foo", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  ctl := http.NewResponseController(w, r)
  ctl.SetWriteDeadline(time.Now().Add(1 * time.Minute)) // 仅为这个请求设置deadline
  fmt.Fprintln(w, "Hello, world.") // 这个写入的timeout为1-minute
})

4) context包增加WithCancelCause函数

context包新增了一个WithCancelCause函数,与WithCancel不同,通过WithCancelCause返回的Context,我们可以得到cancel的原因,比如下面示例:

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go1.20-examples/library/context.go

func main() {
    myError := fmt.Errorf("%s", "myError")
    ctx, cancel := context.WithCancelCause(context.Background())
    cancel(myError)
    fmt.Println(ctx.Err())          // context.Canceled
    fmt.Println(context.Cause(ctx)) // myError
}

我们看到通过context.Cause可以得到Context在cancel时传入的错误原因。

四. 移植性

Go对新cpu体系结构和OS的支持向来是走在前面的。Go 1.20还新增了对freebsd在risc-v上的实验性支持,其环境变量为GOOS=freebsd, GOARCH=riscv64。但Go 1.20也将成为对下面平台提供支持的最后一个Go版本:

  • Windows 7, 8, Server 2008和Server 2012
  • MacOS 10.13 High Sierra和10.14 (我的安装了10.14的mac os又要在go 1.21不被支持了^_^)

近期Go团队又有了新提案:支持WASI(GOOS=wasi GOARCH=wasm),WASI是啥,它是WebAssembly一套与引擎无关(engine-indepent)的、面向非Web系统的WASM API标准,是WebAssembly脱离浏览器的必经之路!一旦生成满足WASI的WASM程序,该程序就可以在任何支持WASI或兼容的runtime上运行。不出意外,该提案将在Go 1.21或Go 1.22版本落地。

本文中的示例代码可以在这里下载。


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