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

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 concurrency

type WebsiteChecker func(string) bool

func 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 concurrency

import (
    "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。

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 concurrency

import (
    "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 concurrency

type WebsiteChecker func(string) bool

func 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 results map 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[]
FAIL
exit status 1
FAIL 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 results map 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 concurrency

import "time"

type WebsiteChecker func(string) bool

func 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]
FAIL
exit status 1
FAIL 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) bool

func 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：

PASS
ok 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=0x102d395
runtime.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=0x100eb65
github.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=0x12308f1
runtime.goexit()
/usr/local/Cellar/go/1.9.3/libexec/src/runtime/asm_amd64.s:2337 +0x1 fp=0xc4200377c8 sp=0xc4200377c0 pc=0x105cf01
created 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 results map。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 RACE
Write 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 concurrency

type WebsiteChecker func(string) bool
type 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 results map 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 statement
resultChannel <- 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 expression
result := <-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 results map 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