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Go 語言簡介

圖片來源：Gophers

Go 於 2007 年誕生，由 Google 創建。

Go 程式語言沒有以下語法或機制：

• 沒有型別繼承。
• 沒有 exception handling 語法（沒有 try...catch，也沒有 throw）。
• 沒有巨集（macro）。
• 沒有 enum。（可以用具名常數）
• 沒有局部函式（partial functions）。
• 不支援變數延遲估值（lazy variable evaluation）。
• 沒有運算子多載（operator overloading）。
• 沒有樣式匹配（pattern matching）。
• 沒有內建的 GUI 框架或套件。

如欲了解為什麼 Go 不支援某些語言特性，可參閱官方文件：Go FAQ。

Go 的優點與強項：

• 很適合開發 CLI 和伺服器端應用程式。
• 函式可回傳多個值。於是，函式可以輕易回傳錯誤，故也就不需要 throw exceptions 了。就如 Rob Pike 於 2015 年發表的文章所說，errors are values。直到現在（2024 年）依然如此。
• Concurrency。非同步呼叫的語法非常簡單直觀，跟循序呼叫的語法幾乎一樣。
• 單元測試在 Go 語言中是一級公民：測試程式的檔案名稱一律命名為「欲測試之程式檔名_test.go」，而且兩個檔案要放在同一個目錄下。例如 hello.go 的測試程式會叫做 hello_test.go。
• 標準函式庫提供了常用的工具套件，包括網路通訊、HTTP、序列化、加解密等等。

如果需要開發跨平台的 GUI 應用程式，可以試試開源專案 Wails。

Go Runtime

每一個可執行的 Go 應用程式的內部結構大致如下圖：

除了應用程式本身的機器碼和它依賴的外部套件（dependencies），還會包含一個叫做 Go Runtime 的東西，用來管理應用程式執行時的行為：

• Go Scheduler: 管理併發的（concurrent）函式，即所謂的 goroutines。
• Garbage Collector: 簡稱 GC，它會監看應用程式的記憶體使用情形，自動將沒有用到的記憶體回收。

撰寫 Go 程式的時候不用擔心何時該回收記憶體，這都要歸功於 GC 在背後提供的服務。

如欲了解 GC 的運作細節，可參考官方文件：A Guide to the Go Garbage Collector。

Goroutines

Goroutines 是獨立執行的併發函式（concurrent functions）。

Concurrency 是 Go 語言在設計之初就提供的特性，而不是後來想到才加入的。Go 的併發函式有一個專屬名稱：goroutine，其寫法相當直觀且簡單，跟循序執行的函式沒有太大差別。舉例來說，如果你有一個函式叫做 parseFile()：

func parseFile(filename string) {
  ...
}

如果只需要循序執行，呼叫該函式的寫法為：

parseFile("file1.dat")
parseFile("file2.dat")

若需要併發執行，則呼叫的時候加上關鍵字 go 即可，像這樣：

go parseFile("file1.dat")
go parseFile("file2.dat")

其美妙之處在於，無論是循序還是併發執行，改變的地方只有呼叫該函式的寫法，而函式本身的宣告完全不需要改動。

Go Scheduler

當一個應用程式執行起來的時候，是由作業系統將它載入至記憶體中，這個載入記憶體中運行的應用程式叫做 process，中文譯為「行程」或「處理序」。每一個 process 裡面有一條執行的主線（可簡化理解為主流程），即所謂的 main thread，而 thread 就是每個 process 當中最小的執行單元，中文譯為「執行緒」或「線程」。除了 main thread 之外，一個 process 裡面可以有其他 threads，經常稱為 worker threads。如果機器本身有多個 CPU 核心，便可能讓一個具有多執行緒的應用程式同時執行多項工作，從而提升效能或改善回應品質（responsiveness）。

在多執行緒的情況下，作業系統會視需要進行執行緒切換，也就是讓 CPU 在不同的執行緒之間切來切去，這個過程叫做 context switching。這個切換執行緒的操作會有不少成本，因為 CPU 必須先保存當前執行緒的狀態資料，然後載入下一個執行緒的狀態並執行它。在僧多粥少的情況下，眾多執行緒都需要少數幾個 CPU 提供服務，便會導致大量且頻繁的執行緒切換，因而降低應用程式的效能。

為了減少執行緒切換的成本，並簡化多執行緒應用程式設計的複雜性，Go 提出了以下對策：

• 將作業系統的執行緒簡化（抽象化）為 goroutines。
• 提供 goroutine 專用的排程器（scheduler）來簡化作業系統處理執行緒的排程工作。

如下圖所示，Go 排程器的主要工作就是把 goroutines 分派給特定的執行緒。應用程式運行時，可能有成千上萬個 goroutines 在排隊等待自己被分派到一個執行緒。

在 Go 應用程式中，goroutines 之間的 context switching 成本比作業系統層級的執行緒切換成本更低，因為 Go Scheduler 是屬於應用程式層級（另一種常見說法是 user space）的處理，而未涉及作業系統核心層級（kernel space）的低階工作。

當一個 goroutine 被阻斷而暫停工作時（例如可能正在等待某個磁碟或網路 I/O 操作），Go Schedular 就會暫時把它晾在一邊，並將它占用的執行緒分派去執行另一個需要執行的 goroutine。如此一來，同一個執行緒便得以重複使用，服務多個 goroutines。此外，一個 goroutine 占用的記憶體空間相當節省：剛開始只需要配置 2KB 的堆疊記憶空間，之後則會根據實際需要增加或縮減。

Channels

(TODO)

建立開發環境

安裝 Go

請參閱官方文件：Download and install

安裝完成後，開啟命令列視窗，執行 go version 命令查看版本。

撰寫本文時，我安裝的 Go 版本是 v1.23.0。

VS Code

我慣用的程式碼編輯器是 VS Code，所以這裡只介紹它的相關設定。

與 Go 有關的 VS Code extensions：

• Go for VS Code by the Go Team at Google
• Go Test Explorer

安裝 Go tools

安裝好 Go for VS Code 之後，接著安裝 Go 工具鍊。步驟為：按 Ctrl+Shift+P 或 F1 開啟 Command Palette，然後在搜尋框輸入 Go: Install/Update tools，接著會出現下拉清單顯示建議安裝的 Go tools，全選之後按 OK 即可。參考下圖：

左下角的 Go 面板可以查看 Go 環境變數以及安裝了哪些 Go tools。

亦可參閱：Install and configure Visual Studio Code for Go development。

如果已經有正確安裝 Go 工具鍊的相關工具，在預設情況下，按 Ctrl+S 存檔時會自動重新排版程式碼，可輕鬆維持一致的程式碼風格。如欲查看預設的自動排版選項，可以按 F1 或 Crtl+Shift+P 開啟命令面板，輸入 Preferences: Open Default Settings (JSON)，便可以找到所有跟 Go 有關的預設選項。底下僅摘錄其中一部份：

  // Configure settings to be overridden for the go language.
  "[go]":  {
    "editor.insertSpaces": false,
    "editor.formatOnSave": true,
    "editor.codeActionsOnSave": {
        "source.organizeImports": true
    }
  },

  // Enable intellisense, code navigation, refactoring, formatting & diagnostics
  // for Go. The features are powered by the Go language server "gopls".
  "go.useLanguageServer": true,

其中提到的 "gopls"（讀作 "go please"）是官方提供的、用於 VS Code 的 Language Server。只要有安裝 gopls，在 VS Code 中撰寫程式就會有許多方便的編輯功能，像是 intellisense、重構、排版程式碼等等。下圖展示了 gopls 的一個貼心功能：當程式中使用了 Deprecated 函式或套件時，VS Code 編輯器會自動顯示刪除線，以提醒它們已經被棄用了。

備註：如果專案目錄下沒有 go.mod 檔案，gopls 仍然可以發揮作用，但其功能會受到限制，例如上圖中的刪除線不會出現。

參閱： gopls 官方文件

順便提及，Go 提供的程式碼排版工具預設會使用 tab 來縮排，而不是插入空白字元，故剛才展示的預設選項中，editor.insertSpace 預設為 false。建議不要更改這個選項，以確保所有的 Go 程式碼維持同樣的風格。

除錯

欲在 VS Code 中除錯 Go 程式，通常需要建立 launch.json 來提供一些必要的參數。

舉例來說，如果命令列應用程式執行的過程中有用到 fmt.Scanf() 來獲取使用者輸入的字元，在預設情況下，VS Code 除錯應用程式的時候是以整合式終端機視窗（integrated terminal）來顯示應用程式的執行過程，而這個整合式終端機並沒有辦法接受使用者輸入的字元。像這種情況，就會需要告訴 VS Code：除錯我的應用程式時，請改用外部的終端機視窗（external terminal）。底下是一個 launch.json 範例：

{
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "Launch Package",
            "type": "go",
            "request": "launch",
            "mode": "auto",
            "program": "${fileDirname}",
            "console": "externalTerminal"
        }
    ]
}

有關建立 launch.json 的方法以及詳細的參數說明，請參閱 Go Wiki : debugging。

Color Theme

我慣用的 Color Theme 是 Dark Modern，主要是因為：

• 編輯區容易辨認目前正在編輯的 tab 是哪一個。
• 在 Explorer 面板中顯示 Git ignored 檔案時，顏色不會過於昏暗而導致難以辨識。

如下圖所示：

VS Code 其他設定

我覺得 VS Code 預設的 Explorer view 在顯示資料夾和檔案的樹狀階層時，內縮的距離太小，以至於階層區分不明顯。欲修改預設值，可按 F1 或 Ctrl+Shift+P 開啟 Command Palette，然後在搜尋框輸入 Preferences: Open User Settings，接著在 Settings 的搜尋框輸入 Workbench tree indent，便可找到對應的選項。我通常將此選項的數值設定成 14 或 16（單位是 pixels）。

References

• Go FAQ
• A Guide to the Go Garbage Collector
• gopls 官方文件
• Go in Visual Studio Code