前言

軟件開(kāi)發(fā)一直都是一個(gè)求真務(wù)實(shí)的領(lǐng)域，軟件工程師追求的往往是極高的性能目標(biāo)、需 求與效率的平衡、優(yōu)雅而高效的代碼，以及易于閱讀、擴(kuò)展和維護(hù)的代碼庫(kù)。實(shí)現(xiàn)這些真的可能嗎？

是的，筆者將通過(guò)本書(shū)展示如何實(shí)現(xiàn)這些！本書(shū)在某些方面是獨(dú)樹(shù)一幟的，因?yàn)樗�不�?一本速成教程，而是一本關(guān)于編寫(xiě)高效且務(wù)實(shí)的軟件的完整指南，涵蓋了筆者在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的所見(jiàn)所聞。

通過(guò)本書(shū)，你將學(xué)到很多關(guān)于Go語(yǔ)言編程以及如何對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的知識(shí)。不要被本書(shū)的書(shū)名所迷惑，雖然筆者使用Go語(yǔ)言作為示例語(yǔ)言來(lái)展示優(yōu)化思維和可觀測(cè)性模式， 但本書(shū)的11章中有8章與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。這些技術(shù)理念是相通的，可以用來(lái)改進(jìn)任何其他語(yǔ)言（例如，Java 、C#、Scala 、Python 、C 、Rust 或 Haskell）編寫(xiě)的軟件。

如果你期待的是一本包含大量底層優(yōu)化技巧的書(shū)，那么這本書(shū)并不適合你。首先，軟件的性能優(yōu)化并不能一概而論。某人通過(guò)展開(kāi)循環(huán)或在其結(jié)構(gòu)體字段中使用指針獲得了更 好的效率，并不意味著可以推廣到所有場(chǎng)景！本書(shū)將介紹一些優(yōu)化技巧，但會(huì)著重強(qiáng)調(diào) 效率的重要性。

其次，一些低級(jí)且有風(fēng)險(xiǎn)的技巧通常并沒(méi)有多大用處。在大多數(shù)情況下，只需了解程序中浪費(fèi)CPU時(shí)間和資源的癥結(jié)所在，就可以低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)效率和可擴(kuò)展性目標(biāo)。此外，你將了解到，除了用C 、Rust或匯編語(yǔ)言重寫(xiě)程序，在原程序基礎(chǔ)上也存在高效的解決方案！

在閱讀本書(shū)正文之前，建議先閱讀本書(shū)的前言，其中有本書(shū)的寫(xiě)作目的，以及筆者專(zhuān)注于效率這個(gè)主題的原因。你還可以學(xué)習(xí)到如何更好地使用本書(shū)，從而在軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)中受益。

緣何而作

筆者花了大約1200小時(shí)撰寫(xiě)本書(shū)，撰寫(xiě)本書(shū)并非一時(shí)沖動(dòng)。在社交媒體盛行的時(shí)代，閱讀與寫(xiě)作紙質(zhì)書(shū)給人一種過(guò)時(shí)的感覺(jué)，但以筆者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，現(xiàn)代媒體往往將信息過(guò) 度簡(jiǎn)化，因?yàn)樗鼈內(nèi)�靠短平快的�?nèi)容來(lái)吸引讀者，并獲得收益，因此讀者看過(guò)之后會(huì)覺(jué) 得似是而非。這會(huì)導(dǎo)致不良誘導(dǎo)（ https://oreil.ly/A8dCv），且與筆者想通過(guò)本書(shū)實(shí)現(xiàn)的目 標(biāo)相沖突。

筆者的目標(biāo)其實(shí)很簡(jiǎn)單讓自己所使用或依賴(lài)的軟件變得更好，并實(shí)現(xiàn)以下目的：
? 希望軟件的貢獻(xiàn)者（Contributor）和維護(hù)者（Maintainer）能夠知曉其代碼的效率，通 過(guò)持續(xù)優(yōu)化讓它變得更加高效。
? 希望軟件的貢獻(xiàn)者和維護(hù)者能夠?qū)徤鲗?duì)待所有的拉取請(qǐng)求（pull request），并提高效率。
? 希望周?chē)�的人知道如何�?zhuān)業(yè)地處理性能問(wèn)題，而不是營(yíng)造緊張氛圍。
? 希望用戶(hù)和利益相關(guān)者對(duì)目前行業(yè)中風(fēng)靡的基準(zhǔn)測(cè)試和廉價(jià)營(yíng)銷(xiāo)保持謹(jǐn)慎之心。
? 希望領(lǐng)導(dǎo)者、主管和產(chǎn)品經(jīng)理能夠充分地處理軟件效率問(wèn)題，并合理制定可落地的效率規(guī)范，以幫助工程師交付出合格的產(chǎn)品。

筆者想對(duì)軟件的可持續(xù)發(fā)展盡一些綿薄之力。每一次因?yàn)檐浖�的效率�?wèn)題而浪費(fèi)的CPU時(shí)間和內(nèi)存不僅浪費(fèi)了公司的大量金錢(qián)，也浪費(fèi)了能源和硬件，從而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此，在省錢(qián)并保護(hù)環(huán)境的同時(shí)為你的企業(yè)創(chuàng)造更大的價(jià)值，是一件非常有意義的事。
筆者認(rèn)為寫(xiě)一本書(shū)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方式。這會(huì)比通過(guò)日常工作、開(kāi)源項(xiàng)目和會(huì)議 傳播得更廣。希望更多的人能夠看到本書(shū)。

創(chuàng)作背景

在撰寫(xiě)本書(shū)時(shí)，筆者已經(jīng)從大量的實(shí)踐和錯(cuò)誤中積累了經(jīng)驗(yàn)，在軟件效率和開(kāi)發(fā)高質(zhì)量軟件方面小有所成。

筆者在19歲時(shí)就開(kāi)始了全職專(zhuān)業(yè)軟件開(kāi)發(fā)的職業(yè)生涯，曾在英特爾從事軟件定義基礎(chǔ)設(shè)施（SDI）工作，同時(shí)還攻讀了全日制計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)。筆者的技術(shù)棧最初是使 用Python為OpenStack項(xiàng)目（ https://www.openstack.org）編寫(xiě)代碼，然后使用 C 在 Mesosphere （https://oreil.ly/yUHzn）和 Twitter（現(xiàn) X）與一些出色工程師合作編寫(xiě)代碼[包括對(duì)當(dāng)時(shí)流行的 Mesos （https://mesos.apache.org ）項(xiàng)目的貢獻(xiàn)］。最近幾年，轉(zhuǎn)向 為 Kubernetes （https://kubernetes.io）開(kāi)發(fā) Go 程序，并愛(ài)上了這門(mén)語(yǔ)言。

筆者在英特爾花了不少時(shí)間來(lái)研究節(jié)點(diǎn)超額訂閱功能（ https://oreil.ly/uPnb7）。通常來(lái) 講，超額訂閱允許在單臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行比平時(shí)更多的程序。這樣做是可行的，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)學(xué)上來(lái)看，所有程序幾乎很少會(huì)同時(shí)使用所有的保留資源。但從筆者目前的認(rèn)知來(lái)看， 通過(guò)優(yōu)化軟件來(lái)省錢(qián)通常比使用這樣的復(fù)雜算法更容易、更有效。

2016 年，筆者搬到倫敦，為一家初創(chuàng)游戲公司工作，與谷歌、亞馬遜、微軟和 Facebook 的一些前員工合作開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)一個(gè)全球游戲平臺(tái)。我們用Go開(kāi)發(fā)了許多微服務(wù)，主要是在全球數(shù)十個(gè) Kubernetes集群上運(yùn)行。正是在這里，筆者學(xué)到了很多有關(guān)分布式系統(tǒng)、站點(diǎn)可靠性工程和監(jiān)控的知識(shí)。也許正是在那時(shí)，筆者習(xí)慣了使用一些出色的可觀測(cè)性工具，這對(duì)于軟件效率的落地至關(guān)重要。本書(shū)第6章中會(huì)對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。

從此以后，一切順理成章。筆者將對(duì)可觀測(cè)性方面的熱情轉(zhuǎn)化為了開(kāi)發(fā)和使用一個(gè)名為Prometheus（https://prometheus.io）的流行開(kāi)源時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)，以用于監(jiān)控目的。最終， 筆者有幸成為一名官方維護(hù)者，同時(shí)啟動(dòng)了多個(gè)Go開(kāi)源項(xiàng)目和庫(kù)。最后，筆者也借此機(jī)會(huì)與 Fabian Reinartz 在開(kāi)源社區(qū)中共同創(chuàng)建了一個(gè)名為T(mén)hanos（https://thanos.io）的 大型分布式時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)。這兩個(gè)項(xiàng)目目前的使用范圍已經(jīng)非常之廣，它們很有可能 正在你的公司的基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)行！

2019 年，筆者加入了Red Hat，全職從事可觀測(cè)性系統(tǒng)的開(kāi)源工作。也因此有了更多深入研究持續(xù)性能剖析（ continuous profiling）解決方案的機(jī)會(huì)，本書(shū)正文中也會(huì)提到這 一點(diǎn)。

此外，筆者還擔(dān)任了云原生計(jì)算基金會(huì)（ Cloud Native Computing Foundation ，CNCF，網(wǎng)址為 https://cncf.io）的大使和可觀測(cè)性技術(shù)咨詢(xún)小組（TAG，網(wǎng)址為 https://oreil.ly/f9UYG）的技術(shù)負(fù)責(zé)人，與其他成員共同組織會(huì)議。通過(guò)Prometheus和 Thanos項(xiàng)目， 筆者的團(tuán)隊(duì)每年都會(huì)通過(guò)CNCF指導(dǎo)計(jì)劃（CNCF Mentoring Initiatives，網(wǎng)址為 https://　oreil.ly/rU0bg）指導(dǎo)多名工程師。

筆者已經(jīng)編寫(xiě)或?qū)彶榱顺汕�上萬(wàn)行生產(chǎn)級(jí)的代碼，使其具備可靠性和擴(kuò)展性。到目前為止，筆者累計(jì)指導(dǎo)了20多位工程師。然而，最令筆者印象深刻的是主持開(kāi)源工作，因?yàn)樵谶@項(xiàng)工作中，筆者有機(jī)會(huì)與世界各地不同公司、具有不同背景、目標(biāo)和需求的人士互動(dòng)。

總的來(lái)說(shuō)，筆者和共事的優(yōu)秀人員取得了一些驚人的成就。在一個(gè)高質(zhì)量代碼環(huán)境中工作是幸運(yùn)的，因?yàn)檫@樣就不會(huì)花費(fèi)時(shí)間去優(yōu)化一些延遲或風(fēng)格問(wèn)題。我們致力于良好的 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、代碼可維護(hù)性和可讀性，并試圖將這些價(jià)值觀帶入開(kāi)源社區(qū)。但是，如果筆者有機(jī)會(huì)再次開(kāi)發(fā)像Thanos 這樣的項(xiàng)目，一定會(huì)改善一件事：嘗試更多地關(guān)注代碼質(zhì)量和所選擇的算法的效率。筆者會(huì)從一開(kāi)始就專(zhuān)注于制定更清晰的效率規(guī)范，并在基準(zhǔn) 測(cè)試和性能剖析上投入更多的精力。

不要誤會(huì)，筆者這樣說(shuō)并不表示 Thanos 的性能/效率差，相反，目前Thanos比一些競(jìng) 爭(zhēng)對(duì)手更快，而且使用的資源也更少。我們?cè)谶@上面花了不少時(shí)間，但仍然有優(yōu)化空間，有許多瓶頸等待社區(qū)關(guān)注與反饋。如果從一開(kāi)始就應(yīng)用本書(shū)所介紹的知識(shí)、技術(shù)和 建議，筆者相信我們可以將開(kāi)發(fā)成本降低一半，甚至更多，讓Thanos達(dá)到今天的狀態(tài)。

這些經(jīng)歷讓筆者頓悟?qū)懸槐具@樣的書(shū)是多么有必要！隨著全民編程時(shí)代的到來(lái)，那些沒(méi)有計(jì)算機(jī)科學(xué)背景的開(kāi)發(fā)者可能會(huì)遇到很多錯(cuò)誤和誤解，尤其是在軟件效率方面。市面 上沒(méi)有太多文獻(xiàn)可以為效率或擴(kuò)展問(wèn)題提供參考，尤其是對(duì)于Go這樣的年輕語(yǔ)言而言更是如此。希望本書(shū)的問(wèn)世能提供一些指導(dǎo)和幫助。

本書(shū)受眾

本書(shū)旨在提供必要的工具和知識(shí)，以便根據(jù)具體情況和組織目標(biāo)來(lái)明確何時(shí)以及如何應(yīng) 用效率優(yōu)化。因此，本書(shū)的主要受眾是使用Go語(yǔ)言和任何其他現(xiàn)代編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序的軟件開(kāi)發(fā)者。軟件工程師的本職工作應(yīng)該是確保他們創(chuàng)建的軟件能在特定的功能需求 和效率要求下工作。所以在開(kāi)始閱讀本書(shū)時(shí)最好具備一些基本的編程技能。

筆者相信本書(shū)對(duì)那些操作他人編寫(xiě)的軟件的人也有用，例如，DevOps工程師、SRE、系統(tǒng)管理員和平臺(tái)團(tuán)隊(duì)。按照一些優(yōu)化設(shè)計(jì)層級(jí)（如3.5節(jié)中所述），有時(shí)對(duì)軟件優(yōu)化進(jìn)行投資是有意義的，而有時(shí)可能需要在其他層級(jí)去解決問(wèn)題！此外，為了實(shí)現(xiàn)可靠的效 率，軟件工程師必須對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行大量基準(zhǔn)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)（如第7章中所述），這通常意 味著與平臺(tái)團(tuán)隊(duì)的密切協(xié)作。第6章中介紹的可觀測(cè)性是目前軟件工程中最為推薦的先 進(jìn)工具。筆者強(qiáng)烈建議應(yīng)該避免為SRE區(qū)分應(yīng)用程序性能監(jiān)控（APM）和可觀測(cè)性。如果你在哪里看到了這種區(qū)分，極有可能是某些云服務(wù)商又要忽悠你付費(fèi)。正如本書(shū)中將 要介紹的，可以在所有軟件可觀測(cè)性中復(fù)用相同的工具、插樁和信號(hào)，因?yàn)樗鼈兺��?同源，有著相同的目標(biāo)構(gòu)建更好的軟件產(chǎn)品！

最后，筆者向那些希望保持技術(shù)能力，并想了解如何確保團(tuán)隊(duì)不會(huì)在效率問(wèn)題上浪費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元的經(jīng)理、產(chǎn)品經(jīng)理和領(lǐng)導(dǎo)者隆重推薦本書(shū)！

內(nèi)容組織

本書(shū)共分為11章。在第1章中，將討論軟件效率及其重要性；在第2章中，將簡(jiǎn)要介紹Go及其在效率方面的考量；在第3章中，將討論優(yōu)化以及如何思考和處理優(yōu)化。提高效率可能需要花費(fèi)大量時(shí)間，但系統(tǒng)性的方法可以幫助你節(jié)省大量時(shí)間和精力。

在第4章和第5章中，將解釋延遲、CPU和內(nèi)存資源，以及操作系統(tǒng)和Go如何將它們抽象化。

從第6章開(kāi)始，將繼續(xù)討論圍繞軟件效率進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策的含義；在第7章中，將討論復(fù)雜度分析和實(shí)驗(yàn)的可靠性；在第8章和第9章中，將解釋基準(zhǔn)測(cè)試和性能剖析技術(shù)。

最后兩章也很重要。在第10章中，將展示不同優(yōu)化情況的各種示例；在第11章中，將介紹一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并總結(jié)在Go社區(qū)中看到的各種有關(guān)效率的模式和技巧。