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全球今头条！Go语言：通过TDD驱动测试开发为同事写的程序优化提速——初次接触并发与channel

2023-03-28 13:08:19 来源：博客园

正文：

假如同事已经写了一个 CheckWebsites的函数检查 URL 列表的状态。

package concurrencytype WebsiteChecker func(string) boolfunc CheckWebsites(wc WebsiteChecker, urls []string) map[string]bool {    results := make(map[string]bool)    for _, url := range urls {        results[url] = wc(url)    }    return results}

它返回一个 map，由每个 url 检查后的得到的布尔值组成，成功响应的值为 true，错误响应的值为 false。你还必须传入一个 WebsiteChecker处理单个 URL 并返回一个布尔值。它会被函数调用以检查所有的网站。使用依赖注入允许在不发起真实 HTTP 请求的情况下测试函数，这使测试变得可靠和快速。这是他们写的测试：

package concurrencyimport (    "reflect"    "testing")func mockWebsiteChecker(url string) bool {    if url == "waat://furhurterwe.geds" {        return false    }    return true}func TestCheckWebsites(t *testing.T) {    websites := []string{        "http://google.com",        "http://blog.gypsydave5.com",        "waat://furhurterwe.geds",    }    actualResults := CheckWebsites(mockWebsiteChecker, websites)    want := len(websites)    got := len(actualResults)    if want != got {        t.Fatalf("Wanted %v, got %v", want, got)    }    expectedResults := map[string]bool{        "http://google.com":          true,        "http://blog.gypsydave5.com": true,        "waat://furhurterwe.geds":    false,    }    if !reflect.DeepEqual(expectedResults, actualResults) {        t.Fatalf("Wanted %v, got %v", expectedResults, actualResults)    }}

该功能在生产环境中被用于检查数百个网站。但是你的同事开始抱怨它速度很慢，所以他们请你帮忙为程序提速。

(资料图片)

写一个测试

首先我们对 CheckWebsites做一个基准测试，这样就能看到我们修改的影响。

package concurrencyimport (    "testing"    "time")func slowStubWebsiteChecker(_ string) bool {    time.Sleep(20 * time.Millisecond)    return true}func BenchmarkCheckWebsites(b *testing.B) {    urls := make([]string, 100)    for i := 0; i < len(urls); i++ {        urls[i] = "a url"    }    for i := 0; i < b.N; i++ {        CheckWebsites(slowStubWebsiteChecker, urls)    }}

基准测试使用一百个网址的 slice 对 CheckWebsites进行测试，并使用 WebsiteChecker的伪造实现。

slowStubWebsiteChecker故意放慢速度。它使用 time.Sleep明确等待 20 毫秒，然后返回 true。

当我们运行基准测试时使用 go test -bench=.命令 (如果在 Windows Powershell 环境下使用 go test -bench=".")：

CheckWebsite经过基准测试的时间为 2001269572纳秒，大约 2 秒。让我们尝试去让它运行得更快。

编写足够的代码让它通过

现在我们终于可以谈论并发了，以下内容是为了说明「不止一件事情正在进行中」。这是我们每天很自然在做的事情。比如，今天早上我泡了一杯茶。我放上水壶，然后在等待它煮沸时，从冰箱里取出了牛奶，把茶从柜子里拿出来，找到我最喜欢的杯子，把茶袋放进杯子里，然后等水壶沸了，把水倒进杯子里我没有做的事情是放上水壶，然后呆呆地盯着水壶等水煮沸，然后在煮沸后再做其他事情。如果你能理解为什么第一种方式泡茶更快，那你就可以理解我们如何让 CheckWebsites变得更快。与其等待网站响应之后再发送下一个网站的请求，不如告诉计算机在等待时就发起下一个请求。通常在 Go 中，当调用函数 doSomething()时，我们等待它返回（即使它没有值返回，我们仍然等待它完成）。我们说这个操作是阻塞的 —— 它让我们等待它完成。Go 中不会阻塞的操作将在称为 goroutine的单独进程中运行。将程序想象成从上到下读 Go 的代码，当函数被调用执行读取操作时，进入每个函数「内部」。当一个单独的进程开始时，就像开启另一个 reader（阅读程序）在函数内部执行读取操作，原来的 reader 继续向下读取 Go 代码。要告诉 Go 开始一个新的 goroutine，我们把一个函数调用变成 go声明，通过把关键字 go放在它前面：go doSomething()。

package concurrencytype WebsiteChecker func(string) boolfunc CheckWebsites(wc WebsiteChecker, urls []string) map[string]bool {    results := make(map[string]bool)    for _, url := range urls {        go func() {            results[url] = wc(url)        }()    }    return results}

因为开启 goroutine 的唯一方法就是将 go放在函数调用前面，所以当我们想要启动 goroutine 时，我们经常使用 匿名函数（anonymous functions）。一个匿名函数文字看起来和正常函数声明一样，但没有名字（意料之中）。你可以在上面的 for循环体中看到一个。

匿名函数有许多有用的特性，其中两个上面正在使用。首先，它们可以在声明的同时执行 —— 这就是匿名函数末尾的 ()实现的。其次，它们维护对其所定义的词汇作用域的访问权 —— 在声明匿名函数时所有可用的变量也可在函数体内使用。

上面匿名函数的主体和之前循环体中的完全一样。唯一的区别是循环的每次迭代都会启动一个新的 goroutine，与当前进程（WebsiteChecker函数）同时发生，每个循环都会将结果添加到 resultsmap 中。

但是当我们执行 go test：

-------- FAIL: TestCheckWebsites (0.00s) CheckWebsites_test.go:31: Wanted map[http://google.com:true http://blog.gypsydave5.com:true waat://furhurterwe.geds:false], got map[]FAILexit status 1FAIL github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v1 0.010s

你可能不会得到这个结果。你可能会得到一个 panic 信息，这个稍后再谈。如果你得到的是那些结果，不要担心，只要继续运行测试，直到你得到上述结果。或假装你得到了，这取决于你。欢迎来到并发编程的世界：如果处理不正确，很难预测会发生什么。别担心 —— 这就是我们编写测试的原因，当处理并发时，测试帮助我们预测可能发生的情况。

让我们困惑的是，原来的测试 WebsiteChecker现在返回空的 map。哪里出问题了？

我们 for循环开始的 goroutines没有足够的时间将结果添加结果到 resultsmap 中；WebsiteChecker函数对于它们来说太快了，以至于它返回时仍为空的 map。为了解决这个问题，我们可以等待所有的 goroutine 完成他们的工作，然后返回。两秒钟应该能完成了，对吧？

package concurrencyimport "time"type WebsiteChecker func(string) boolfunc CheckWebsites(wc WebsiteChecker, urls []string) map[string]bool {    results := make(map[string]bool)    for _, url := range urls {        go func() {            results[url] = wc(url)        }()    }    time.Sleep(2 * time.Second)    return results}

现在当我们运行测试时获得的结果（如果没有得到 —— 参考上面的做法）：

-------- FAIL: TestCheckWebsites (0.00s) CheckWebsites_test.go:31: Wanted map[http://google.com:true http://blog.gypsydave5.com:true waat://furhurterwe.geds:false], got map[waat://furhurterwe.geds:false]FAILexit status 1FAIL github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v1 0.010s

这不是很好 - 为什么只有一个结果？我们可以尝试通过增加等待的时间来解决这个问题 —— 如果你愿意，可以试试。但没什么作用。这里的问题是变量 url被重复用于 for循环的每次迭代 —— 每次都会从 urls获取新值。但是我们的每个 goroutine 都是 url变量的引用 —— 它们没有自己的独立副本。所以他们都会写入在迭代结束时的 url—— 最后一个 url。这就是为什么我们得到的结果是最后一个 url。

解决这个问题：

import (    "time")type WebsiteChecker func(string) boolfunc CheckWebsites(wc WebsiteChecker, urls []string) map[string]bool {    results := make(map[string]bool)    for _, url := range urls {        go func(u string) {            results[u] = wc(u)        }(url)    }    time.Sleep(2 * time.Second)    return results}

通过给每个匿名函数一个参数 url(u)，然后用 url作为参数调用匿名函数，我们确保 u的值固定为循环迭代的 url值，重新启动 goroutine。u是 url值的副本，因此无法更改。

现在，如果你幸运的话，你会得到：

PASSok github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v1 2.012s

但是，如果你不走运（如果你运行基准测试，这很可能会发生，因为你将发起多次的尝试）。

fatal error: concurrent map writes

goroutine 8 [running]:runtime.throw(0x12c5895, 0x15) /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/panic.go:605 +0x95 fp=0xc420037700 sp=0xc4200376e0 pc=0x102d395runtime.mapassign_faststr(0x1271d80, 0xc42007acf0, 0x12c6634, 0x17, 0x0) /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/hashmap_fast.go:783 +0x4f5 fp=0xc420037780 sp=0xc420037700 pc=0x100eb65github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker.func1(0xc42007acf0, 0x12d3938, 0x12c6634, 0x17) /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:12 +0x71 fp=0xc4200377c0 sp=0xc420037780 pc=0x12308f1runtime.goexit() /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/asm_amd64.s:2337 +0x1 fp=0xc4200377c8 sp=0xc4200377c0 pc=0x105cf01created by github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:11 +0xa1

... many more scary lines of text ...

这看上去冗长、可怕，我们需要深呼吸并阅读错误：fatal error: concurrent map writes。有时候，当我们运行我们的测试时，两个 goroutines 完全同时写入 resultsmap。Go 的 Maps 不喜欢多个事物试图一次性写入，所以就导致了 fatal error。

这是一种 race condition（竞争条件），当软件的输出取决于事件发生的时间和顺序时，因为我们无法控制，bug 就会出现。因为我们无法准确控制每个 goroutine 写入结果 map 的时间，两个 goroutines 同一时间写入时程序将非常脆弱。

Go 可以帮助我们通过其内置的 race detector 来发现竞争条件。要启用此功能，请使用 race标志运行测试：go test -race

你应该得到一些如下所示的输出：

==================WARNING: DATA RACEWrite at 0x00c420084d20 by goroutine 8: runtime.mapassign_faststr() /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/hashmap_fast.go:774 +0x0 github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker.func1() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:12 +0x82

Previous write at 0x00c420084d20 by goroutine 7: runtime.mapassign_faststr() /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/hashmap_fast.go:774 +0x0 github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker.func1() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:12 +0x82

Goroutine 8 (running) created at: github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:11 +0xc4 github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.TestWebsiteChecker() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker_test.go:27 +0xad testing.tRunner() /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/testing/testing.go:746 +0x16c

Goroutine 7 (finished) created at: github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.WebsiteChecker() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:11 +0xc4 github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3.TestWebsiteChecker() /Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker_test.go:27 +0xad testing.tRunner() /usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/testing/testing.go:746 +0x16c==================

细节还是难以阅读 - 但 WARNING: DATA RACE相当明确。阅读错误的内容，我们可以看到两个不同的 goroutines 在 map 上执行写入操作：

Write at 0x00c420084d20 by goroutine 8:.

正在写入相同的内存块

Previous write at 0x00c420084d20 by goroutine 7:

最重要的是，我们可以看到发生写入的代码行：

/Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:12

和 goroutines 7 和 8 开始的代码行号：

/Users/gypsydave5/go/src/github.com/gypsydave5/learn-go-with-tests/concurrency/v3/websiteChecker.go:11

你需要知道的所有内容都会打印到你的终端上 - 你只需耐心阅读就可以了。

Channels

我们可以通过使用 channels协调我们的 goroutines 来解决这个数据竞争。channels 是一个 Go 数据结构，可以同时接收和发送值。这些操作以及细节允许不同进程之间的通信。

在这种情况下，我们想要考虑父进程和每个 goroutine 之间的通信，goroutine 使用 url 来执行 WebsiteChecker函数。

package concurrencytype WebsiteChecker func(string) booltype result struct {    string    bool}func CheckWebsites(wc WebsiteChecker, urls []string) map[string]bool {    results := make(map[string]bool)    resultChannel := make(chan result)    for _, url := range urls {        go func(u string) {            resultChannel <- result{u, wc(u)}        }(url)    }    for i := 0; i < len(urls); i++ {        result := <-resultChannel        results[result.string] = result.bool    }    return results}

除了 resultsmap 之外，我们现在还有一个 resultChannel的变量，同样使用 make方法创建。chan result是 channel 类型的 —— result的 channel。新类型的 result是将 WebsiteChecker的返回值与正在检查的 url 相关联 —— 它是一个 string和 bool的结构。因为我们不需要任何一个要命名的值，它们中的每一个在结构中都是匿名的；这在很难知道用什么命名值的时候可能很有用。

现在，当我们迭代 urls 时，不是直接写入 map，而是使用 send statement将每个调用 wc的 result结构体发送到 resultChannel。这使用 <-操作符，channel 放在左边，值放在右边：

// send statementresultChannel <- result{u, wc(u)}

下一个 for循环为每个 url 迭代一次。我们在内部使用 receive expression，它将从通道接收到的值分配给变量。这也使用 <-操作符，但现在两个操作数颠倒过来：现在 channel 在右边，我们指定的变量在左边：

// receive expressionresult := <-resultChannel

然后我们使用接收到的 result更新 map。

通过将结果发送到通道，我们可以控制每次写入 resultsmap 的时间，确保每次写入一个结果。虽然 wc的每个调用都发送给结果通道，但是它们在其自己的进程内并行发生，因为我们将结果通道中的值与接收表达式一起逐个处理一个结果。我们已经将想要加快速度的那部分代码并行化，同时确保不能并发的部分仍然是线性处理。我们使用 channel 在多个进程间通信。当我们运行基准时：

20994821 纳秒 —— 0.02 秒，速度大约是最初函数的一百倍，这是非常成功的。

总结：

某种程度说，我们已经参与了 CheckWebsites函数的一个长期重构；输入和输出从未改变，它只是变得更快了。但是我们所做的测试以及我们编写的基准测试允许我们重构 CheckWebsites，让我们有信心保证软件仍然可以工作，同时也证明它确实变得更快了。

在使它更快的过程中，我们明白了

goroutines是 Go 的基本并发单元，它让我们可以同时检查多个网站。

anonymous functions（匿名函数），我们用它来启动每个检查网站的并发进程。

channels，用来组织和控制不同进程之间的交流，使我们能够避免 race condition（竞争条件）的问题。

the race detector（竞争探测器）帮助我们调试并发代码的问题。

使程序加快是一种构建软件的敏捷方法，常常被错误地归属于 Kent Beck，即：

让它运作，使它正确，使它快速

「运作」是通过测试，「正确」是重构代码，而「快速」是优化代码以使其快速运行。一旦我们使程序可以正确运行，我们能做的就只有使它快速。很幸运，我们得到的代码已经被证明是可以运作的，并且不需要重构。在另外两个步骤执行之前，我们绝不应该试图「使它快速」，因为

过早的优化是万恶之源—— Donald Knuth

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