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[译] Go 语言概览

Go 语言概览

本文摘要:本文非常笼统地总结了 Go 语言的定义、生态系统和实现方式,也尽力给出了与不同的需求所对应的参考文档,详情参见本文末尾。

每当我们说起“Go 语言”的时候,可能会因为场景的不同聊到很多完全不同的东西。因此,我尝试着对 Go 语言和其生态系统做一个概述,并在各部分内容中都列出相关的文档(这可能有点像是大杂烩,其中还包含了我最近实际遇到的许多问题)。让我们开始吧:

Go 编程语言

Go 语言是一种编程语言。作为一种权威,Go 语言规范中定义了代码的格式规范和代码所代表的含义。不符合该规范的都不是 Go 语言。同样地,该规范中没有提到的内容不视为该语言的一部分。目前由 Go 语言开发团队维护该规范,每半年发布一个新版本。在我写这篇文章的时候最新的版本是 1.12

Go 语言规范规定了:

  • 语法
  • 变量的类型、值,及其语义
  • 预先声明的标识符及其含义
  • Go 程序的运行方式
  • 特殊的 unsafe 包(虽然没有包含所有的语义)

该规范应该已经足够让你实现一个 Go 语言的编译器了。实际上,已经有很多人基于此实现了许多不同的编译器。

Go 编译器及其运行时

该语言规范只是一份文本文档,它本身不太有用。你需要的是实现了这些语义的软件,即编译器(分析、检查源代码,并将其转换为可执行的形式)和运行时(提供运行代码时所需的环境)。有很多这样的软件组合,他们都或多或少有些不同。示例如下:

  • gc,Go 语言开发团队自己开发的纯 Go 语言实现的(有一小部分汇编实现)编译器和运行时。它随着 Go 语言一起发布。与其他此类工具不同的是,gc 并不严格区分编译器、组装器和链接器 —— 它们在实现的时候共享了大量的代码,并且会共享或传递一些重要职责。因此,通常无法链接由不同版本的 gc 所编译的包。
  • gccgo 和 libgo,gcc 的前端和其运行时。它是用 C 实现的,并且也由 Go 开发团队维护。然而,由于它是 gcc 组织的一部分,并根据 gcc 的发布周期发布,因此通常会稍微落后于 Go 语言规范的“最新”版本。
  • llgo,LLVM 的前端。我对其不太了解。
  • gopherjs,将 Go 代码编译为 JavaScript,并使用一个 JavaScript VM 和一些自定义代码作为运行时。长远来看,由于 gc 获得了 WebAssembly 的原生支持,它有可能会被淘汰。
  • tinygo,针对小规模编程的不完整实现。它可以通过自定义一个运行时运行在微控制器(裸机)或者 WebAssembly 虚拟机上。由于它的局限性,技术上来说它并没有实现 Go 语言的所有特性 —— 主要体现在它缺少垃圾回收器、并发和反射。

还有更多其他的实现,但这已经足以让你了解不同的实现方式。以上每一种方法都使用了不同的方式来实现 Go 语言,并具有自己与众不同的特性。他们可能存在的不同之处有(为了说明这一点,下面的某些说法可能会有点奇特):

  • int/uint 的大小 —— 长度可能为 32 位或 64 位。
  • 运行时中基础功能的实现方式,如内存分配、垃圾回收和并发的实现。
  • 遍历 map 的顺序并没有在 Go 语言中定义 —— gc 显然会将这类操作随机化,而 gopherjs 会用你使用的 JavaScript 实现遍历。
  • append 操作分配的所需额外内存空间大小 —— 但是,在分配额外空间时不会再次分配更多的内存空间。
  • unsafe.Pointeruintptr 之间的转换方式。特别指出,gc 对于该转换何时应该生效有自己的规则。通常情况下,unsafe 包是虚拟的,它会在编译器中被实现。

一般来说,根据规范中没有提到的某些细节(尤其是上面提到的那些细节)可以使你的程序用不同的编译器也能编译,但往往程序不会像你预期的那样正常工作。因此,你应该尽力避免此类事情发生。

如果你的 Go 语言是通过“正常”渠道安装的话(在官网上下载安装,或是通过软件包管理器安装),那么你会得到 Go 开发团队提供的 gc 和正式的运行时。在本文中,当我们在讨论“Go 是如何做的”时,若没有在上下文特别指明,我们通常就是在谈论 gc。因为它是最重要的一个实现。

标准库

标准库是 Go 语言中附带的一组依赖包,它可以被用来立即构建许多实用的应用程序。它也由 Go 开发团队维护,并且会随着 Go 语言和编译器一起发布。一般来说,标准库的某种实现只能依赖与其共同发布的编译器才能正常使用。因为大部分(但不是所有)运行时都是标准库的一部分(主要包含在 runtimereflectsyscall 包中)。由于编译器在编译时需要兼容当前使用的运行时,因此它们的版本要相同。标准库的 API 是稳定的,不会以不兼容的方式改变,所以基于某个指定版本的标准库编写的 Go 程序在编译器的未来版本中也可以正常运行。

有些标准库会完全自己实现整个库中的所有内容,而有些则只实现一部分 —— 开发者尤其会在 runtimereflectunsafesyscall 包中实现自定义的功能。举个例子,我相信 AppEngine 标准库是出于安全考虑重新实现了标准库的部分功能的。这类重新实现的部分通常会尽量对用户保持透明。

还存在一种标准库以外的独立库,通俗地说这就是 x 或者说是“扩展库”。这种库包含了 Go 开发团队同时开发和维护的部分代码,但是不会与 Go 语言有相同的发布周期,并且相比于 Go 语言本身,兼容性也会较差(功能性和维护性也会较差)。其中的代码要么是实验性的(在未来可能会包含在标准库中),要么是比起标准库中的功能还不够泛用,或者是在某些罕见的情况下,提供一种开发者们可以与 Go 开发团队同步进行代码审查的方式。

再一次强调,如果没有额外地指出,在提到“标准库”时,我们指的是官方维护和发布的、托管在 golang.org 上的 Go 标准库。

代码构建工具

我们需要代码构建工具来使 Go 语言易于使用。构建工具的主要职责是找到需要编译的包和所有的依赖项,并依据必要的参数调用编译器和链接器。Go 语言有对包的支持,允许在编译时把多个源代码文件视为一个单元。这也定义了导入和使用其他包的方式。但重要的是,这并没有定义导入包的路径与源文件的映射方式,也没有定义导入包在磁盘中的位置。因此,每种构建工具对于该问题都有不同的处理方式。你可以使用通用构建工具(如 Make 命令),但也有许多专门为 Go 语言而生的构建工具:

  • Go 语言工具[1]是 Go 开发团队官方维护的构建工具。它与 Go 语言(gc 和标准库)有相同的发布周期。它需要一个名为 GOROOT 的目录(该值从环境变量中获取,会在安装时产生一个默认值)来存放编译器、标准库和其他各种工具。它要求所有的源代码都要存放在一个名为 GOPATH 的目录下(该值也从环境变量中获取,默认为 $HOME/go 或是一个与其相等的值)。举例来说,包 a/b 的源代码应该位于诸如 $GOPATH/src/a/b/c.go 的路径下。并且 $GOPATH/src/a/b 路径下应该包含一个包下的源文件。在分布式的模式下,有一种机制可以从任意服务器上递归地下载某个包及其依赖项,即使这种机制不支持版本控制或是下载校验。Go 语言工具中也包含了许多其他工具包,包括用于测试 Go 代码的工具、阅读文档的工具(golang.org 是用 Go 语言工具部署的)、提交 bug 的工具和其他各种小工具。
  • gopherjs 自带的构建工具,它在很大程度上模仿了 Go 语言工具。
  • gomobile 是一个专门为移动操作系统构建 Go 代码的工具。
  • depgbglide 等等是社区开发的构建和依赖项管理工具,它们各自都有自己独特的文件布局方式(有些可以与 Go 语言工具兼容,有些则不兼容)和依赖项声明方式。
  • bazel 是谷歌内部构建工具的开源版本。虽然它的使用实际上并不限于 Go 语言,但我之所以把它列为单独的一项,是因为人们常说 Go 语言工具旨在为谷歌服务,而与社区的需求相冲突。然而,Go 语言工具(和其他许多开放的工具)是无法被谷歌所使用的,原因是 bazel 使用了不兼容的文件布局方式。

代码构建工具是大多数用户在编写代码时直接使用的重要工具,因此它很大程度上决定了 Go 语言生态系统的方方面面,也决定了包的组合方式,这也将影响 Go 程序员之间的沟通和交流方式。如上所述,Go 语言工具是被隐式引用的(除非指定了其他的运行环境),因此它的设计会让公众对 “Go 语言”的看法造成很大的影响。虽然有许多替代工具可供使用,这些工具也已经在如公司内部使用等场景被广泛使用,但是开源社区通常希望 Go 语言工具与 Go 语言的使用方式相契合,这意味着:

  • 可以获取源代码。Go 语言工具对包的二进制分发只做了极其有限的支持,并且仅有的支持将会在将来的版本中移除。
  • 要依据 Go 官方文档编排格式来撰写文档。
  • 包含测试用例,并且能通过 go test 运行测试。
  • 可以完全通过 go build 来编译(与后面所述的特征共同被称为“可以通过 Go 得到的” —— “go-gettable”)。特别指出,如果需要生成源代码或是元编程,则使用 go generate 并提交生成的构件。
  • 通过命名空间导入的路径其第一部分是一个域名,该域名可以是一个代码托管服务器或者是该服务器上运行的一个 Web 服务,则 Go 代码可以找到源代码和其依赖,并且可以正常工作
  • 每个目录都只有一个包,并且可以使用代码构建约束条件进行条件编译。

Go 语言工具的文档非常全面,它是一个学习 Go 如何实现各种生态系统的良好起点。

其他工具

Go 语言的标准库包含了一些可以与 Go 源代码交互的包包含了更多功能的 x/tools 扩展库。Go 语言也因此在社区中有非常强的第三方工具开发文化(由于官方强烈地想要保持 Go 语言本身的精简)。这些工具通常需要知道源代码的位置,可能还需要获取类型信息。go/build 包遵循了 Go 语言工具的约定,因此它本身就可以作为其部分构建过程的文档。缺点则是,构建在它之上的工具有时与基于其他构建工具的代码不兼容。因此有一个新的包正在开发中,它可以与其他构建工具很好地集成。

实际上 Go 语言的工具有非常多,并且每个人都有自己的偏好。但大致如下:

总结

我想用一个简短的参考文献列表来结束这篇文章,列表的内容是为那些感到迷茫的初学者准备的。请点击下面的链接:

除此以外还有许多有价值的文档可以作为补充,但这些应该已经足够让你有一个良好的开端了。作为一个 Go 语言的初学者,如果你发现本文有任何遗漏之处(我可能会补充更多的细节)或者你找到了任何有价值的参考资料,请通过 Twitter 联系我。如果你已经是一个经验丰富的 Go 语言开发者,并且你发现我遗漏了某些重要的内容(但是我有意忽略了一些重要的参考资料,使得初学者们可以感受到 Go 语言学习中的新鲜感:smile:),也请给我留言。


[1] 注:Go 开发团队目前正在对模块做一些支持,模块是包之上的代码分发单元,这些支持包括版本控制和一些可以使“传统” Go 语言工具解决问题的基础工作。等这些支持完成以后,这一段中的所有内容基本上就都过时了。对模块的支持目前是有的,但还不是 Go 语言的一部分。由于本文的核心内容是对 Go 语言的不同组成部分进行简要介绍,这些内容是不太容易发生变化的,目前来看我认为理解这些历史问题也是很有必要的。

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