Go 语言编程 — Overview

目录

缘起

Golang 始于 2007 年，2009 年 11 月正式开源，2012 发布了 Go 1 稳定版本。

创始人：

• Ken Thompson（肯·汤普森）：贝尔实验室 Unix 团队成员，C 语言、Unix 和 Plan 9 的创始人之一。
• Rob Pike：Golang 项目总负责人，贝尔实验室 Unix 团队成员，合著了《The Unix Programming Environment》，对 UNIX 的设计理念做了正统的阐述。
• Robert Griesemer：就职于 Google，负责 Chrome 浏览器和 Node.js 使用的 Google V8 JavaScript 引擎的代码生成部分，对语言设计有深入的认识。

后来还加入了 Ian Lance Taylor、Russ Cox 等人。这些计算机科学领城的重量级人物设计 Golang 的初衷是满足 Google 的需求：在不损失应用程序性能的情况下降低代码的复杂性，具有 “部署简单、并发性好、语言设计良好、执行性能好” 等优势。

计算机软件经历了数十年的发展，形成了多种学术流派，例如：面向过程编程、面向对象编程、函数式编程、面向消息编程等。此外，近年来也出现了一些小众的编程哲学。

Golang 对这些思想亦有所吸收。例如：Golang 接受了函数式编程的一些想法，支持匿名函数与闭包；Golang 接受了以 Erlang 语言为代表的面向消息编程思想，支持 Goroutine 和 Channel，并推荐使用消息而不是共享内存来进行并发编程。

在 Golang 出现之前，开发者们总是面临非常艰难的抉择，究竟是使用执行速度快但是编译速度并不理想的语言（如：C++），还是使用编译速度较快但执行效率不佳的语言（如：.NET、Java），或者说开发难度较低但执行速度一般的动态语言（如：Python）呢？

在 Google I/O 2012 的 Go 设计小组见面会上，Rob Pike 是这样说的：“我们做了大量的 C++ 开发，厌烦了等待编译完成，尽管这是玩笑，但在很大程度上来说也是事实。”

显然，Go 语言在这 3 个条件之间做到了最佳的平衡：快速编译，高效执行，易于开发。

Golang 的吉祥物

Go Gopher，这是才华横溢的插画家 Renee French 设计的，她也是 Go 设计者之一 Rob Pike 的妻子。

Golang 的特性

语法简单

Golang 的语法规则严谨，没有歧义，更没什么黑魔法变异用法。任何人写出的代码都基本一致，这使得 Golang 简单易学。放弃部分 “灵活” 和 “自由”，换来更好的维护性。

将 ++ 、-- 从运算符降级为语句，虽然保留了指针，但默认阻止指针运算。将切片和字典作为内置类型，从运行时的层面进行优化，这也算是一种 “简单”。

原生支持并发编程

Golang 是在多核和网络化的时代背景下诞生的原生支持并发的编程语言。Golang 从底层原生支持并发，无须第三方库，开发人员可以很轻松地在编写程序时决定怎么使用 CPU 资源。

Golang 的并发基于 Goroutine，Goroutine 类似于线程，但并非线程。可以将 Goroutine 理解为一种虚拟线程。Golang 运行时会参与调度 Goroutine，并将 Goroutine 合理地分配到每个 CPU 中，最大限度地使用 CPU 性能。

可以说，Goroutine 是 Go 最显著的特征。它用 “类协程” 的方式来处理并发单元，却又在运行时层面做了更深度的优化处理。这使得语法上的并发编程变得极为容易，无须处理回调，无须关注线程切换，仅需使用一个 go 关键字，简单而自然。

多个 Goroutine 中，Golang 使用 Channel（通道）进行通信，通道是一种内置的数据结构，可以让用户在不同的 Goroutine 之间同步发送具有类型的消息。这让编程模型更倾向于在 Goroutine 之间发送消息，而不是让多个 Goroutine 争夺同一个数据的使用权。

Goroutine 搭配 Channel，实现 CSP 模型。将并发单元间的数据耦合拆解开来，各司其职，这对所有纠结于内存共享、锁粒度的开发人员都是一个可期盼的解脱。若说有所不足，那就是应该有个更大的计划，将通信从进程内拓展到进程外，实现真正意义上的分布式。

程序可以将需要并发的环节设计为生产者模式和消费者的模式，将数据放入通道。通道另外一端的代码将这些数据进行并发计算并返回结果，如下图所示：

内存分配

Go 选择了 tcmalloc 内存分配器，它本就是为并发而设计的高性能内存分配组件。

可以说，内存分配器是运行时三大组件里变化最少的部分。刨去因配合垃圾回收器而修改的内容，内存分配器完整保留了 tcmalloc 的原始架构。使用 cache 为当前执行线程提供无锁分配，多个 central 在不同线程间平衡内存单元复用。在更高层次里，heap 则管理着大块内存，用以切分成不同等级的复用内存块。快速分配和二级内存平衡机制，让内存分配器能优秀地完成高压力下的内存管理任务。

在最近几个版本中，编译器优化卓有成效。它会竭力将对象分配在栈上，以降低垃圾回收压力，减少管理消耗，提升执行性能。可以说，除偶尔因性能问题而被迫采用对象池和自主内存管理外，我们基本无须参与内存管理操作。

自动垃圾回收

在垃圾回收方面，Go 面临了很多困难。因指针的存在，所以回收内存不能做收缩处理。幸好，指针运算被阻止，否则要做到精确回收都难。

每次升级，垃圾回收器必然是核心组件里修改最多的部分。从并发清理，到降低 STW 时间，直到 Go 的 1.5 版本实现并发标记，逐步引入三色标记和写屏障等等，都是为了能让垃圾回收在不影响用户逻辑的情况下更好地工作。尽管有了努力，当前版本的垃圾回收算法也只能说堪用，离好用尚有不少距离。

使用静态链接

静态编译的好处显而易见。将运行时、依赖库直接打包到可执行文件内部，简化了部署和发布操作，无须事先安装运行环境和下载诸多第三方库。这种简单方式对于编写系统软件有着极大好处，因为库依赖一直都是个麻烦。

支持交叉编译

Golang 支持交叉编译，可以在 Linux 操作系统上开发运行于 Windows 的应用程序。

国际化

这是第一门完全支持 UTF-8 的编程语言，这不仅体现在它可以处理使用 UTF-8 编码的字符串，就连它的源码文件格式都是使用的 UTF-8 编码。Go 语言做到了真正的国际化！

标准库

功能完善、质量可靠的标准库为编程语言提供了充足动力。在不借助第三方扩展的情况下，就可完成大部分基础功能开发，这大大降低了学习和使用成本。最关键的是，标准库有升级和修复保障，还能从运行时获得深层次优化的便利，这是第三方库所不具备的。

Go 标准库虽称不得完全覆盖，但也算极为丰富。其中值得称道的是 net/http，仅须简单几条语句就能实现一个高性能 Web Server，这从来都是宣传的亮点。更何况大批基于此的优秀第三方 Framework 更是将 Go 推到 Web/Microservice 开发标准之一的位置。

当然，优秀第三方资源也是语言生态圈的重要组成部分。

工具链

完整的工具链对于日常开发极为重要。Go 在此做得相当不错，无论是编译、格式化、错误检查、帮助文档，还是第三方包下载、更新都有对应的工具。其功能未必完善，但起码算得上简单易用。

内置完整测试框架，其中包括单元测试、性能测试、代码覆盖率、数据竞争，以及用来调优的 pprof，这些都是保障代码能正确而稳定运行的必备利器。

除此之外，还可通过环境变量输出运行时监控信息，尤其是垃圾回收和并发调度跟踪，可进一步帮助我们改进算法，获得更佳的运行期表现。

Golang 的性能

根据 Go 开发团队和基本的算法测试，Golang 与 C 语言的性能差距大概在 10%~20% 之间。

这里以国外的一个编程语言性能测试网站 http://benchmarksgame.alioth.debian.org/ 为测试基准和数据源。这个网站可以对常见的编程语言进行性能比较，网站使用都是最新的语言版本和常见的一些算法。

通过对 C（GCC）、C++、Java、JavaScript 和 Golang 的测试。性能比较如下表所示，表中数据的单位为秒，数值越小表明运行性能越好。

哪些项目使用 Golang 开发？

编程语言：

• Golang：https://github.com/golang/go
• delve：Golang 强大的调试器，被很多集成环境和编辑器整合。https://github.com/derekparker/delve

云原生：

• Docker：https://github.com/docker/docker
• Kubernetes：https://github.com/kubernetes/kubernetes
• Etcd：https://github.com/coreos/etcd

Web Server：

• Beego：是一个类似 Python 的 Tornado 框架，采用了 RESTFul 的设计思路，使用Go语言编写的一个极轻量级、高可伸缩性和高性能的 Web 应用框架。https://github.com/astaxie/beego