前言

軟件開發(fā)一直都是一個求真務(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。實(shí)現(xiàn)這些真的可能嗎？

是的，筆者將通過本書展示如何實(shí)現(xiàn)這些！本書在某些方面是獨(dú)樹一幟的，因?yàn)樗�不�?一本速成教程，而是一本關(guān)于編寫高效且務(wù)實(shí)的軟件的完整指南，涵蓋了筆者在軟件開發(fā)領(lǐng)域的所見所聞。

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

如果你期待的是一本包含大量底層優(yōu)化技巧的書，那么這本書并不適合你。首先，軟件的性能優(yōu)化并不能一概而論。某人通過展開循環(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景！本書將介紹一些優(yōu)化技巧，但會著重強(qiáng)調(diào) 效率的重要性。

其次，一些低級且有風(fēng)險的技巧通常并沒有多大用處。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或匯編語言重寫程序，在原程序基礎(chǔ)上也存在高效的解決方案！

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

緣何而作

筆者花了大約1200小時撰寫本書，撰寫本書并非一時沖動。在社交媒體盛行的時代，閱讀與寫作紙質(zhì)書給人一種過時的感覺，但以筆者的經(jīng)驗(yàn)來看，現(xiàn)代媒體往往將信息過 度簡化，因?yàn)樗鼈內(nèi)�靠短平快的�?nèi)容來吸引讀者，并獲得收益，因此讀者看過之后會覺 得似是而非。這會導(dǎo)致不良誘導(dǎo)（ https://oreil.ly/A8dCv），且與筆者想通過本書實(shí)現(xiàn)的目 標(biāo)相沖突。

筆者的目標(biāo)其實(shí)很簡單讓自己所使用或依賴的軟件變得更好，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Υ�所有的拉取請求（pull request），并提高效率。
? 希望周圍的人知道如何專業(yè)地處理性能問題，而不是營造緊張氛圍。
? 希望用戶和利益相關(guān)者對目前行業(yè)中風(fēng)靡的基準(zhǔn)測試和廉價營銷保持謹(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�的效率問題而浪費(fèi)的CPU時間和內(nèi)存不僅浪費(fèi)了公司的大量金錢，也浪費(fèi)了能源和硬件，從而對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此，在省錢并保護(hù)環(huán)境的同時為你的企業(yè)創(chuàng)造更大的價值，是一件非常有意義的事。
筆者認(rèn)為寫一本書是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方式。這會比通過日常工作、開源項(xiàng)目和會議 傳播得更廣。希望更多的人能夠看到本書。

創(chuàng)作背景

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

筆者在19歲時就開始了全職專業(yè)軟件開發(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，同時還攻讀了全日制計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(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代碼[包括對當(dāng)時流行的 Mesos （https://mesos.apache.org ）項(xiàng)目的貢獻(xiàn)］。最近幾年，轉(zhuǎn)向 為 Kubernetes （https://kubernetes.io）開發(fā) Go 程序，并愛上了這門語言。

筆者在英特爾花了不少時間來研究節(jié)點(diǎn)超額訂閱功能（ https://oreil.ly/uPnb7）。通常來 講，超額訂閱允許在單臺機(jī)器上運(yùn)行比平時更多的程序。這樣做是可行的，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)學(xué)上來看，所有程序幾乎很少會同時使用所有的保留資源。但從筆者目前的認(rèn)知來看， 通過優(yōu)化軟件來省錢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發(fā)和運(yùn)營一個全球游戲平臺。我們用Go開發(fā)了許多微服務(wù)，主要是在全球數(shù)十個 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。也許正是在那時，筆者習(xí)慣了使用一些出色的可觀測性工具，這對于軟件效率的落地至關(guān)重要。本書第6章中會對此進(jìn)行說明。

從此以后，一切順理成章。筆者將對可觀測性方面的熱情轉(zhuǎn)化為了開發(fā)和使用一個名為Prometheus（https://prometheus.io）的流行開源時間序列數(shù)據(jù)庫，以用于監(jiān)控目的。最終， 筆者有幸成為一名官方維護(hù)者，同時啟動了多個Go開源項(xiàng)目和庫。最后，筆者也借此機(jī)會與 Fabian Reinartz 在開源社區(qū)中共同創(chuàng)建了一個名為Thanos（https://thanos.io）的 大型分布式時間序列數(shù)據(jù)庫。這兩個項(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，全職從事可觀測性系統(tǒng)的開源工作。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，本書正文中也會提到這 一點(diǎn)。

此外，筆者還擔(dān)任了云原生計(jì)算基金會（ Cloud Native Computing Foundation ，CNCF，網(wǎng)址為 https://cncf.io）的大使和可觀測性技術(shù)咨詢小組（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議。通過Prometheus和 Thanos項(xiàng)目， 筆者的團(tuán)隊(duì)每年都會通過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)編寫或?qū)彶榱顺汕�上萬行生產(chǎn)級的代碼，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源工作，因?yàn)樵谶@項(xiàng)工作中，筆者有機(jī)會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。

總的來說，筆者和共事的優(yōu)秀人員取得了一些驚人的成就。在一個高質(zhì)量代碼環(huán)境中工作是幸運(yùn)的，因?yàn)檫@樣就不會花費(fèi)時間去優(yōu)化一些延遲或風(fēng)格問題。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，并試圖將這些價值觀帶入開源社區(qū)。但是，如果筆者有機(jī)會再次開發(fā)像Thanos 這樣的項(xiàng)目，一定會改善一件事：嘗試更多地關(guān)注代碼質(zhì)量和所選擇的算法的效率。筆者會從一開始就專注于制定更清晰的效率規(guī)范，并在基準(zhǔn) 測試和性能剖析上投入更多的精力。

不要誤會，筆者這樣說并不表示 Thanos 的性能/效率差，相反，目前Thanos比一些競 爭對手更快，而且使用的資源也更少。我們在這上面花了不少時間，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。如果從一開始就應(yīng)用本書所介紹的知識、技術(shù)和 建議，筆者相信我們可以將開發(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@樣的書是多么有必要！隨著全民編程時代的到來，那些沒有計(jì)算機(jī)科學(xué)背景的開發(fā)者可能會遇到很多錯誤和誤解，尤其是在軟件效率方面。市面 上沒有太多文獻(xiàn)可以為效率或擴(kuò)展問題提供參考，尤其是對于Go這樣的年輕語言而言更是如此。希望本書的問世能提供一些指導(dǎo)和幫助。

本書受眾

本書旨在提供必要的工具和知識，以便根據(jù)具體情況和組織目標(biāo)來明確何時以及如何應(yīng) 用效率優(yōu)化。因此，本書的主要受眾是使用Go語言和任何其他現(xiàn)代編程語言編寫程序的軟件開發(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。所以在開始閱讀本書時最好具備一些基本的編程技能。

筆者相信本書對那些操作他人編寫的軟件的人也有用，例如，DevOps工程師、SRE、系統(tǒng)管理員和平臺團(tuán)隊(duì)。按照一些優(yōu)化設(shè)計(jì)層級（如3.5節(jié)中所述），有時對軟件優(yōu)化進(jìn)行投資是有意義的，而有時可能需要在其他層級去解決問題！此外，為了實(shí)現(xiàn)可靠的效 率，軟件工程師必須對生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行大量基準(zhǔn)測試和實(shí)驗(yàn)（如第7章中所述），這通常意 味著與平臺團(tuán)隊(duì)的密切協(xié)作。第6章中介紹的可觀測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)。正如本書中將 要介紹的，可以在所有軟件可觀測性中復(fù)用相同的工具、插樁和信號，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)不會在效率問題上浪費(fèi)數(shù)百萬美元的經(jīng)理、產(chǎn)品經(jīng)理和領(lǐng)導(dǎo)者隆重推薦本書！

內(nèi)容組織

本書共分為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)大量時間，但系統(tǒng)性的方法可以幫助你節(jié)省大量時間和精力。

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章開始，將繼續(xù)討論圍繞軟件效率進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的含義；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。