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Go程序员拥抱C语言简明指南

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/05/16/the-short-guide-of-embracing-c-lang-for-gopher

本文是为于航老师的极客时间专栏《深入C语言和程序运行原理》写的加餐文章《Tony Bai:Go程序员拥抱C语言简明指南》,这里分享给大家,尤其是那些想学习C语言的Gopher们。


你好,我是Tony Bai。

也许有同学对我比较熟悉,看过我在极客时间上的专栏《Tony Bai ·Go语言第一课》,或者是关注了我的博客。那么,作为一个Gopher,我怎么跑到这个C语言专栏做分享了呢?其实,在学习Go语言并成为一名Go程序员之前,我也曾是一名地地道道的C语言程序员。

大学毕业后,我就开始从事C语言后端服务开发工作,在电信增值领域摸爬滚打了十多年。不信的话,你可以去翻翻我的博客,数一数我发的C语言相关文章是不是比关于Go的还多。一直到近几年,我才将工作中的主力语言从C切换到了Go。不过这并不是C语言的问题,主要原因是我转换赛道了。我目前在智能网联汽车领域从事面向云原生平台的先行研发,而在云原生方面,新生代的Go语言有着更好的生态。

不过作为资深C程序员,C语言已经在我身上打下了深深的烙印。虽然Go是我现在工作中的主力语言,但我仍然会每天阅读一些C开源项目的源码,每周还会写下数百行的C代码。在一些工作场景中,特别是在我参与先行研发一些车端中间件时,C语言有着资源占用小、性能高的优势,这一点是Go目前还无法匹敌的。

正因为我有着C程序员和Go程序员的双重身份,接到这个加餐邀请时,我就想到了一个很适合聊的话题——在 Gopher(泛指Go程序员)与C语言之间“牵线搭桥”。在这门课的评论区里,我看到一些同学说,“正是因为学了Go,所以我想学好C”。如果你也对Go比较熟悉,那么恭喜你,这篇加餐简直是为你量身定制的:一个熟悉Go的程序员在学习C时需要注意的问题,还有可能会遇到的坑,我都替你总结好了。

当然,我知道还有一些对Go了解不多的同学,看到这里也别急着退出去。因为C和Go这两门语言的比较,本身就是一个很有意思的话题。今天的加餐,会涉及这两门语言的异同点,通过对C与Go语言特性的比较,你就能更好地理解“C 语言为什么设计成现在这样”。

一. C语言是现代IT工业的根基

在比较C和Go之前,先说说我推荐Gopher学C的最重要原因吧:用一句话总结,C语言在IT工业中的根基地位,是Go和其他语言目前都无法动摇的

C语言是由美国贝尔实验室的丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie)以Unix发明人肯·汤普森(Ken Thompson)设计的B语言为基础而创建的高级编程语言。诞生于上个世纪(精确来说是1972年)的它,到今年(2022年)已到了“知天命”的半百年纪。 年纪大、设计久远一直是“C语言过时论”兴起的根源,但如果你相信这一论断,那就大错特错了。下面,我来为你分析下个中缘由。

首先,我们说说C语言本身:C语言一直在演进,从未停下过脚步

虽然C语言之父丹尼斯·里奇不幸于2011年永远地离开了我们,但C语言早已成为ANSI(美国国家标准学会)标准以及ISO/IEC(国际标准化组织和国际电工委员会)标准,因此其演进也早已由标准委员会负责。我们来简单回顾一下C语言标准的演进过程:

  • 1989年,ANSI发布了首个C语言标准,被称为C89,又称ANSI C。次年,ISO和IEC把ANSI C89标准定为C语言的国际标准(ISO/IEC 9899:1990),又称C90,它也是C语言的第一个官方版本;
  • 1999年,ISO和IEC发布了C99标准(ISO/IEC 9899:1999),它是C语言的第二个官方版本;
  • 2011年,ISO和IEC发布了C11标准(ISO/IEC 9899:2011),它是C语言的第三个官方版本;
  • 2018年,ISO和IEC发布了C18标准(ISO/IEC 9899:2018),它是C语言的第四个官方版本。
    目前,ISO/IEC标准化委员会正在致力于C2x标准的改进与制定,预计它会在2023年发布。

其次,时至今日,C语言的流行度仍然非常高

著名编程语言排行榜TIOBE的数据显示,各大编程语言年度平均排名的总位次,C语言多年来高居第一,如下图(图片来自TIOBE)所示:

这说明,无论是在过去还是现在,C语言都是一门被广泛应用的工业级编程语言。

最后,也是最重要的一点是:C语言是现代IT工业的根基,我们说C永远不会退出IT行业舞台也不为过。

如今,无论是普通消费者端的Windows、macOS、Android、苹果iOS,还是服务器端的Linux、Unix等操作系统,亦或是各个工业嵌入式领域的操作系统,其内核实现语言都是C语言。互联网时代所使用的主流Web服务器,比如 Nginx、Apache,以及主流数据库,比如MySQL、Oracle、PostgreSQL等,也都是使用C语言开发的杰作。可以说,现代人类每天都在跟由C语言实现的系统亲密接触,并且已经离不开这些系统了。回到我们程序员的日常,Git、SVN等我们时刻在用的源码版本控制软件也都是由C语言实现的。

可以说,C语言在IT工业中的根基地位,不光Go语言替代不了,C++、Rust等系统编程语言也无法动摇,而且不仅短期如此,长期来看也是如此。

总之,C语言具有紧凑、高效、移植性好、对内存的精细控制等优秀特性,这使得我们在任何时候学习它都不会过时。不过,我在这里推荐Gopher去了解和系统学习C语言,其实还有另一个原因。我们继续往下看。

二. C与Go的相通之处:Gopher拥抱C语言的“先天优势”

众所周知,Go 是在C语言的基础上衍生而来的,二者之间有很多相通之处,因此 Gopher 在学习C语言时是有“先天优势”的。接下来,我们具体看看C和Go的相通之处有哪些。

1. 简单且语法同源

Go语言以简单著称,而作为Go先祖的C语言,入门门槛同样不高:Go有25个关键字,C有32个关键字(C89标准),简洁程度在伯仲之间。C语言曾长期作为高校计算机编程教育的首选编程语言,这与C的简单也不无关系。

和Go不同的是,C语言是一个小内核、大外延的编程语言,其简单主要体现在小内核上了。这个“小内核”包括C基本语法与其标准库,我们可以快速掌握它。但需要注意的是,与Go语言“开箱即用、内容丰富”的标准库不同,C标准库非常小(在C11标准之前甚至连thread库都不包含),所以掌握“小内核”后,在LeetCode平台上刷题是没有任何问题的,但要写出某一领域的工业级生产程序,我们还有很多外延知识技能要学习,比如并发原语、操作系统的系统调用,以及进程间通信等。

C语言的这种简单很容易获得Gopher们的认同感。当年Go语言之父们在设计Go语言时,也是主要借鉴了C语言的语法。当然,这与他们深厚的C语言背景不无关系:肯·汤普森(Ken Thompson)是Unix之父,与丹尼斯·里奇共同设计了C语言;罗博·派克(Rob Pike)是贝尔实验室的资深研究员,参与了Unix系统的演进、Plan9操作系统的开发,还是UTF-8编码的发明人;罗伯特·格瑞史莫(Robert Griesemer)也是用C语言手写Java虚拟机的大神级人物。

Go的第一版编译器就是由肯·汤普森(Ken Thompson)用C语言实现的。并且,Go语言的早期版本中,C代码的比例还不小。以Go语言发布的第一个版本,Go 1.0版本为例,我们通过loccount工具对其进行分析,会得到下面的结果:

$loccount .
all          SLOC=460992  (100.00%) LLOC=193045  in 2746 files
Go           SLOC=256321  (55.60%)  LLOC=109763  in 1983 files
C            SLOC=148001  (32.10%)  LLOC=73458   in 368 files
HTML         SLOC=25080   (5.44%)   LLOC=0       in 57 files
asm          SLOC=10109   (2.19%)   LLOC=0       in 133 files
... ...

这里我们看到,在1.0版本中,C语言代码行数占据了32.10%的份额,这一份额直至Go 1.5版本实现自举后,才下降为不到1%。

我当初对Go“一见钟情”,其中一个主要原因就是Go与C语言的语法同源。相对应地,相信这种同源的语法也会让Gopher们喜欢上C语言。

2. 静态编译且基础范式相同

除了语法同源,C语言与Go语言的另一个相同点是,它们都是静态编译型语言。这意味着它们都有如下的语法特性:

  • 变量与函数都要先声明后才能使用;
  • 所有分配的内存块都要有对应的类型信息,并且在确定其类型信息后才能操作;
  • 源码需要先编译链接后才能运行。

相似的编程逻辑与构建过程,让学习C语言的Gopher可以做到无缝衔接。

除此之外,Go 和C的基础编程范式都是命令式编程(imperative programming),即面向算法过程,由程序员通过编程告诉计算机应采取的动作。然后,计算机按程序指令执行一系列流程,生成特定的结果,就像菜谱指定了厨师做蛋糕时应遵循的一系列步骤一样。

从Go看 C,没有面向对象,没有函数式编程,没有泛型(Go 1.18已加入),满眼都是类型与函数,可以说是相当亲切了。

3. 错误处理机制如出一辙

对于后端编程语言来说,错误处理机制十分重要。如果两种语言的错误处理机制不同,那么这两种语言的代码整体语法风格很可能大不相同。

在C语言中,我们通常用一个类型为整型的函数返回值作为错误状态标识,函数调用者基于值比较的方式,对这一代表错误状态的返回值进行检视。通常,当这个返回值为0时,代表函数调用成功;当这个返回值为其他值时,代表函数调用出现错误。函数调用者需根据该返回值所代表的错误状态,来决定后续执行哪条错误处理路径上的代码。

C语言这种简单的基于错误值比较的错误处理机制,让每个开发人员必须显式地去关注和处理每个错误。经过显式错误处理的代码会更为健壮,也会让开发人员对这些代码更有信心。另外,这些错误就是普通的值,我们不需要额外的语言机制去处理它们,只需利用已有的语言机制,像处理其他普通类型值那样去处理错误就可以了。这让代码更容易调试,我们也更容易针对每个错误处理的决策分支进行测试覆盖。

C语言错误处理机制的这种简单与显式,跟Go语言的设计哲学十分契合,于是Go语言设计者决定继承这种错误处理机制。因此,当Gopher们来到C语言的世界时,无需对自己的错误处理思维做出很大的改变,就可以很容易地适应C语言的风格。

三. 知己知彼,来看看C与Go的差异

虽说 Gopher 学习C语言有“先天优势”,但是不经过脚踏实地的学习与实践就想掌握和精通C语言,也是不可能的。而且,C 和Go还是有很大差异的,Gopher 们只有清楚这些差异,做到“知己知彼”,才能在学习过程中分清轻重,有的放矢。俗话说,“磨刀不误砍柴功”,下面我们就一起看看C与Go有哪些不同。

1. 设计哲学

在人类自然语言学界,有一个很著名的假说——“萨丕尔-沃夫假说”。这个假说的内容是这样的:语言影响或决定人类的思维方式。对我来说,编程语言也不仅仅是一门工具,它还影响着程序员的思维方式。每次开始学习一门新的编程语言时,我都会先了解这门编程语言的设计哲学。

每种编程语言都有自己的设计哲学,即便这门语言的设计者没有将其显式地总结出来,它也真真切切地存在,并影响着这门语言的后续演进,以及这门语言程序员的思维方式。我在《Tony Bai · Go语言第一课》专栏里,将Go语言的设计哲学总结成了5点,分别是简单、显式、组合、并发和面向工程

那么C语言的设计哲学又是什么呢?从表面上看,简单紧凑、性能至上、极致资源、全面移植,这些都可以作为C的设计哲学,但我倾向于一种更有人文气息的说法:满足和相信程序员

在这样的设计哲学下,一方面,C语言提供了几乎所有可以帮助程序员表达自己意图的语法手段,比如宏、指针与指针运算、位操作、pragma指示符、goto语句,以及跳转能力更为强大的longjmp等;另一方面,C语言对程序员的行为并没有做特别严格的限定与约束,C程序员可以利用语言提供的这些语法手段,进行天马行空的发挥:访问硬件、利用指针访问内存中的任一字节、操控任意字节中的每个位(bit)等。总之,C语言假定程序员知道他们在做什么,并选择相信程序员。

C语言给了程序员足够的自由,可以说,在C语言世界,你几乎可以“为所欲为”。但这种哲学也是有代价的,那就是你可能会犯一些莫名其妙的错误,比如悬挂指针,而这些错误很少或不可能在其他语言中出现。

这里再用一个比喻来更为形象地表达下:从Go世界到C世界,就好比在动物园中饲养已久的动物被放归到野生自然保护区,有了更多自由,但周围也暗藏着很多未曾遇到过的危险。因此,学习C语言的Gopher们要有足够的心理准备。

2. 内存管理

接下来我们来看C与Go在内存管理方面的不同。我把这一点放在第二位,是因为这两种语言在内存管理上有很大的差异,而且这一差异会给程序员的日常编码带来巨大影响。

我们知道,Go是带有垃圾回收机制(俗称GC)的静态编程语言。使用Go编程时,内存申请与释放,在栈上还是在堆上分配,以及新内存块的清零等等,这一切都是自动的,且对程序员透明。

但在C语言中,上面说的这些都是程序员的责任。手工内存管理在带来灵活性的同时,也带来了极大的风险,其中最常见的就是内存泄露(memory leak)与悬挂指针(dangling pointer)问题。

内存泄露主要指的是程序员手工在堆上分配的内存在使用后没有被释放(free),进而导致的堆内存持续增加。而悬挂指针的意思是指针指向了非法的内存地址,未初始化的指针、指针所指对象已经被释放等,都是导致悬挂指针的主要原因。针对悬挂指针进行解引用(dereference)操作将会导致运行时错误,从而导致程序异常退出的严重后果。

Go语言带有GC,而C语言不带GC,这都是由各自语言设计哲学所决定的。GC是不符合C语言的设计哲学的,因为一旦有了GC,程序员就远离了机器,程序员直面机器的需求就无法得到满足了。并且,一旦有了GC,无论是在性能上还是在资源占用上,都不可能做到极致了。

在C中,手工管理内存到底是一种什么感觉呢?作为一名有着十多年C开发经验的资深C程序员,我只能告诉你:与内存斗,其乐无穷!这是在带GC的编程语言中无法体会到的。

3. 语法形式

虽然C语言是Go的先祖,并且Go也继承了很多C语言的语法元素,但在变量/函数声明、行尾分号、代码块是否用括号括起、标识符作用域,以及控制语句语义等方面,二者仍有较大差异。因此,对Go已经很熟悉的程序员在初学C时,受之前编码习惯的影响,往往会踩一些“坑”。基于此,我总结了Gopher学习C语言时需要特别注意的几点,接下来我们具体看看。

第一,注意声明变量时类型与变量名的顺序

前面说过,Go与C都是静态编译型语言,这就要求我们在使用任何变量之前,需要先声明这个变量。但Go采用的变量声明语法颇似Pascal语言,即变量名在前,变量类型在后,这与C语言恰好相反,如下所示:

Go:

var a, b int
var p, q *int

vs.

C:
int a, b;
int *p, *q;

此外,Go支持短变量声明,并且由于短变量声明更短小,无需显式提供变量类型,Go编译器会根据赋值操作符后面的初始化表达式的结果,自动为变量赋予适当类型。因此,它成为了Gopher们喜爱和重度使用的语法。但短声明在C中却不是合法的语法元素:

int main() {
    a := 5; //  error: expected expression
    printf("a = %d\n", a);
}

不过,和上面的变量类型与变量名声明的顺序问题一样,C编译器会发现并告知我们这个问题,并不会给程序带来实质性的伤害。

第二,注意函数声明无需关键字前缀

无论是C语言还是Go语言,函数都是基本功能逻辑单元,我们也可以说C程序就是一组函数的集合。实际上,我们日常的C代码编写大多集中在实现某个函数上。

和变量一样,函数在两种语言中都需要先声明才能使用。Go语言使用func关键字作为函数声明的前缀,并且函数返回值列表放在函数声明的最后。但在C语言中,函数声明无需任何关键字作为前缀,函数只支持单一返回值,并且返回值类型放在函数名的前面,如下所示:

Go:
func Add(a, b int) int {
    return a+b
}

vs.

C:
int Add(int a, int b) {
    return a+b;
}

第三,记得加上代码行结尾的分号

我们日常编写Go代码时,极少手写分号。这是因为,Go设计者当初为了简化代码编写,提高代码可读性,选择了由编译器在词法分析阶段自动在适当位置插入分号的技术路线。如果你是一个被Go编译器惯坏了的Gopher,来到C语言的世界后,一定不要忘记代码行尾的分号。比如上面例子中的C语言Add函数实现,在return语句后面记得要手动加上分号。

第四,补上“省略”的括号

同样是出于简化代码、增加可读性的考虑,Go设计者最初就取消掉了条件分支语句(if)、选择分支语句(switch)和循环控制语句(for)中条件表达式外围的小括号:

// Go代码
func f() int {
    return 5
}
func main() {
    a := 1
    if a == 1 { // 无需小括号包裹条件表达式
        fmt.Println(a)
    }

    switch b := f(); b { // 无需小括号包裹条件表达式
    case 4:
        fmt.Println("b = 4")
    case 5:
        fmt.Println("b = 5")
    default:
        fmt.Println("b = n/a")
    }

    for i := 1; i < 10; i++ { // 无需小括号包裹循环语句的循环表达式
        a += i
    }
    fmt.Println(a)
}

这一点恰恰与C语言“背道而驰”。因此,我们在使用C语言编写代码时,务必要想着补上这些括号:

// C代码
int f() {
        return 5;
}

int main() {
    int a = 1;
    if (a == 1) { // 需用小括号包裹条件表达式
        printf("%d\n", a);
    }

    int b = f();
    switch (b) { // 需用小括号包裹条件表达式
    case 4:
        printf("b = 4\n");
        break;
    case 5:
        printf("b = 5\n");
        break;
    default:
        printf("b = n/a\n");
    }

    int i = 0;
    for (i = 1; i < 10; i++) { // 需用小括号包裹循环语句的循环表达式
        a += i;
    }
    printf("%d\n", a);
}

第五,留意C与Go导出符号的不同机制

C语言通过头文件来声明对外可见的符号,所以我们不用管符号是不是首字母大写的。但在Go中,只有首字母大写的包级变量、常量、类型、函数、方法才是可导出的,即对外部包可见。反之,首字母小写的则为包私有的,仅在包内使用。Gopher一旦习惯了这样的规则,在切换到C语言时,就会产生“心理后遗症”:遇到在其他头文件中定义的首字母小写的函数时,总以为不能直接使用。

第六,记得在switch case语句中添加break

C 语言与Go语言在选择分支语句的语义方面有所不同:C语言的 case 语句中,如果没有显式加入break语句,那么代码将向下自动掉落执行。而Go在最初设计时就重新规定了switch case的语义,默认不自动掉落(fallthrough),除非开发者显式使用fallthrough关键字。

适应了Go的switch case语句的语义后再回来写C代码,就会存在潜在的“风险”。我们来看一个例子:

// C代码:
int main() {
    int a = 1;
    switch(a) {
        case 1:printf("a = 1\n");
        case 2:printf("a = 2\n");
        case 3:printf("a = 3\n");
        default:printf("a = ?\n");
    }
}

这段代码是按Go语义编写的switch case,编译运行后得到的结果如下:

a = 1
a = 2
a = 3
a = ?

这显然不符合我们输出“a = 1”的预期。对于初学C的Gopher而言,这个问题影响还是蛮大的,因为这样编写的代码在C编译器眼中是完全合法的,但所代表的语义却完全不是开发人员想要的。这样的程序一旦流入到生产环境,其缺陷可能会引发生产故障。

一些Clint 工具可以检测出这样的问题,因此对于写C代码的Gopher,我建议在提交代码前使用lint工具对代码做一下检查。

4. 构建机制

Go与C都是静态编译型语言,它们的源码需要经过编译器和链接器处理,这个过程称为构建(build),构建后得到的可执行文件才是最终交付给用户的成果物。

和Go语言略有不同的是,C语言的构建还有一个预处理(pre-processing)阶段,预处理环节的输出才是C编译器的真正输入。C语言中的宏就是在预处理阶段展开的。不过,Go没有预处理阶段。

C语言的编译单元是一个C源文件(.c),每个编译单元在编译过程中会对应生成一个目标文件(.o/.obj),最后链接器将这些目标文件链接在一起,形成可执行文件。

而Go则是以一个包(package)为编译单元的,每个包内的源文件生成一个.o文件,一个包的所有.o文件聚合(archive)成一个.a文件,链接器将这些目标文件链接在一起形成可执行文件。

Go语言提供了统一的Go命令行工具链,且Go编译器原生支持增量构建,源码构建过程不需要Gopher手工做什么配置。但在C语言的世界中,用于构建C程序的工具有很多,主流的包括gcc/clang,以及微软平台的C编译器。这些编译器原生不支持增量构建,为了提升工程级构建的效率,避免每次都进行全量构建,我们通常会使用第三方的构建管理工具,比如make(Makefile)或CMake。考虑移植性时,我们还会使用到configure文件,用于在目标机器上收集和设置编译器所需的环境信息。

5. 依赖管理

我在前面提过,C语言仅提供了一个“小内核”。像依赖管理这类的事情,C语言本身并没有提供跟Go中的Go Module类似的,统一且相对完善的解决方案。在C语言的世界中,我们依然要靠外部工具(比如CMake)来管理第三方的依赖。

C语言的第三方依赖通常以静态库(.a)或动态共享库(.so)的形式存在。如果你的应用要使用静态链接,那就必须在系统中为C编译器提供第三方依赖的静态库文件。但在实际工作中,完全采用静态链接有时是会遇到麻烦的。这是因为,很多操作系统在默认安装时是不带开发包的,也就是说,像 libc、libpthread 这样的系统库只提供了动态共享库版本(如/lib下提供了libc的共享库libc.so.6),其静态库版本是需要自行下载、编译和安装的(如libc的静态库libc.a在安装后是放在/usr/lib下面的)。所以多数情况下,我们是将****静态、动态****两种链接方式混合在一起使用的,比如像libc这样的系统库多采用动态链接。

动态共享库通常是有版本的,并且按照一定规则安装到系统中。举个例子,一个名为libfoo的动态共享库,在安装的目录下文件集合通常是这样:

2022-03-10 12:28 libfoo.so -> libfoo.so.0.0.0*
2022-03-10 12:28 libfoo.so.0 -> libfoo.so.0.0.0*
2022-03-10 12:28 libfoo.so.0.0.0*

按惯例,每个动态共享库都有多个名字属性,包括real name、soname和linker name。下面我们来分别看下。

  • real name:实际包含共享库代码的那个文件的名字(如上面例子中的libfoo.so.0.0.0)。动态共享库的真实版本信息就在real name中,显然real name中的版本号符合语义版本规范,即major.minor.patch。当两个版本的major号一致,说明是向后兼容的两个版本;
  • soname:shared object name的缩写,也是这三个名字中最重要的一个。无论是在编译阶段还是在运行阶段,系统链接器都是通过动态共享库的soname(如上面例子中的libfoo.so.0)来唯一识别共享库的。我们看到的soname实际上是仅包含major号的共享库名字;
  • linker name:编译阶段提供给编译器的名字(如上面例子中的libfoo.so)。如果你构建的共享库的real name跟上面例子中libfoo.so.0.0.0类似,带有版本号,那么你在编译器命令中直接使用-L path -lfoo是无法让链接器找到对应的共享库文件的,除非你为libfoo.so.0.0.0提供了一个linker name(如libfoo.so,一个指向libfoo.so.0.0.0的符号链接)。linker name一般在共享库安装时手工创建。
    动态共享库有了这三个名称属性,依赖管理就有了依据。但由于在链接的时候使用的是linker name,而linker name并不带有版本号,真实版本与主机环境有关,因此要实现C应用的可重现构建还是比较难。在实践中,我们通常会使用专门的构建主机,项目组将该主机上的依赖管理起来,进而保证每次构建所使用的依赖版本是可控的。同时,应用部署的目标主机上的依赖版本也应该得到管理,避免运行时出现动态共享库版本不匹配的问题。

6. 代码风格

Go语言是历史上首次实现了代码风格全社区统一的编程语言。它基本上消除了开发人员在代码风格上的无休止的、始终无法达成一致的争论,以及不同代码风格带来的阅读、维护他人代码时的低效。gofmt工具格式化出来的代码风格已经成为Go开发者的一种共识,融入到Go语言的开发文化当中了。所以,如果你让某个Go开发者说说gofmt后的代码风格是什么样的,多数Go开发者可能说不出,因为代码会被gofmt自动变成那种风格,大家已经不再关心风格了。

而在C语言的世界,代码风格仍存争议。但经过多年的演进,以及像Go这样新兴语言的不断“教育”,C社区也在尝试进行这方面的改进,涌现出了像clang-format这样的工具。目前,虽然还没有在全社区达成一致的代码风格(由于历史原因,这很难做到),但已经可以减少很多不必要的争论。

对于正在学习C语言,并进行C编码实践的Gopher,我的建议是:不要拘泥于使用什么代码风格,先用clang-format,并确定一套风格模板就好

四. 小结

作为一名对Go跟随和研究了近十年的程序员,我深刻体会到,Go的简单性、性能和生产力使它成为了创建面向用户的应用程序和服务的理想语言。快速的迭代让团队能够快速地作出反应,以满足用户不断变化的需求,让团队可以将更多精力集中在保持灵活性上。

但Go也有缺点,比如缺少对内存以及一些低级操作的精确控制,而C语言恰好可以弥补这个缺陷。C 语言提供的更精细的控制允许更多的精确性,使得C成为低级操作的理想语言。这些低级操作不太可能发生变化,并且C相比Go还提高了性能。所以,如果你是一个有性能与低级操作需求的 Gopher ,就有充分的理由来学习C语言。

C 的优势体现在最接近底层机器的地方,而Go的优势在离用户较近的地方能得到最大发挥。当然,这并不是说两者都不能在对方的空间里工作,但这样做会增加“摩擦”。当你的需求从追求灵活性转变为注重效率时,用C重写库或服务的理由就更充分了。

总之,虽然Go和C的设计有很大的不同,但它们也有很多相似性,具备发挥兼容优势的基础。并且,当我们同时使用这二者时,就可以既有很大的灵活性,又有很好的性能,可以说是相得益彰!

五. 写在最后

今天的加餐中,我主要是基于C与Go的比较来讲解的,对于Go语言的特性并没有作详细展开。如果你还想进一步了解Go语言的设计哲学、语法特性、程序设计相关知识,欢迎来学习我在极客时间上的专栏《Tony Bai ·Go语言第一课》。在这门课里,我会用我十年Gopher的经验,带给你一条系统、完整的Go语言入门路径。

感谢你看到这里,如果今天的内容让你有所收获,欢迎把它分享给你的朋友。


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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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