Go 语言实战：命令行程序（1）
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2021-02-23 11:16
看到别人的好作品，像画作、模型还是代码，我们第一反应可能是感叹结构复杂、技巧精湛，然后紧接着冒出一个想法：太难了，我做不到。
这往往是因为我们对相应的领域了解不够，只看到复杂的结果，对如何通向目的地毫无概念。如果了解如何分解任务，到最简单的步骤为止，还有从最简单能看到反馈的雏形开始，逐步改善，普通人也能做出复杂的作品，最多时间比有天赋的人多花一些。
这一期开始，我们会花几期的时间，逐步地尝试改善一个命令行程序。
本文目录
准备
命令行界面
函数签名和函数类型
开发
需求背景
小目标
命令行参数
改善
排序
思考题
准备
我们从一个命令行程序开始。
命令行界面
命令行界面（CLI，Command Line Interface），又叫字符用户界面 （CUI，Character User Interface），区别于图形用户界面（GUI，Graphic User Interface）。GUI 就像在国外不用学当地语言，有一份我们能看懂的、甚至有图片的菜单供选择，指一下就有结果，无需语言交流。而在 CLI 里，人和机器通过标准输入输出（可以简单理解为打字）进行交互：你必须通过命令准确地告诉系统你想干嘛，然后系统执行并把结果打在屏幕上。你必须得先知道系统接受什么命令。如果输入命令以外的东西，系统只能告诉你『我听不懂』。
GUI 当然要比傻傻等着你打字的黑窗友好，也是日常使用的主流。但在方便之余，你无法提出菜单以外的细致要求，执行菜单上没有显示的操作。同一个动作（如点一下菜单第二项），结果高度依赖当前的菜单显示，你必须等菜单显示完成才能接着『交互』，而不能一口气直接下达想要的一系列动作指令。这就好像你明明想好了要干什么，却不能说话，非要等下属慢慢翻到那页菜单。相比之下，CLI 可以一口气接受一系列精确的指令。所以即使在图形界面的系统中，命令行也没有被遗弃，甚至还在不断地加强。
从开发的角度说，图形界面开发的门槛反而比较高，命令行程序因为没有图形界面，减少了很多工作量，可以把精力集中在核心的功能上，适合练手。
函数签名和函数类型
别误会，我没有打算详细介绍函数。
在实际的开发中，自然会接触函数的用法。在写出优雅强大的函数之前，我们可以先调用标准库或第三方包里别人写好的函数，并从中学习。
要正确使用函数，我们需要查看文档，看懂函数签名和注释，有些还会有例子，就像看说明书。如果想学习实现，则要进一步看源码。
以经常用的 fmt.Println 为例。
可以在 https://pkg.go.dev 上搜索 fmt 包，找到 Println 这个函数，内容是这样的：
func Println(a ...interface{}) (n int, err error)
Println formats using the default formats for its operands and writes to standard output. Spaces are always added between operands and a newline is appended. It returns the number of bytes written and any write error encountered.
Example Code:
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
const name, age = "Kim", 22
fmt.Println(name, "is", age, "years old.")
// It is conventional not to worry about any
// error returned by Println.
}
Kim is 22 years old.
注：pkg.go.dev 从 19 年起取代了 godoc.org 成为了 Go 语言的文档网站，上面不仅可以搜索到标准库，所有被缓存了的第三方 module 也都能搜到。（go module 默认会先向 proxy 请求第三方包，proxy 发现尚未缓存就会先获取缓存再返回。换言之，几乎所有公开的有人请求的 module 都可以搜到。）
函数签名、注释、例子还有例子的输出，是标准的文档构成。
注：文档里的实际上是函数原型（prototype），但要确认的主要是签名信息。
Println 不是讨论重点，注释和例子就不展开了。主要介绍一下函数签名。
函数签名（function signature）定义了函数的输入（参数列表）和输出（返回值列表）。它本质上是函数开发者和调用者之间的契约，包含函数的关键信息：参数的类型、个数和顺序，返回值的类型、个数和顺序。调用者通过它了解调用时要提供什么，以及在调用完成后会得到什么。（当然，按签名调用还是有可能出现逻辑上的错误，开发者需要在注释中进一步说明注意事项。）函数名、参数名、返回值名可以出现在签名里也可以省略，命名信息对签名来说并不重要 。
最简单的函数签名是这样的：(参数列表) (返回值列表)。签名信息前面加上 func 关键字就成了函数类型（type）字面量，再加上函数名就成了函数原型（prototype），再加上函数体 {/*代码实现*/} 就变成完整的函数。实际使用中，虽然函数签名是关键，但命名能帮助我们区分函数、参数和返回值，还能从命名中推测用途，所以很多函数签名其实是带着命名的类型字面量或函数原型的形式。
// 单纯的签名信息
(int, int) (int, error)
// 函数类型字面量，但不细究的话，也可以叫函数签名
func (int, int) (int, error)
// 函数原型，有时这个也叫函数签名
func Count(int, int) (int, error)
// 完整的函数
func Count(start int, end int) (int, error) {
// 有引用到的参数需要命名。一般函数没有多余的参数，所以参数都是命名的。
count := 0
for i := start; i < end; i++ {
// ...
count++
}
return count, nil
}
Go 里面函数也是一种类型，签名相同的函数就被认为是同一个类型。下面的代码是合法的：
var f func(a int, b int) (c int) = func(x int, y int) (z int) { return x + y }
var f2 func(int, int) int = f
实际上，真正的签名信息是 (int, int) int ，func 关键字和各种命名 a, b, c, x, y, z 都可以省略，有没有命名、命名是否相同，不影响它们是同一个类型。（函数的参数名 x 和 y 在函数体没有引用时也可以省略，例如 func(int, int) int {return 0} 。）
无论是哪一种形式，关注的要点都是参数列表和返回值列表。知道以下几点规则，你就可以读懂函数签名：
跟其它 C 家族语言返回值类型在前、没有关键字不同（C 语言：
int myFunc(int a)），Go 以关键字开头，函数名和参数列表在返回值列表前面。（顺序：关键字 - 函数名 - 参数列表 - 返回值列表。）
因为允许多返回值，参数和返回值都是列表。其中参数列表外面的括号不能省略，即使参数列表为空；而返回值列表如果为空或者只有一个匿名返回值，可以省略括号。
（区分参数还是返回值：第一个括号里的是参数，右边剩下的是返回值。Go 没有类似
void的关键字，没有返回值时，返回值部分直接为空。）连续多个相同类型的命名参数或返回值，可以一起声明，
(a, b, c int, s string)等价于(a int, b int, c int, s string)。（要看懂这种写法，但不推荐这样写。这样写在增减参数和调整参数顺序时，容易出错，会把类型张冠李戴。）
可变参数
Go 支持可变参数（variadic arguments）。具体声明形式是，在类型前面加上三个句点 ... ，表示可以接受 0 到多个该类型的参数。例如 Println 的 (a ...interface{}) 表示可以接受任意个空接口类型的值作为参数。
注：空接口方法列表为空，意味着任意类型都满足空接口，任意类型都可以作为实参传递给函数。相当于 Java 里用 Object 作为参数类型。
调用时：
// 可以没有参数，只输出一个换行符
fmt.Println()
// 可以 3 个 int 型字面量
fmt.Println(1, 2, 3)
// 不同类型混合着来
// 允许不同类型是因为用了空接口类型，数量可以为任意个才是可变参数的关键
fmt.Println("院子里有", 1, "棵枣树，另", 1, "棵也是枣树？", true)
函数最多只能声明一个 可变参数 ，而且只能是最后一个参数（可变参数放中间，后面的参数就很难对得上号了）。
可变参数实际上是一个语法糖，传给可变参数的一系列值被打包成了一个对应类型的切片，供函数内部引用。Println 的参数在函数内部相当于 (a []interface{}) 。不过今天不讨论函数的实现，只讨论调用。
既然可变参数实际上变成了一个切片，如果调用方刚好有一个同类型切片 s，可以直接拿来当实参吗？
不能。可变参数调用时要求传入的是一个一个对应类型的值，传相应的切片类型不符。难道只能 (s[0], s[1], s[2]) 这样一个个地传参吗？如果切片有一百个元素呢......
这时有另外一个语法糖，在实参后面同样加上 ... ，就会产生类似 Python 解包（unpack）的效果。当然，只是像，实际上是告诉函数这是一个切片，可以直接复制给可变参数，并没有解包再打包的操作。
... 的位置很容易搞混：可变参数（形参）声明放在前面，给实参『解包』放在后面。
开发
铺垫了一些背景知识，下面开始动手。
需求背景
准备这期内容时，我在读者中间征集过日常找不到软件工具的小需求，作为实战项目的选题。最后也没找到合适选题，这期先用我曾经遇到的需求做例子。后续大家想到什么需求，还是可以留言，也许就用在下一个项目上。
这个需求很简单：排序。源自我第一份工作时，开发之余偶尔帮项目做版本管理。VCS 用的 P4，所有手机型号的项目，在同一个代码库的同一棵源码树上，通过分支和特性开关区分型号。优点是，跨型号共性问题，只要在源头上修改一次，随着代码定期集成到各分支，都会修复，避免重复劳动和遗漏型号。缺点是，针对某些型号的修改，如果隔离没做好，会影响无关的型号。
送测和正式发布的编译，为避免引入不确定的提交，采用基线（base）+ 追加提交的方式。会选择一个经过验证的提交作为 base，到 base 为止的所有修改都参与编译；base 之后的提交，往往都不太确定，遇到必须包含的提交，就要添加到追加提交里，编译时会将这些提交当作补丁按顺序应用到代码上（相当于临时 cherrypick）。但这个顺序，不是提交顺序，而是填写顺序。假如提交 A 修复问题 1 同时引起问题 2，之后提交 B 对同一个地方做修改修复问题 2。那么填写时必须按照 A 到 B 的顺序，否则 B 的修改会被 A 覆盖，问题 2 将仍然存在。
每次编译之前，在内网公布 base，模块负责人根据 base 回复需要追加的提交，然后管理员就得到了一堆提交号。P4 的提交号是自增序列号，所以只要将它们升序排列，就能保证先后顺序。
交流大概是这样的：
管理员：本次编译，base 为 123456
驱动组：133297 修复兼容性问题
电源管理组：167834 修正功耗计算
图形组：123467 调整刷新缓存
系统组：145683 修改进程管理策略
......
管理员经过整理，得到了 123467,133297,145683,167834 作为编译的参数。提交少的时候，人工处理一下就完了。但如果因为某些原因无法提高 base，后续的补丁却源源不断，提交可能会积累到过百，这时人工确认就又累又容易出错了。于是我当时就写了一个命令行工具来处理这么一个简单的需求。
为什么不直接用 Excel 呢？首先是 Office 启动慢，特别在已经打开一系列开发工具的前提下；其次需要将提交录入，排序之后还得想办法导出，又增加了工作量。Linux 底下倒是有一个 sort 命令，但是当时我在用 Windows。对于这种简单的需求，自己开发不仅工作量不大，遇到需求有变化时还很容易按需调整。
当时还没接触 Go，用的 C 开发。现在当然要用 Go 来练习。
注：考虑到篇幅有限，下面只展示代码的关键部分，需要补足剩余的代码成分才能编译运行。
关于如何初始化一个项目，以及项目的基本结构，请参考第一期的内容。如果还有问题，欢迎在留言区或者加入交流群提问。
小目标
一开始不要设太高的期待，先让程序可以跑起来，这样才能基于运行的反馈，一步步改善程序。为此先把需求简化到最简：从标准输入获取提交号，排好序之后，输出到标准输出，用英文逗号隔开（格式要方便后续使用，P4 要求的格式就是用逗号隔开的提交号，你也可以根据自己的需要调整）。
假定把这个程序叫 gosort ，那么用起来大概是这样的：
> gosort 133297 167834 123467 145683
123467,133297,145683,167834
这个程度很简单，调用标准库就可以做到。
命令行参数
gosort 133297 167834 123467 145683 这一串，对命令行环境来说，是（带参数的）命令，会根据开头的命令，传递给名为 gosort 的程序；而对 gosort 程序来说，这一串则是命令行参数。注意，命令（程序名）也是参数的一部分。有些程序实现了多种功能，对外链接到不同文件名，会根据传进来的程序名称不同，执行不同的动作。最典型的例子是 busybox ，它以单一可执行文件，提供了一个包含超过两百个命令的 unix 工具集合，被称为嵌入式 Linux 的瑞士军刀。
不像其它 C 家族语言，Go 的命令行参数不是作为 main 函数的参数传递的，而是通过 os 包的 Args 变量获取。os 包初始化时会获取参数并储存在 Args 中，它是一个字符串切片 []string。前面介绍过查询文档的方法，想了解更多可以自行到 pkg.go.dev 查询；标准库源码则在 Go 的安装目录的 src 目录下，按包名储存，另外大多数 IDE 都支持源码的跟踪跳转（一般的操作，是对着 os.Args 按 Ctrl + 鼠标左键）。
先读取命令行参数然后直接输出看看效果：
// 包声明、import 语句已省略，请自行补充
func main() {
fmt.Println(os.Args)
}
# 先编译
> go build
# 后执行。程序名请替换成你自己的 module 名。Linux 下本地执行需要加 ./
> gosort 133297 167834 123467 145683
# 以下是输出，我们先不要纠结方括号
[gosort 133297 167834 123467 145683]
# 当然我们也可以直接 go run
> go run main.go 133297 167834 123467 145683
# go run 本质上是在临时目录编译后执行，所以输出的程序名里带有临时目录信息
[C:\Users\Jayce\AppData\Local\Temp\go-build065892054\b001\exe\main.exe 133297 167834 123467 145683]
改善
这里我们需要改善几个问题：
在这个程序里，程序名用不上，留在切片里还会参与后续的排序。 os.Args是第三方包的包级变量，尽量不要直接在上面排序。虽然命令行参数在这个程序里暂时没有别的用处，但直接修改公共变量仍是一个坏习惯。方括号其实是输出切片内容时的格式，最终结果不需要方括号，要想办法去掉。 不仅要去掉切片的方括号，还要加上英文逗号。
main 函数里的代码改进如下（这里就不再执行，请自己执行，查看改动后的输出）：
func main() {
// n 是除了程序名以外的参数数量
// len() 是内置函数，获取集合（这里是切片）的大小
n := len(os.Args) - 1
// 创建一个大小为 n 的切片
nums := make([]string, n)
// copy() 也是内置函数，把除程序名以外的参数拷贝到新切片
// [1:] 是从下标 1 开始重新切片，跳过下标 0（即程序名）
// 重新切片返回的新切片，跟原切片指向同一个底层数组，修改会互相影响，重新切片后还是要拷贝
copy(nums, os.Args[1:])
// 把参数逐个输出，其中前面的参数后面跟逗号，最后一个参数后面跟换行
for i := 0; i < n-1; i++ {
fmt.Print(nums[i], ",")
}
fmt.Println(nums[n-1])
}
排序
多快好省地实现排序算法，本身也是学问。但这次我们不研究这个，直接使用 sort 包。
自定义类型想要排序，需要实现 sort.Interface 接口的一系列方法；基本类型则预先实现了对应的函数。对于 string 类型的升序排序，sort 包给我们提供了 sort.Strings() 。
另外，前面最后的输出代码，实现起来还是比较麻烦，而且存在一个 bug。借助字符串工具包里的 strings.Join() 函数，可以先拼接成目标字符串，再一口气输出，既简单又绕开了 bug：
// 这次不再详细注释，有疑问请习惯查文档，或者参与讨论
func main() {
n := len(os.Args) - 1
nums := make([]string, n)
copy(nums, os.Args[1:])
sort.Strings(nums)
fmt.Println(strings.Join(nums, ","))
}
这时编译之后再执行程序，效果如下：
> gosort 133297 167834 123467 145683
123467,133297,145683,167834
通过调用标准库，5 行代码实现了我们阶段性的小目标。
下一期我们还是讨论这个程序，面对需求的变化，如何改善程序去支持更复杂的功能。
思考题
第一次改善后的程序里，输出的代码有什么 bug？ sort.Strings(nums)为什么没有返回值？字符串切片nums只是作为实参传给了排序函数，按理说切片本身发生了拷贝，为什么排序最后对nums生效了？
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