【讲师分享】Go 1.20新特性前瞻

在近期Russ Cox代表Go核心团队发表的“Go, 13周年”一文中，他提到了“在Go的第14个年头，Go团队将继续努力使Go成为用于大规模软件工程的最好的环境，将特别关注供应链安全，提高兼容性和结构化日志记录，当然还会有很多其他改进，包括profile-guided optimization等”。

当前正在开发的版本是Go 1.20，预计2023年2月正式发布，这个版本也将是Go在其第14个年头发布的第一个版本。很多人没想到Go真的会进入到Go 1.2x版本，而不是Go 2.x。记得Russ Cox曾说过可能永远也不会有Go2了，毕竟Go泛型语法落地这么大的语法改动也没有让Go1兼容性承诺失效。

目前Go 1.20版本正在如火如荼的开发中，很多gopher都好奇Go 1.20版本会带来哪些新特性？在这篇文章中，我就带大家一起去Go 1.20 milestone的issues列表中翻翻，提前看看究竟会有哪些新特性加入Go。

1. 语法变化

Go在其1.18版本迎来了自开源以来最大规模的语法变化，然后呢？就没有然后了。Go在语法演进上再次陷入沉寂，没错，这就是Go长期以来坚持的风格。

如果Go 1.20版本真有语法层面的变化，那估计就是这个issue了：“spec: allow conversion from slice to array”，即允许切片类型到数组类型的类型转换。

在Go 1.20版本之前，我们以Go 1.19版本为例写下下面代码：

package main

import "fmt"

func main() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    var arr = [7]int(sl) // 编译器报错：cannot convert sl (variable of type []int) to type [7]int
    fmt.Println(sl)
    fmt.Println(arr)
}

这段代码中，我们进行了一个[]int到[7]int的类型转换，但在Go 1.19版本编译器针对这个转换会报错！即不支持将切片类型显式转换数组类型。

在Go 1.20版本之前如果要实现切片到数组的转换，是有trick的，看下面代码：

func main() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    var parr = (*[7]int)(sl)
    var arr = *(*[7]int)(sl)
    fmt.Println(sl)  // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
    sl[0] = 11
    fmt.Println(sl)    // [11 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(arr)   // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(*parr) // [11 2 3 4 5 6 7]
}

该trick的理论基础是Go允许获取切片的底层数组地址。在上面的例子中parr就是指向切片sl底层数组的指针，通过sl或parr对底层数组元素的修改都能在对方身上体现出来。但是arr则是底层数组的一个副本，后续通过sl对切片的修改或通过parr对底层数组的修改都不会影响arr，反之亦然。

不过这种trick语法还不是那么直观！于是上面那个“允许将切片直接转换为数组”的issue便提了出来。我们在go playground上选择“go dev branch”便可以使用最新go tip的代码，我们尝试一下最新语法：

func main() {
	var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
	var arr = [7]int(sl)      
	var parr = (*[7]int)(sl)
	fmt.Println(sl)   // [1 2 3 4 5 6 7]
	fmt.Println(arr)  // [1 2 3 4 5 6 7]
	sl[0] = 11
	fmt.Println(arr)  // [1 2 3 4 5 6 7]
	fmt.Println(parr) // &[11 2 3 4 5 6 7]
}

我们看到直接将sl转换为数组arr不再报错，但其语义与前面的“var arr = ([7]int)(sl)”语义是相同的，即返回一个切片底层数组的副本，arr不会受到后续切片元素变化的影响。

不过这里也有个约束，那就是转换后的数组长度要小于等于切片长度，否则会panic：

var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var arr = [8]int(sl) // panic: runtime error: cannot convert slice with length 7 to array or pointer to array with length 8

在写本文时，该issue尚未close，不过进入最终Go 1.20版本应该不是大问题。

2. 编译器/链接器和其他工具链

1) profile-guided optimization

Go编译器团队一直致力于对Go编译器/链接器的优化，这次在Go 1.20版本中，该团队很大可能会给我们带来“profile-guided optimization”。

什么是“profile-guided optimization”呢？原先Go编译器实施的优化手段，比如内联，都是基于固定规则决策的，所有信息都来自编译的Go源码。而这次的“profile-guided optimization”顾名思义，需要源码之外的信息做“制导”来决定实施哪些优化，这个源码之外的信息就是profile信息，即来自pprof工具在程序运行时采集的数据，如下图(图来自profile-guided optimization设计文档)所示:

因此pgo优化实际上是需要程序员参与的，程序员拿着程序到生产环境跑，程序生成的profile性能采集数据会被保存下来，然后这些profile采集数据会提供给Go编译器，以在下次构建同一个程序时辅助优化决策。由于这些profile是来自生产环境或模拟生产环境的数据，使得这种优化更有针对性。并且，Google数据中心其他语言(C/C++)实施PGO优化的效果显示，优化后的性能保守估计提升幅度在5%~15%。

和其他新引入的特性一样，Go 1.20将包含该特性，但默认并不开启，我们可以手动开启进行体验，未来版本，pgo特性才会默认为auto开启。

2) 大幅减小Go发行版包的Size

随着Go语言的演进，Go发行版的Size也在不断增加，从最初的几十M到如今的上百M。本地电脑里多安装几个Go版本，(解压后)几个G就没有了，此外Size大也让下载时间变得更长，尤其是一些网络环境不好的地区。

为什么Go发行版Size越来越大呢？这很大程度是因为Go发行版中包含了GOROOT下所有软件包的预编译.a文件，以go 1.19的macos版本为例，在$GOROOT/pkg下，我们看到下面这些.a文件，用du查看一下占用的磁盘空间，达111M：

$ls
archive/	database/	fmt.a		index/		mime/		plugin.a	strconv.a	time/
bufio.a		debug/		go/		internal/	mime.a		reflect/	strings.a	time.a
bytes.a		embed.a		hash/		io/		net/		reflect.a	sync/		unicode/
compress/	encoding/	hash.a		io.a		net.a		regexp/		sync.a		unicode.a
container/	encoding.a	html/		log/		os/		regexp.a	syscall.a	vendor/
context.a	errors.a	html.a		log.a		os.a		runtime/	testing/
crypto/		expvar.a	image/		math/		path/		runtime.a	testing.a
crypto.a	flag.a		image.a		math.a		path.a		sort.a		text/

$du -sh
111M	.

而整个pkg目录的size为341M，占Go 1.19版本总大小495M的近70%。

于是在Go社区提议下，Go团队决定从Go 1.20开始发行版不再为GOROOT中的大多数软件包提供预编译的.a文件，新版本将只包括GOROOT中使用cgo的几个软件包的.a文件。

因此Go 1.20版本中，GOROOT下的源码将像其他用户包那样在构建后被缓存到本机cache中。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这样Go发行版的size将最多减少三分之二。

取而代之的是，这些包将在需要时被构建并缓存在构建缓存中，就像已经为GOROOT之外的非主包所做的那样。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这些改变是为了减少Go发行版的大小，在某些情况下可以减少三分之二。

3) 扩展代码覆盖率(coverage)报告到应用本身

想必大家都用过go test的输出过代码覆盖率，go test会在unit test代码中注入代码以统计unit test覆盖的被测试包路径，下面是代码注入的举例：

func ABC(x int) {
    if x < 0 {
        bar()
    }
}

注入代码后：

func ABC(x int) {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[9] = 1;
  if x < 0 {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[10] = 1;
    bar()
  }
}

像GoCover_xxx这样的代码会被放置到每条分支路径下。

不过go test -cover也有一个问题，那就是它只是适合针对包收集数据并提供报告，它无法针对应用整体给出代码覆盖度报告。

Go 1.20版本中有关的“extend code coverage testing to include applications”的proposal就是来扩展代码覆盖率的，可以支持对应用整体的覆盖率统计和报告。

该特性在Go 1.20版本中也将作为实验性特性，默认是off的。该方案通过go build -cover方式生成注入了覆盖率统计代码的应用程序，在应用执行过程中，报告会被生成到指定目录下，我们依然可以通过go tool cover来查看这个整体性报告。

此外，新proposal在实现原理上与go test -cover差不多，都是source-to-source的方案，这样后续也可以统一维护。当然Go编译器也会有一些改动。

4) 废弃-i flag

这个是一个早计划好的“废弃动作”。自从Go 1.10引入go build cache后，go build/install/test -i就不会再将编译好的包安装到$GOPATH/pkg下面了。

3. Go标准库

1) 支持wrap multiple errors

Go 1.20增加了一种将多个error包装(wrap)为一个error的机制，方便从打包后的错误的Error方法中一次性得到包含一系列关于该错误的相关错误的信息。

这个机制增加了一个(匿名)接口和一个函数：

interface {
    Unwrap() []error
}

func Join(errs ...error) error

同时增强了像fmt.Errorf这样的函数的语义，当在Errorf中使用多个%w verb时，比如：

e := errors.Errorf("%w, %w, %w", e1, e2, e3)

Errorf将返回一个将e1, e2, e3打包完的且实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口的错误类型实例。

Join函数的语义是将传入的所有err打包成一个错误类型实例，该实例同样实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口，且该错误实例的类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。

我们看一下下面这个例子：

package main

import (
	"errors"
	"fmt"
)

type MyError struct {
	s string
}

func (e *MyError) Error() string {
	return e.s
}

func main() {
	e1 := errors.New("error1")
	e2 := errors.New("error2")
	e3 := errors.New("error3")
	e4 := &MyError{
		s: "error4",
	}
	e := fmt.Errorf("%w, %w, %w, %w", e1, e2, e3, e4)

	fmt.Printf("e = %s\n", e.Error()) // error1 error2, error3, error4
	fmt.Println(errors.Is(e, e1)) // true

	var ne *MyError
	fmt.Println(errors.As(e, &ne)) // true
	fmt.Println(ne == e4) // true
}

我们首先在Go 1.19编译运行上面程序：

e = error1 %!w(*errors.errorString=&{error2}), %!w(*errors.errorString=&{error3}), %!w(*main.MyError=&{error4})
false
false
false

显然Go 1.19的fmt.Errorf函数尚不支持多%w verb。

而Go 1.20编译上面程序的运行结果为：

e = error1 error2, error3, error4
true
true
true

将fmt.Errorf一行换为：

e := errors.Join(e1, e2, e3, e4) 

再运行一次的结果为：

e = error1
error2
error3
error4
true
true
true

即Join函数打包后的错误类型实例类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。

2) 新增arena实验包

Go是带GC语言，虽然Go GC近几年持续改进，绝大多数场合都不是大问题了。但是在一些性能敏感的领域，GC过程占用的可观算力还是让应用吃不消。

降GC消耗，主要思路就是减少堆内存分配、减少反复的分配与释放。Go社区的某些项目为了减少内存GC压力，在mmaped内存上又建立一套GC无法感知到的简单内存管理机制并在适当场合应用。但这些自实现的、脱离GC的内存管理都有各自的问题。

Go 1.18版本发布前，arena这个proposal就被提上了日程，arena包又是google内部的一个实验包，据说效果还不错的(在改进grpc的protobuf反序列化实验上)，可以节省15%的cpu和内存消耗。但proposal一出，便收到了来自各方的comment，该proposal在Go 1.18和Go 1.19一度处于hold状态，直到Go 1.20才纳入到试验特性，我们可以通过GOEXPERIMENT=arena开启该机制。

arena包主要思路其实是“整体分配，零碎使用，再整体释放”，以最大程度减少对GC的压力。关于arena包，等进一步完善后，后续可能会有专门文章分析。

3) time包变化

time包增加了三个时间layout格式常量，相信不用解释，大家也知道如何使用：

	DateTime   = "2006-01-02 15:04:05"
	DateOnly   = "2006-01-02"
	TimeOnly   = "15:04:05"

time包还为Time增加了Compare方法，适用于time之间的>=和<=比较：

// Compare returns -1 if t1 is before t2, 0 if t1 equals t2 or 1 if t1 is after t2.
func (t1 Time) Compare(t2 Time) int

此外，time包的RFC3339时间格式是使用最广泛的时间格式，其解析性能在Go 1.20中得到优化，提升了70%左右，格式化性能提升30%。

4. 其他

• Go 1.17版本将作为Go 1.20的bootstrap编译器;
• Go编译器性能提升3%；
• Go工具链将根据GO[arch]环境变量的设置自动设置相关build tags；
• 标准库增加cyypto/ecdh包，提供安全的、基于byte切片的ECDH API；
• bytes, strings包增加Clone函数；
• strings包增加CutPrefix和CutSuffix函数；
• text/template的解析性能提升40%。

5. 参考资料

• Go 1.20 milestone - https://github.com/golang/go/milestone/250
• Exploring Go’s Profile-Guided Optimizations - https://www.polarsignals.com/blog/posts/2022/09/exploring-go-profile-guided-optimizations/
• What’s coming to go 1.20 - https://twitter.com/mvdan_/status/1588242469577117696

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