高质量编程与性能调优实践笔记

高质量编程简介及编码规范

高质量编程是指编写出正确、可靠、可维护、可扩展、可测试、可读的代码，这样的代码不仅能够满足业务需求，而且能够提高开发效率和软件质量。为了实现高质量编程，我们需要遵循一些编码规范，这些规范可以帮助我们规范代码风格，提高代码可读性，减少错误和bug，方便代码重用和维护。

go语言是一种简洁、高效、并发的编程语言，它有自己的一套编码规范，这些规范主要包括以下几个方面：

• 编码规范：go语言有一个内置的工具go fmt，它可以自动格式化代码，使代码符合go语言的标准格式。我们应该在每次保存或提交代码之前运行go fmt，以保证代码的一致性和美观性。
• 注释：go语言支持两种注释风格，单行注释//和多行注释/* */。我们应该在每个包、结构体、接口、函数、变量等重要的地方添加注释，说明其作用和用法。注释应该使用完整的句子，并以句号结尾。注释应该使用中文或英文，不要混用，并且中英文之间要有空格分隔。注释还可以用来生成文档，使用godoc工具可以根据注释生成网页或文本格式的文档。
• 代码格式：go语言有一些约定俗成的代码格式规则，例如缩进使用4个空格而不是制表符，每行不超过80个字符，每个语句后面不需要分号，大括号不能单独占一行等。这些规则可以通过go fmt工具自动检查和修正，我们应该遵守这些规则，以保证代码的清晰和统一。
• 命名规范：go语言有一些命名规范，例如包名应该使用小写单词，不要使用下划线或混合大小写；变量名、函数名、类型名等应该使用驼峰命名法（CamelCase），根据访问控制原则首字母大写或小写；常量名应该使用全部大写字母，并使用下划线分词；如果变量类型为布尔类型，则名称应以Has, Is, Can或Allow开头等。这些规范可以帮助我们提高代码的可读性和可维护性。
• 控制流程：go语言有一些控制流程的特点和建议，例如使用defer语句来延迟执行某些操作，如关闭文件、解锁互斥锁等；使用switch语句来替代多个if-else语句；使用for-range语句来遍历数组、切片、映射等容器；使用break和continue语句来跳出循环或继续下一次循环；使用return语句来提前返回函数结果等。这些特点和建议可以帮助我们简化代码逻辑和提高代码效率。
• 错误和异常处理：go语言没有异常机制，而是使用错误（error）来表示程序运行过程中可能出现的问题。错误是一种内置的接口类型，它有一个Error()方法，返回错误的描述信息。我们应该在每个可能出错的地方检查错误，并及时处理或返回给上层调用者。我们可以使用errors包或fmt包来创建自定义的错误信息，也可以使用panic和recover函数来模拟异常抛出和捕获的行为，但是这种方式应该谨慎使用，只在必要的情况下使用。

go语言性能优化指南

go语言是一种高性能的编程语言，它有一些特性和机制可以帮助我们提高程序的运行效率，例如并发、垃圾回收、内存分配、编译优化等。但是，这些特性和机制并不意味着我们可以忽略代码的性能优化，我们仍然需要注意一些性能优化的原则和技巧，以避免不必要的开销和浪费。以下是一些常见的性能优化建议：

• 性能优化建议-Benchmark：在进行性能优化之前，我们需要有一个可靠的方法来测试和比较代码的性能，这就是Benchmark。Benchmark是go语言中用来测试代码执行时间的一种特殊的测试函数，它以Benchmark开头，并接受一个*testing.B类型的参数。我们可以使用go test -bench=.命令来运行所有的Benchmark函数，并得到每次执行的平均时间。我们还可以使用-benchmem选项来查看内存分配情况。通过Benchmark，我们可以找出代码中的性能瓶颈，并进行针对性的优化。

• 性能优化建议-Slice：Slice是go语言中最常用的数据结构之一，它是一个动态数组，可以根据需要增长或缩小。但是，如果我们不注意Slice的使用方式，可能会导致性能下降或内存泄漏。以下是一些关于Slice的性能优化建议：

  • 尽量预估Slice的容量，并使用make函数创建指定容量的Slice，避免频繁地扩容和复制。
  • 尽量复用已有的Slice，而不是创建新的Slice，避免不必要的内存分配和垃圾回收。
  • 尽量使用索引访问和修改Slice中的元素，而不是使用迭代器或切片操作，避免产生额外的临时变量和内存拷贝。
  • 尽量避免在循环中对Slice进行切片操作，因为切片操作会创建新的底层数组引用，可能导致原始数组无法被及时回收。
  • 尽量避免在函数间传递大型的Slice，因为这会导致内存拷贝和逃逸分析。可以考虑使用指针或切片头结构体来传递。

• 性能优化建议-Map：Map是go语言中另一个常用的数据结构，它是一个无序的键值对集合，可以快速地存储和检索数据。但是，如果我们不注意Map的使用方式，也可能会导致性能下降或内存泄漏。以下是一些关于Map的性能优化建议：

  • 尽量预估Map的容量，并使用make函数创建指定容量的Map，避免频繁地扩容和重新哈希。
  • 尽量使用简单且固定长度的类型作为键值类型，例如整数、字符串等，避免使用复杂且可变长度的类型，例如结构体、切片等，因为这会增加哈希计算和比较的开销。
  • 尽量避免在函数间传递大型的或包含指针类型元素的抱歉，我没有说完这句话，我想说的是：

• 尽量避免在函数间传递大型的或包含指针类型元素的Map，因为这会导致内存拷贝和逃逸分析。可以考虑使用指针或结构体来传递。

• Map，因为这会导致内存拷贝和逃逸分析。可以考虑使用指针或结构体来传递。

• 尽量避免在循环中对Map进行插入或删除操作，因为这会导致Map的扩容和重新哈希，影响性能。可以考虑在循环外创建一个临时的Slice或Map来存储需要插入或删除的键值对，然后在循环结束后再统一处理。

• 尽量避免在多个协程中同时操作同一个Map，因为这会导致竞争条件和数据不一致。可以考虑使用互斥锁、通道、原子操作或同步包中的数据结构来保证线程安全。

• 性能优化建议-字符串处理：字符串是go语言中最常用的数据类型之一，它是一个不可变的字节序列，可以表示文本、二进制数据等。但是，如果我们不注意字符串的使用方式，也可能会导致性能下降或内存泄漏。以下是一些关于字符串处理的性能优化建议：

  • 尽量避免对字符串进行频繁的拼接、切割、替换等操作，因为这会导致内存分配和垃圾回收。可以考虑使用bytes.Buffer或strings.Builder来高效地构建字符串，或者使用strings.Join或fmt.Sprintf来一次性地拼接字符串。

  • 尽量避免对字符串进行频繁的转换，例如将字符串转换为字节切片或整数等，因为这会导致内存分配和拷贝。可以考虑使用指针或切片头结构体来访问字符串的底层数据，或者使用缓存机制来复用已有的转换结果。

  • 尽量避免对字符串进行频繁的比较，例如使用==或!=运算符来判断字符串是否相等等，因为这会导致哈希计算和比较的开销。可以考虑使用映射或集合来存储和检索字符串，或者使用排序或二分查找等算法来优化查找过程。

  • 性能优化建议-空结构体：空结构体是go语言中一种特殊的数据类型，它表示一个没有任何字段和方法的结构体，它的字面值为struct{}。空结构体有一个有趣的特点，就是它不占用任何内存空间，也不需要任何内存分配和垃圾回收。因此，我们可以利用空结构体来实现一些高效的数据结构和算法，例如：

  • 使用空结构体作为映射或集合的值类型，可以节省内存空间，并提高查找速度。例如，我们可以使用一个以字符串为键，以空结构体为值的映射来实现一个字符串集合，如下所示：

    // 创建一个空结构体
    var empty struct{}
    // 创建一个以字符串为键，以空结构体为值的映射
    set := make(map[string]struct{})
    // 向集合中添加元素
    set["foo"] = empty
    set["bar"] = empty
    // 检查集合中是否存在某个元素
    if _, ok := set["foo"]; ok {
        fmt.Println("foo is in the set")
    }
    // 删除集合中的某个元素
    delete(set, "bar")
    

  • 使用空结构体作为通道的元素类型，可以实现一些同步和信号的功能，而不需要传递任何数据。例如，我们可以使用一个空结构体类型的通道来实现一个计数信号量，如下所示：

    // 创建一个空结构体
    var empty struct{}
    // 创建一个空结构体类型的通道，容量为10
    sem := make(chan struct{}, 10)
    // 向通道中发送一个空结构体，表示获取一个信号量
    sem <- empty
    // 从通道中接收一个空结构体，表示释放一个信号量
    <-sem
    

• 性能优化建议-atomic 包：atomic 包是go语言中提供了一些原子操作的函数和类型的包，它可以帮助我们在多个协程中安全地操作共享的数据，而不需要使用互斥锁或通道等同步机制。原子操作是指一种不可分割的操作，它可以保证在任何时刻只有一个协程可以对数据进行读写，而其他协程必须等待该操作完成后才能继续。原子操作的优点是它可以避免竞争条件和死锁等问题，而且性能比互斥锁或通道更高。以下是一些关于atomic 包的性能优化建议：

  • 尽量使用atomic 包中提供的函数和类型来实现原子操作，而不要自己实现或使用其他方式。atomic 包中提供了一些常用的原子操作函数，例如AddInt32、LoadInt64、StorePointer等，它们可以对基本类型或指针类型的数据进行原子地增加、加载、存储等操作。atomic 包还提供了一些原子操作类型，例如Value、Swap、CompareAndSwap等，它们可以对任意类型的数据进行原子地交换、比较并交换等操作。
  • 尽量避免在原子操作中进行复杂的逻辑或计算，因为这会影响性能和正确性。原子操作应该尽可能地简单和快速，只涉及最基本的读写操作。如果需要进行复杂的逻辑或计算，可以考虑使用其他同步机制或将逻辑或计算移到原子操作之外。
  • 尽量避免在原子操作中使用指针或接口类型的数据，因为这会导致内存分配和垃圾回收。原子操作对指针或接口类型的数据只能进行最基本的读写操作，不能进行类型断言或方法调用等操作。如果需要使用指针或接口类型的数据，可以考虑使用其他同步机制或将数据转换为基本类型或结构体类型。

• 使用 atomic 包来实现原子操作：Go语言是一种支持并发的编程语言，它提供了 goroutine 和 channel 两个核心特性来实现多个任务的同时执行和通信。在编写并发代码时，我们需要注意一些同步和互斥的问题，避免出现数据竞争（data race）和死锁（deadlock）等错误。Go语言提供了 sync 包来提供一些同步原语，如互斥锁（Mutex）、读写锁（RWMutex）、等待组（WaitGroup）、条件变量（Cond）等。除此之外，Go语言还提供了 sync/atomic 包来提供一些原子操作（atomic operation），即不可分割的操作，可以保证在多个 goroutine 中对同一个变量进行读写时的一致性和正确性。在编写代码时，我们应该尽量使用原子操作来替代锁操作，因为这样可以提高程序的性能和简洁度。例如：

// 使用互斥锁来保护计数器
var counter int // 定义一个全局变量作为计数器
var mu sync.Mutex // 定义一个全局变量作为互斥锁
var wg sync.WaitGroup // 定义一个全局变量作为等待组

func main() {
    wg.Add(2) // 设置等待组的计数器为2
    go increment() // 启动一个 goroutine 来增加计数器
    go increment() // 启动另一个 goroutine 来增加计数器
    wg.Wait() // 等待所有 goroutine 结束
    fmt.Println(counter) // 输出最终的计数器值
}

func increment() {
    defer wg.Done() // 函数结束时减少等待组的计数器
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        mu.Lock() // 每次操作前加锁
        counter++ // 增加计数器的值
        mu.Unlock() // 每次操作后解锁
    }
}

// 使用原子操作来保护计数器
var counter int64 // 定义一个全局变量作为计数器，注意要使用 int64 类型才能使用原子操作
var wg sync.WaitGroup // 定义一个全局变量作为等待组

func main() {
    wg.Add(2) // 设置等待组的计数器为2
    go increment() // 启动一个 goroutine 来增加计数器
    go increment() // 启动另一个 goroutine 来增加计数器
    wg.Wait() // 等待所有 goroutine 结束
    fmt.Println(counter) // 输出最终的计数器值
}

func increment() {
    defer wg.Done() // 函数结束时减少等待组的计数器
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        atomic.AddInt64(&counter, 1) // 使用原子操作来增加计数器的值，无需加锁
    }
}

性能优化分析工具

Go语言提供了一些内置的工具来帮助我们分析和优化程序的性能，主要有以下几个：

• pprof：pprof 是一个用来分析程序的 CPU、内存、阻塞、锁等方面的性能的工具，它可以生成各种形式的报告，如文本、图表、火焰图等，帮助我们定位程序中的性能瓶颈和问题。要使用 pprof 工具，我们需要在代码中导入 net/http/pprof 包，并启动一个 HTTP 服务器，然后使用 go tool pprof 命令或者浏览器来访问不同的端点，如 /debug/pprof/profile 、 /debug/pprof/heap 、 /debug/pprof/block 等，获取不同方面的性能数据。例如：

// 在代码中导入 net/http/pprof 包
import (
    _ "net/http/pprof"
)

// 在 main 函数中启动一个 HTTP 服务器
func main() {
    go func() {
        log.Println(http.ListenAndServe("localhost:6060", nil)) // 监听本地的 6060 端口
    }()
    // 其他业务逻辑代码
}

// 在命令行中使用 go tool pprof 命令来分析 CPU 性能数据
$ go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/profile?seconds=30 // 获取 30 秒内的 CPU 性能数据
Fetching profile over HTTP from http://localhost:6060/debug/pprof/profile?seconds=30
Saved profile in /Users/xxx/pprof/pprof.samples.cpu.001.pb.gz
Type: cpu
Time: Jul 28, 2023 at 6:11pm (CST)
Duration: 30.02s, Total samples = 1.49s (4.96%)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top // 查看 CPU 使用最多的函数
Showing nodes accounting for 1.46s, 97.99% of 1.49s total
Showing top 10 nodes out of 16
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
     0.57s 38.26% 38.26%      0.57s 38.26%  runtime.kevent
     0.24s 16.11% 54.36%      0.24s 16.11%  runtime.usleep
     0.15s 10.07% 64.43%      0.15s 10.07%  runtime.mach_semaphore_signal
     0.13s  8.72% 73.15%      0.13s  8.72%  runtime.mach_semaphore_wait
     0.12s  8.05% 81.21%      0.12s  8.05% (garbage collection)
     ... 

性能优化分析工具是一些可以帮助我们检测和分析代码性能的工具，它们可以让我们更清楚地了解代码的运行情况，例如执行时间、内存使用、CPU占用、协程调度等。通过使用性能优化分析工具，我们可以找出代码中的性能热点和问题，并进行针对性的优化。go语言提供了一些内置的或标准库中的性能优化分析工具，例如：

• pprof：pprof 是go语言中最常用的性能优化分析工具之一，它可以对代码进行CPU、内存、阻塞、互斥锁等方面的分析，并生成可视化的报告和图表。pprof 可以通过以下几种方式使用：

  • 使用go tool pprof命令来对已经运行的或已经结束的程序进行分析，需要提供程序的可执行文件和分析数据文件（可以通过runtime/pprof包或net/http/pprof包来生成）。
  • 使用net/http/pprof包来对正在运行的web服务进行分析，需要在web服务中引入该包，并通过浏览器访问http://localhost:port/debug/pprof/来查看分析结果。
  • 使用runtime/pprof包来对任意的go程序进行分析，需要在程序中调用该包的相关函数，并将分析数据写入到文件或标准输出中。

  -pprof-排查实战：pprof-排查实战是一个使用pprof 工具来排查和优化go语言程序性能问题的实战教程，它通过一些典型的案例来演示如何使用pprof 工具来定位和解决CPU、内存、阻塞、互斥锁等方面的性能问题。

性能调优实战案例是一些使用go语言编写的程序或项目，它们在实际的生产环境中遇到了一些性能问题，并通过使用性能优化分析工具和技巧来进行排查和优化，从而提高了程序的运行效率和质量。以下是一些性能调优实战案例的介绍：

• 性能分析工具 pprof-采样过程和原理：pprof-采样过程和原理是一个介绍pprof 工具如何对程序进行采样和分析的文章，它通过一个简单的示例程序来演示pprof 工具的使用方法，并解释了pprof 工具的内部原理和实现细节，例如如何使用信号处理、运行时钩子、符号表等技术来实现采样和分析功能。
• 业务服务优化：业务服务优化是一个介绍如何对一个电商平台的业务服务进行性能优化的案例，它通过使用pprof 工具来对业务服务进行CPU、内存、阻塞、互斥锁等方面的分析，并根据分析结果来进行针对性的优化，例如使用缓存、连接池、批量处理、并发控制等技术来提高业务服务的响应速度和吞吐量。
• 基础库优化：基础库优化是一个介绍如何对一个go语言的基础库进行性能优化的案例，它通过使用pprof 工具来对基础库进行CPU、内存、阻塞、互斥锁等方面的分析，并根据分析结果来进行针对性的优化，例如使用池化、复用、零拷贝、延迟初始化等技术来减少基础库的内存分配和垃圾回收。
• go语言优化：go语言优化是一个介绍如何对go语言本身进行性能优化的案例，它通过使用pprof 工具来对go语言的运行时系统进行CPU、内存、阻塞、互斥锁等方面的分析，并根据分析结果来进行针对性的优化，例如使用编译器指令、内联函数、逃逸分析等技术来提高go语言的编译和执行效率。