Go包介绍与初始化：搞清Go程序的执行次序

Go包介绍与初始化：搞清Go程序的执行次序

一、main.main 函数：Go 应用的入口函数

1.1 main.main 函数

在Go语言中，main函数是任何Go应用的入口函数–用户层入口。当你运行一个Go程序时，操作系统会首先调用main函数，然后程序开始执行。main 函数的函数原型是这样的：

package main

func main() {
    // 用户层执行逻辑
    ... ...
}

你的程序的执行会从main函数开始，会在这个函数内按照它的调用顺序展开。

1.2 main.main 函数特点

main.main函数是Go应用程序的入口函数，它具有一些特点和规定，使得Go程序的执行流程有一定的规范性。以下是关于main.main函数的特点：

1. 唯一入口点: 在一个Go应用程序中，只能有一个main.main函数。这是整个程序的唯一入口点，程序的执行将从这里开始。如果存在多个main函数，编译时会报错。
2. 不接受参数: main.main函数不接受任何参数，它没有输入参数，也没有返回值。这是Go语言的规定，而程序的命令行参数通常通过os.Args等方式获取。

二、包介绍

2.1 包介绍与声明

在Go中，包（Package）是组织和管理代码的基本单元。包包括一组相关的函数、类型和变量，它们可以被导入到其他Go文件中以便重复使用。Go标准库以及第三方库都是以包的形式提供的。

每个Go文件都属于一个包，你可以使用package关键字来指定声明一个文件属于哪个包。例如：

package main

2.2 非 main包的 main 函数

除了 main 包外，其他包也可以拥有自己的名为 main 的函数或方法。但按照 Go 的可见性规则（小写字母开头的标识符为非导出标识符），**非 main 包中自定义的 main 函数仅限于包内使用，**就像下面代码这样，这是一段在非 main 包中定义 main 函数的代码片段：

package pkg1
  
import "fmt"

func Main() {
    main()
}

func main() {
    fmt.Println("main func for pkg1")
}  

你可以看到，这里 main 函数就主要是用来在包 pkg1 内部使用的，它是没法在包外使用的。

2.3 包的命名规则

• 在Go语言中，包的名称通常使用小写字母，具有简洁的、描述性的名称。这有助于提高代码的可读性和可维护性。标准库中的包通常具有非常清晰的包名，例如fmt、math、strings等。
• 在Go语言中，包级别的标识符（变量、函数、类型等）的可见性是由其首字母的大小写来决定的。如果一个标识符以大写字母开头，它就是可导出的（公有的），可以被其他包访问。如果以小写字母开头，它就是包内私有的，只能在包内部使用。

三、包的导入

3.1 包的导入介绍

要在Go程序中使用其他包的功能，你需要导入这些包。使用import关键字来导入包，导入语句通常放在文件的顶部。一个典型的包导入语句的格式如下：

import "包的导入路径"

其中，包的导入路径是指被导入包的唯一标识符，通常是包的名称或路径，它用于告诉Go编译器去哪里找到这个包的代码。

例如，导入标准库中的fmt包可以这样做：

import "fmt"

然后，你就可以在你的程序中使用fmt包提供的函数和类型。

3.2 导入多个包

在Go程序中，你可以一次导入多个包，只需在import语句中列出这些包的导入路径，用括号()括起来并以括号内的方式分隔包的导入路径。

示例：

import (
    "fmt"
    "math"
    "net/http"
)

这个示例中导入了fmt、math和net/http三个包。这种方式使你可以更清晰地组织你的导入语句，以便程序更易读。

注意：Go语言的编译器会自动检测哪些导入的包是真正被使用的，未使用的导入包不会引起编译错误，但通常被视为不良实践。在Go中，未使用的导入包可能会引起代码不清晰，因此应该避免导入不需要的包。

3.2 包的别名

在Go语言中，你可以使用包的别名（package alias）来为一个导入的包赋予一个不同的名称，以便在代码中引用它。包的别名通常用于以下情况：

1. 避免包名冲突：当你导入多个包时，有可能出现包名冲突，此时你可以为一个或多个包使用别名来解决冲突。
2. 简化包名：有时，包的导入路径可能很长，为了减少代码中的冗长，你可以为包使用一个短的别名。

使用包的别名是非常简单的，只需在导入语句中使用as关键字为包指定一个别名。以下是示例：

import fm "fmt"

在上面的示例中，fm是fmt包的别名。现在，你可以在代码中使用fm来代替fmt，例如：

fm.Println("Hello, World!")

这样，你就可以使用更短的fm来调用fmt包的函数，以减少代码中的冗长。

包的别名可以根据需要自定义，但通常建议选择一个有意义的别名，以使代码更易读。使用别名时要注意避免产生混淆，要确保别名不与其他标识符（如变量名或函数名）发生冲突。

四、神器的下划线

4.1 下划线的作用

下划线 _ 在Go语言中用于以下几个不同的场景：

1. 匿名变量: _ 可以用作匿名变量，用于忽略某个值。当你希望某个值返回但又不需要使用它时，可以将其赋值给 _。
2. 空标识符: _ 也被称为空标识符，它用于声明但不使用变量或导入包但不使用包的标识符。这是为了确保代码通过编译，但不会产生未使用变量或包的警告。

4.2 下划线在代码中

在代码中，下划线 _ 可以用作匿名变量，用于忽略某个值。这通常在函数多返回值中使用，如果你只关心其中的某些值而不需要其他返回值，可以将其赋值给 _。

示例：

x, _ := someFunction() // 忽略第二个返回值

在上面的示例中，_ 用于忽略 someFunction 函数的第二个返回值。

4.3 下划线在import中

• 当导入一个包时，该包下的文件里所有init()函数都会被执行，然而，有些时候我们并不需要把整个包都导入进来，仅仅是是希望它执行init()函数而已。
• 这个时候就可以使用 import _ 引用该包。即使用 import _ 包路径 只是引用该包，仅仅是为了调用init()函数，所以无法通过包名来调用包中的其他函数。

以下是一个示例，演示如何使用 import _ 引用一个包以执行其 init() 函数：

项目结构：

src
|
+--- main.go
|
+--- hello
       |
       +--- hello.go

main.go 文件

package main

import _ "./hello"

func main() {
    // hello.Print() 
    //编译报错：./main.go:6:5: undefined: hello
}

hello.go 文件

package hello

import "fmt"

func init() {
    fmt.Println("imp-init() come here.")
}

func Print() {
    fmt.Println("Hello!")
}

输出结果：

    imp-init() come here.

五、init 函数：Go 包的初始化函数

5.1 init 函数 介绍

init 函数是在Go包的初始化阶段自动调用的函数。它的目的是执行一些包级别的初始化工作，例如设置变量、初始化数据、连接数据库等。init 函数没有参数，也没有返回值，它的定义形式如下：

func init() {
    // 包初始化逻辑
    ... ...
}

5.2 init 函数 特点

init 函数有以下特点：

1. 自动执行: init 函数不需要手动调用，它会在程序启动时自动执行。这确保了包的初始化工作在程序开始执行之前完成。
2. 包级别: init 函数是包级别的，因此它只能在包的内部定义。不同包中的 init 函数互不影响，它们独立执行。
3. 多个 init 函数: 一个包可以包含多个 init 函数，它们按照定义的顺序依次执行。被导入的包的 init 函数会在导入它的包的 init 函数之前执行。
4. 没有参数和返回值: 和前面main.main 函数一样，init 函数也是一个无参数无返回值的函数，它只用于执行初始化工作，而不与其他函数交互。
5. 顺序执行: 由于 init 函数的执行顺序是根据包的导入顺序确定的，因此在编写代码时应该谨慎考虑包的依赖关系，以确保正确的初始化顺序。
6. 可用于注册和初始化: init 函数通常用于执行包的初始化工作，也可用于在导入包时注册一些功能，例如数据库驱动程序的注册。

这里要特别注意的是，在 Go 程序中我们不能手工显式地调用 init，否则就会收到编译错误，就像下面这个示例，它表示的手工显式调用 init 函数的错误做法：

package main

import "fmt"

func init() {
  fmt.Println("init invoked")
}

func main() {
   init()
}

构建并运行上面这些示例代码之后，Go 编译器会报下面这个错误：

$go run call_init.go 
./call_init.go:10:2: undefined: init

接着,我们将代码修改如下:

package main

import "fmt"

func init() {
	fmt.Println("init invoked")
}

func main() {
	fmt.Println("this is main")
}

Go 编译器运行结果如下:

init invoked
this is main

我们看到，在初始化 Go 包时，Go 会按照一定的次序，逐一、顺序地调用这个包的 init 函数。一般来说，先传递给 Go 编译器的源文件中的 init 函数，会先被执行；而同一个源文件中的多个 init 函数，会按声明顺序依次执行。所以说,在Go中,main.main 函数可能并不是第一个被执行的函数。

六、Go 包的初始化次序

6.1 包的初始化次序探究

我们从程序逻辑结构角度来看，Go 包是程序逻辑封装的基本单元，每个包都可以理解为是一个“自治”的、封装良好的、对外部暴露有限接口的基本单元。一个 Go 程序就是由一组包组成的，程序的初始化就是这些包的初始化。每个 Go 包还会有自己的依赖包、常量、变量、init 函数（其中 main 包有 main 函数）等。

在平时开发中,我们在阅读和理解代码的时候，需要知道这些元素在在程序初始化过程中的初始化顺序，这样便于我们确定在某一行代码处这些元素的当前状态。

下面，我们就通过一张流程图，来了解 Go 包的初始化次序：

这里，我们来看看具体的初始化步骤。

首先，main 包依赖 pkg1 和 pkg4 两个包，所以第一步，Go 会根据包导入的顺序，先去初始化 main 包的第一个依赖包 pkg1。

第二步，Go 在进行包初始化的过程中，会采用“深度优先”的原则，递归初始化各个包的依赖包。在上图里，pkg1 包依赖 pkg2 包，pkg2 包依赖 pkg3 包，pkg3 没有依赖包，于是 Go 在 pkg3 包中按照“常量 -> 变量 -> init 函数”的顺序先对 pkg3 包进行初始化；

紧接着，在 pkg3 包初始化完毕后，Go 会回到 pkg2 包并对 pkg2 包进行初始化，接下来再回到 pkg1 包并对 pkg1 包进行初始化。在调用完 pkg1 包的 init 函数后，Go 就完成了 main 包的第一个依赖包 pkg1 的初始化。

接下来，Go 会初始化 main 包的第二个依赖包 pkg4，pkg4 包的初始化过程与 pkg1 包类似，也是先初始化它的依赖包 pkg5，然后再初始化自身；

然后，当 Go 初始化完 pkg4 包后也就完成了对 main 包所有依赖包的初始化，接下来初始化 main 包自身。

最后，在 main 包中，Go 同样会按照“常量 -> 变量 -> init 函数”的顺序进行初始化，执行完这些初始化工作后才正式进入程序的入口函数 main 函数。

现在，我们可以通过一段代码示例来验证一下 Go 程序启动后，Go 包的初始化次序是否是正确的，示例程序的结构如下：

prog-init-order
├── main.go
├── pkg1
│   └── pkg1.go
├── pkg2
│   └── pkg2.go
└── pkg3
    └── pkg3.go

这里我只列出了 main 包的代码，pkg1、pkg2 和 pkg3 可可以到代码仓库中查看。

package main

import (
	"fmt"
	_ "gitee.com/tao-xiaoxin/study-basic-go/syntax/prog-init-order/pkg1"
	_ "gitee.com/tao-xiaoxin/study-basic-go/syntax/prog-init-order/pkg2"
)

var (
	_  = constInitCheck()
	v1 = variableInit("v1")
	v2 = variableInit("v2")
)

const (
	c1 = "c1"
	c2 = "c2"
)

func constInitCheck() string {
	if c1 != "" {
		fmt.Println("main: const c1 has been initialized!")
	}

	if c2 != "" {
		fmt.Println("main: const c2 has been initialized!")
	}

	return ""
}

func variableInit(name string) string {
	fmt.Printf("main: var %s has been initialized\n", name)
	return name
}

func init() {
	fmt.Println("main: first init function invoked")
}

func init() {
	fmt.Println("main: second init function invoked")
}

func main() {
	//
}

我们可以看到，在 main 包中其实并没有使用 pkg1 和 pkg2 中的函数或方法，而是直接通过空导入的方式“触发”pkg1 包和 pkg2 包的初始化（pkg1 包和和 pkg2 包都通过空导入的方式依赖 pkg3 包的,），下面是这个程序的运行结果：

$go run main.go
pkg3: const c has been initialized
pkg3: var v has been initialized
pkg3: init func invoked
pkg1: const c has been initialized
pkg1: var v has been initialized
pkg1: init func invoked
pkg2: const c has been initialized
pkg2: var v has been initialized
pkg2: init func invoked
main: const c1 has been initialized
main: const c2 has been initialized
main: var v1 has been initialized
main: var v2 has been initialized
main: first init func invoked
main: second init func invoked

正如我们预期的那样，Go 运行时是按照“pkg3 -> pkg1 -> pkg2 -> main”的顺序，来对 Go 程序的各个包进行初始化的，而在包内，则是以“常量 -> 变量 -> init 函数”的顺序进行初始化。此外，main 包的两个 init 函数，会按照在源文件 main.go 中的出现次序进行调用。根据 Go 语言规范，**一个被多个包依赖的包仅会初始化一次，**因此这里的 pkg3 包仅会被初始化了一次。

6.2 包的初始化原则

根据以上，包的初始化按照依赖关系的顺序执行，遵循以下规则：

1. 依赖包按照 “深度优先” 的方式进行初始化，即先初始化最底层的依赖包。
2. 在每个包内部以“常量 -> 变量 -> init 函数”的顺序进行初始化。
3. 包内的多个 init 函数按照它们在代码中的出现顺序依次自动调用。

七、init 函数的常用用途

Go 包初始化时，init 函数的初始化次序在变量之后，这给了开发人员在 init 函数中对包级变量进行进一步检查与操作的机会。

7.1 用途一：重置包级变量值

init 函数就好比 Go 包真正投入使用之前唯一的“质检员”，负责对包内部以及暴露到外部的包级数据（主要是包级变量）的初始状态进行检查。在 Go 标准库中，我们能发现很多 init 函数被用于检查包级变量的初始状态的例子，标准库 flag 包对 init 函数的使用就是其中的一个，这里我们简单来分析一下。

flag 包定义了一个导出的包级变量 CommandLine，如果用户没有通过 flag.NewFlagSet 创建新的代表命令行标志集合的实例，那么 CommandLine 就会作为 flag 包各种导出函数背后，默认的代表命令行标志集合的实例。

而在 flag 包初始化的时候，由于 init 函数初始化次序在包级变量之后，因此包级变量 CommandLine 会在 init 函数之前被初始化了，可以看如下代码：

var CommandLine = NewFlagSet(os.Args[0], ExitOnError)

func NewFlagSet(name string, errorHandling ErrorHandling) *FlagSet {
    f := &FlagSet{
        name:          name,
        errorHandling: errorHandling,
    }
    f.Usage = f.defaultUsage
    return f
}

func (f *FlagSet) defaultUsage() {
    if f.name == "" {
        fmt.Fprintf(f.Output(), "Usage:\n")
    } else {
        fmt.Fprintf(f.Output(), "Usage of %s:\n", f.name)
    }
    f.PrintDefaults()
}

我们可以看到，在通过 NewFlagSet 创建 CommandLine 变量绑定的 FlagSet 类型实例时，CommandLine 的 Usage 字段被赋值为 defaultUsage。

也就是说，如果保持现状，那么使用 flag 包默认 CommandLine 的用户就无法自定义 usage 的输出了。于是，flag 包在 init 函数中重置了 CommandLine 的 Usage 字段：

func init() {
    CommandLine.Usage = commandLineUsage // 重置CommandLine的Usage字段
}

func commandLineUsage() {
    Usage()
}

var Usage = func() {
    fmt.Fprintf(CommandLine.Output(), "Usage of %s:\n", os.Args[0])
    PrintDefaults()
}

这个时候我们会发现，CommandLine 的 Usage 字段，设置为了一个 flag 包内的未导出函数 commandLineUsage，后者则直接使用了 flag 包的另外一个导出包变量 Usage。这样，就可以通过 init 函数，将 CommandLine 与包变量 Usage 关联在一起了。

然后，当用户将自定义的 usage 赋值给了 flag.Usage 后，就相当于改变了默认代表命令行标志集合的 CommandLine 变量的 Usage。这样当 flag 包完成初始化后，CommandLine 变量便处于一个合理可用的状态了。

7.2 用途二：实现对包级变量的复杂初始化

有些包级变量需要一个比较复杂的初始化过程。有些时候，使用它的类型零值（每个 Go 类型都具有一个零值定义）或通过简单初始化表达式不能满足业务逻辑要求，而 init 函数则非常适合完成此项工作。标准库 http 包中就有这样一个典型示例：

var (
    http2VerboseLogs    bool // 初始化时默认值为false
    http2logFrameWrites bool // 初始化时默认值为false
    http2logFrameReads  bool // 初始化时默认值为false
    http2inTests        bool // 初始化时默认值为false
)

func init() {
    e := os.Getenv("GODEBUG")
    if strings.Contains(e, "http2debug=1") {
        http2VerboseLogs = true // 在init中对http2VerboseLogs的值进行重置
    }
    if strings.Contains(e, "http2debug=2") {
        http2VerboseLogs = true // 在init中对http2VerboseLogs的值进行重置
        http2logFrameWrites = true // 在init中对http2logFrameWrites的值进行重置
        http2logFrameReads = true // 在init中对http2logFrameReads的值进行重置
    }
}

我们可以看到，标准库 http 包定义了一系列布尔类型的特性开关变量，它们默认处于关闭状态（即值为 false），但我们可以通过 GODEBUG 环境变量的值，开启相关特性开关。

可是这样一来，简单地将这些变量初始化为类型零值，就不能满足要求了，所以 http 包在 init 函数中，就根据环境变量 GODEBUG 的值，对这些包级开关变量进行了复杂的初始化，从而保证了这些开关变量在 http 包完成初始化后，可以处于合理状态。

7.3 用途三：在 init 函数中实现“注册模式”

首先我们来看一段使用 lib/pq 包访问 PostgreSQL 数据库的代码示例：

import (
    "database/sql"
    _ "github.com/lib/pq"
)

func main() {
    db, err := sql.Open("postgres", "user=pqgotest dbname=pqgotest sslmode=verify-full")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    
    age := 21
    rows, err := db.Query("SELECT name FROM users WHERE age = $1", age)
    ...
}

其实，这是一段“神奇”的代码。你可以看到示例代码是以空导入的方式导入 lib/pq 包的，main 函数中没有使用 pq 包的任何变量、函数或方法，这样就实现了对 PostgreSQL 数据库的访问。而这一切的奥秘，全在 pq 包的 init 函数中：

func init() {
    sql.Register("postgres", &Driver{})
}

这个奥秘就在，我们其实是利用了用空导入的方式导入 lib/pq 包时产生的一个“副作用”，也就是 lib/pq 包作为 main 包的依赖包，它的 init 函数会在 pq 包初始化的时候得以执行。

从上面的代码中，我们可以看到在 pq 包的 init 函数中，pq 包将自己实现的 SQL 驱动注册到了 database/sql 包中。这样只要应用层代码在 Open 数据库的时候，传入驱动的名字（这里是“postgres”)，那么通过 sql.Open 函数，返回的数据库实例句柄对数据库进行的操作，实际上调用的都是 pq 包中相应的驱动实现。

实际上，这种通过在 init 函数中注册自己的实现的模式，就有效降低了 Go 包对外的直接暴露，尤其是包级变量的暴露，从而避免了外部通过包级变量对包状态的改动。

另外，从标准库 database/sql 包的角度来看，这种“注册模式”实质是一种工厂设计模式的实现，sql.Open 函数就是这个模式中的工厂方法，它根据外部传入的驱动名称“生产”出不同类别的数据库实例句柄。

这种“注册模式”在标准库的其他包中也有广泛应用，比如说，使用标准库 image 包获取各种格式图片的宽和高：

package main

import (
    "fmt"
    "image"
    _ "image/gif" // 以空导入方式注入gif图片格式驱动
    _ "image/jpeg" // 以空导入方式注入jpeg图片格式驱动
    _ "image/png" // 以空导入方式注入png图片格式驱动
    "os"
)

func main() {
    // 支持png, jpeg, gif
    width, height, err := imageSize(os.Args[1]) // 获取传入的图片文件的宽与高
    if err != nil {
        fmt.Println("get image size error:", err)
        return
    }
    fmt.Printf("image size: [%d, %d]\n", width, height)
}

func imageSize(imageFile string) (int, int, error) {
    f, _ := os.Open(imageFile) // 打开图文文件
    defer f.Close()

    img, _, err := image.Decode(f) // 对文件进行解码，得到图片实例
    if err != nil {
        return 0, 0, err
    }

    b := img.Bounds() // 返回图片区域
    return b.Max.X, b.Max.Y, nil
}

你可以看到，上面这个示例程序支持 png、jpeg、gif 三种格式的图片，而达成这一目标的原因，正是 image/png、image/jpeg 和 image/gif 包都在各自的 init 函数中，将自己“注册”到 image 的支持格式列表中了，你可以看看下面这个代码：

// $GOROOT/src/image/png/reader.go
func init() {
    image.RegisterFormat("png", pngHeader, Decode, DecodeConfig)
}

// $GOROOT/src/image/jpeg/reader.go
func init() {
    image.RegisterFormat("jpeg", "\xff\xd8", Decode, DecodeConfig)
}

// $GOROOT/src/image/gif/reader.go
func init() {
    image.RegisterFormat("gif", "GIF8?a", Decode, DecodeConfig)
}  

那么，现在我们了解了 init 函数的常见用途。init 函数之所以可以胜任这些工作，恰恰是因为它在 Go 应用初始化次序中的特殊“位次”，也就是 main 函数之前，常量和变量初始化之后。