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golang

"golang"

Posted by yueLng on 2019-12-13

本文部分转自系统编程语言明日之星-GO作者淘宝余锋写于2010年

Go语言由Google提供支持，于2007年 9月开始浮出水面，出自Rob Pike、 Ken Thomason等大师之手，是一种 支持并发和垃圾回收的编译型编程语言。

Go语言是基于BSD许可发行的开源项目， 目前只支持Linux、Mac OS X和Windows平台。 由于团队资源及社区规模的限制，目前Go还无 法支持更多的操作系统，因此需要更多的参与者 来进行移植。

Go语言创建伊始，就目标明确——创建一种高性能、开发迅速、安全且富有趣味的系统编程语言。各种高性能的网络服务器、文件存储系统、数据库等，都非常适合使用Go进行开 发。当然Go也可以运用在其他领域，Go的官 方网站golang.org就是使用gdoc实现的。

Go 已经在Google公司内部尝试使用，但是并没有大规模地部署，因此仍处于试验阶段，需要丰富的测试和考验。

Go已经给了我们一个华丽的亮相，在工程层面，Go语言官方目前还没有自己的编辑器， 但是发布包带了Emacs、VI以及Xcode 的插件，方便用户的编辑。它目前有2个编译 器:源于Plan9的Native 8/6g编译器和以GCC 为后端的Gccgo。 Gccgo能编译出来更高效的 代码，还可以和其他的gcc库相链接。但是遗 憾的是Gccgo尚未实现垃圾收集，Goroutine 通过pthread实现，调度开销大且栈空间占用 多，而且编译时间较长，无法在实际项目中使 用。 排错器和调优器目前还不大可用。

我看好Go的原因是，这个语言不是凭空或者实验室设计的，而是填补过去10年在系统编程软件方面的不足。作为系统软件的编写者，经常会深深地感到目前常见系统语言在面对大 规模网络应用的力不从心，在不断涌现的多核 心硬件前的无奈，在多线程和各种锁中间的痛 苦，在不停地制造各种各样的轮子的困惑，以及在使用很原始的排错器的低效。Go拥有的这些现代特性都是系统用户梦寐以求的，既结合了动态语言的弹性，又有了静态语言的安全性 和高性能。Rob Pike指出Go代码的编译基本 上可以达到C语言的速度，几乎可以在瞬间完 成。而在运行效率上已经和C语言很接近，同 时支持多核心并发运算。来自语言性能比较网 站Computer Language Benchmarks Game 的数据也验证了这一点。目前这个Go社区非常 活跃，新的特性和包在不断地被提出和加入，加上有Google在背后强力支持和推广，个人认 为应用前景非常广阔。

Go能解决什么问题呢?

我们在编写系统程序时总是会面临以下挑战:

  1. 硬件发展得很快，软件技术总是突 破得很慢;
  2. 复杂的系统依赖性很强，平 台、库、管理这些依赖相当麻烦;
  3. 目前 可用的系统语言如C++、Java太笨拙，也太复 杂，在处理复杂情况时感觉力不从心;
  4. 复杂的内存管理和资源管理;
  5. 多核心机器的涌现，

在未来几年里面128核心的机器应 该会很常见，我们难道还是用最原始的线程机制和同步原语来面对?大部分系统语言并不是设计来解决这些问 题的，而且新涌现的大多数程序库也并没有 改善这些问题，相反加剧了复杂度。正如Rob Pike说:“我们开发Go，是因为近10年来开发系统程序之难让我们有点沮丧。 这时候Go 来拯救我们啦!”

设计目标

  • 系统编程语言
  • 快速编译和执行
  • 类型安全性和内存使用安全
  • 很好的支持并发计算
  • 高效低延迟的垃圾回收算法

设计原则

  • 更少的关键词，减少无谓的输入
  • 保持概念正交
  • 保持简单 减少类型，无类型层次，避免罗嗦

语言特性

Go语言脱胎于C语言，同时还从社区的其他语言如 Pascal、 CSP、Occam借鉴了很多特性，添加了如包管 理、反射、 垃圾回收器、动态类型、并发以及并行机制等。
它有一些有趣的特性:

  • 融合多种语言的特性，各个社区的人都感觉会很熟悉，特别是C、Lua、Python社区的用户非常容易上手。
  • 支持面向对象编程，但是不支持层次继承。
  • 清晰、精确的语法。
  • 大写符号导出公共符号，小写是私有的。
  • 函数或者块开始注释是文档，方便gdoc生成文档。
  • 改进的If、Case复合语句，允许在条件判定前，执 行初始语句。Case不支持自动fall through，支持多个判 断条件和表达式。
  • 轻量的类型系统，强类型，没有隐式的转换，显式 类型转化。
  • 指针运算由slice代替，提高安全性的同时也有很高 的效率。
  • 内置基本数据类型数组和字典。
  • type:相当灵活的struct，支持匿名字段，复用看起 来很优雅。
  • 灵活但独特的interface: 接口类型， 接口实现分 离。若一个struct实现了interface声明的方法则视为实现 此interface。通用类型interface{}用来表示同样类型，用 于实现包容器和用于参数省略的场合。
  • range:for语句支持通用的迭代，支持数组、字 典、通讯管道。 特别是通讯管道结合Goroutine，由生产 者负责在一端输入数据，range充当消费者，从另外一端 消费数据。
  • reflection:用于实现多参数机制和实现比如XML、 JSON库，很直观地把结构的字段名和值映射起来，但是 执行效率不高。
  • defer负责资源的自动释放，有效地避免资源泄漏。

语言亮点

  • 闭包:函数是第一类对象。有了闭包，我们很容易把 数据和函数结合在一起，形成一个独立的执行体，无需关 心数据的泄漏，是并发编程的基础。
    Channel:CSP的核心思想是通过消息共享，而不 是内存共享。而消息共享机制就是通过Channel来传递消息，有同步和异步之分。Channel在生产者和消费者之间 架设起沟通的桥梁，承担起传统语言消息队列的作用。
  • Goroutine:Goroutine是使并发编程变得容易的核 心。实现上是通过系统的线程来多路派遣协程，使得函数 的执行看起来独立。当一个协程阻塞的时候，比如说费时 的系统调用，调度器就会自动把其他协程安排到另外的线 程去执行，从而保证了系统的不间断运行。这个调度对于 程序员是透明的，从用户的角度来看，协程在一直运行。 而且这个调度的开销非常小，典型的CPU每秒钟可以调度 百万次，协程还支持堆栈的自增。这两个设计使得我们可 以创建大量的goroutine，模拟现实世界对象的行为，大 大简化了程序的设计和实现。
  • Network支持:目前支持Tcp/Udp协议，有统一的编 程接口，方便未来支持更多的协议，通过内核POLL支持 成千上万的并发连接。在网络读写暂时无效的时候，网络 模块会自动把该句柄注册到系统的poll set，并且让出执行 权，等待读写事件的发生。一旦读写事件得到通知，网络 模块内部通过Channel通知刚才被阻塞的操作继续执行。 从用户使用角度来看，网络的读写都是顺序执行的，极大 地简化了编程。
    正是 Network+闭包+Goroutine+Channel让Go语言 这么突出，突破了用户在编写大规模系统程序时的局限

库实现

  • 完全用Go语言实现， 不依赖其他系统库。
  • 模块管理。一个Package可以分散在多个文件里，通过包名整合在一起。支持包层面的初始化操作。
  • 接口库如XML、Asn1、JSON、IO库、压缩、加密库等，比较齐全，极大地方便了用户。 支持Unicode。

与其他语言的交互

Cgo 支持C和Go语言编程混合，使得Go语言的扩展 非常容易，让Cgo来做参数和类型转换，直接连接用户的 C函数。

Golang如何实现锁

从操作系统层面硬件层面，可以使用中断来实现锁，软件层面则可以使用信号量。信号量（semaphore, mutext是semaphore的一种）的实现方式有两种：wait的时候忙等待或者阻塞自己。

golang互斥所的两个特性
1.不支持嵌套锁
2.可以一个goroutine lock，另一个goroutine unlock

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// A Mutex is a mutual exclusion lock.
// Mutexes can be created as part of other structures;
// the zero value for a Mutex is an unlocked mutex.
//
// A Mutex must not be copied after first use.
type Mutex struct {
    state int32  // state表示Mutex的状态
    sema  uint32 // sema就是信号量，一个非负数
}
const (
    mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
    mutexWoken
    mutexWaiterShift = iota
)

sema就是信号量，一个非负数；state表示Mutex的状态。mutexLocked表示锁是否可用（0可用，1被别的goroutine占用），mutexWoken=2表示mutex是否被唤醒，mutexWaiterShift=2表示统计阻塞在该mutex上的goroutine数目需要移位的数值。

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state:   |32|31|...|3|2|1|
         \__________/ | |
               |      | |
               |      | mutex的占用状态（1被占用，0可用）
               |      |
               |      mutex的当前goroutine是否被唤醒
               |
               当前阻塞在mutex上的goroutine数

atomic.CompareAndSwapInt32()，atomic包是由golang提供的low-level的原子操作封装,操作系统级的锁的实现方案是提供原子操作，然后基本上所有锁相关都是通过这些原子操作来实现，CompareAndSwapInt32()就是int32型数字的compare-and-swap实现。cas(&addr, old, new)的意思是if *addr==old, *addr=new。大部分操作系统支持CAS，x86指令集上的CAS汇编指令是CMPXCHG

Advance Golang

  1. 引导与初始化
    所有 init 函数都在同一个 goroutine 内执行。所有 init 函数结束后才会执行 main.main 函数。
  2. 内存分配
  • TCMalloc小记
    mmap 虚拟存储器的相关知识 Golang 编译器支持逃逸分析(escape analysis)，它会在编译期通过构建调用图来分析局部变量是否会被外部引用，从而决定是否可直接分配在栈上,你或许见过 “Zero Garbage” 这个说法，其目的就是避免在堆上的分配行为，从而减小垃圾回收压力，提升性能。另外，做性能测试时使用 go test -benchmem

参考资料

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