35｜效率神器：如何设计和实现一个命令行客户端工具？

今天我们来聊聊，如何实现一个命令行客户端工具。

如果你用过Kubernetes、Istio、etcd，那你一定用过这些开源项目所提供的命令行工具：kubectl、istioctl、etcdctl。一个xxx项目，伴随着一个xxxctl命令行工具，这似乎已经成为一种趋势，在一些大型系统中更是常见。提供xxxctl命令行工具有这两个好处：

• 实现自动化：可以通过在脚本中调用xxxctl工具，实现自动化。
• 提高效率：通过将应用的功能封装成命令和参数，方便运维、开发人员在Linux服务器上调用。

其中，kubectl命令设计的功能最为复杂，也是非常优秀的命令行工具，IAM项目的iamctl客户端工具就是仿照kubectl来实现的。这一章，我就通过剖析iamctl命令行工具的实现，来介绍下如何实现一个优秀的客户端工具。

常见客户端介绍

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在介绍iamctl命令行工具的实现之前，我们先来看下常见的客户端。

客户端又叫用户端，与后端服务相对应，安装在客户机上，用户可以使用这些客户端访问后端服务。不同的客户端面向的人群不同，所能提供的访问能力也有差异。常见的客户端有下面这几种：

• 前端，包括浏览器、手机应用；
• SDK；
• 命令行工具；
• 其他终端。

接下来，我就来分别介绍下。

浏览器和手机应用提供一个交互界面供用户访问后端服务，使用体验最好，面向的人群是最终的用户。这两类客户端也称为前端。前端由前端开发人员进行开发，并通过API接口，调用后端的服务。后端开发人员不需要关注这两类客户端，只需要关注如何提供API接口即可。

SDK（Software Development Kit）也是一个客户端，供开发者调用。开发者调用API时，如果是通过HTTP协议，需要编写HTTP的调用代码、HTTP请求包的封装和返回包的解封，还要处理HTTP的状态码，使用起来不是很方便。SDK其实是封装了API接口的一系列函数集合，开发者通过调用SDK中的函数调用API接口，提供SDK主要是方便开发者调用，减少工作量。

命令行工具是可以在操作系统上执行的一个二进制程序，提供了一种比SDK和API接口更方便快捷的访问后端服务的途径，供运维或者开发人员在服务器上直接执行使用，或者在自动化脚本中调用。

还有其他各类客户端，这里我列举一些常见的。

• 终端设备：POS机、学习机、智能音箱等。
• 第三方应用程序：通过调用API接口或者SDK，调用我们提供的后端服务，从而实现自身的功能。
• 脚本：脚本中通过API接口或者命令行工具，调用我们提供的后端服务，实现自动化。

这些其他的各类客户端，都是通过调用API接口使用后端服务的，它们跟前端一样，也不需要后台开发人员开发。

需要后台开发人员投入工作量进行研发的客户端是SDK和命令行工具。这两类客户端工具有个调用和被调用的顺序，如下图所示：

你可以看到，命令行工具和SDK最终都是通过API接口调用后端服务的，通过这种方式可以保证服务的一致性，并减少为适配多个客户端所带来的额外开发工作量。

大型系统客户端（xxxctl）的特点

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通过学习kubectl、istioctl、etcdctl这些优秀的命令行工具，可以发现一个大型系统的命令行工具，通常具有下面这些特点：

• 支持命令和子命令，命令/子命名有自己独有的命令行参数。
• 支持一些特殊的命令。比如支持completion命令，completion命令可以输出bash/zsh自动补全脚本，实现命令行及参数的自动补全。还支持 version命令，version命令不仅可以输出客户端的版本，还可以输出服务端的版本（如果有需要）。
• 支持全局option，全局option可以作为所有命令及子命令的命令行参数。
• 支持-h/help，-h/help可以打印xxxctl的帮助信息，例如：

$ iamctl -h
iamctl controls the iam platform, is the client side tool for iam platform.

 Find more information at:
https://github.com/robinlg/iam/blob/master/docs/guide/en-US/cmd/iamctl/iamctl.md

Basic Commands:
  info        Print the host information
  color       Print colors supported by the current terminal
  new         Generate demo command code
  jwt         JWT command-line tool

Identity and Access Management Commands:
  user        Manage users on iam platform
  secret      Manage secrets on iam platform
  policy      Manage authorization policies on iam platform

Troubleshooting and Debugging Commands:
  validate    Validate the basic environment for iamctl to run

Settings Commands:
  set         Set specific features on objects
  completion  Output shell completion code for the specified shell (bash or zsh)

Other Commands:
  version     Print the client and server version information

Usage:
  iamctl [flags] [options]

Use "iamctl <command> --help" for more information about a given command.
Use "iamctl options" for a list of global command-line options (applies to all commands).

• 支持xxxctl help [command | command subcommand] [command | command subcommand] -h，打印命令/子命令的帮助信息，格式通常为命令描述 + 使用方法。例如：

$ istioctl help register
Registers a service instance (e.g. VM) joining the mesh
 
Usage:
  istioctl register <svcname> <ip> [name1:]port1 [name2:]port2 ... [flags]

除此之外，一个大型系统的命令行工具还可以支持一些更高阶的功能，例如：支持命令分组，支持配置文件，支持命令的使用example，等等。

在Go生态中，如果我们要找一个符合上面所有特点的命令行工具，那非kubectl莫属。因为我今天要重点讲的iamctl客户端工具，就是仿照它来实现的，所以这里就不展开介绍kubectl了，不过还是建议你认真研究下kubectl的实现。

iamctl的核心实现

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接下来，我就来介绍IAM系统自带的iamctl客户端工具，它是仿照kubectl来实现的，能够满足一个大型系统客户端工具的需求。我会从iamctl的功能、代码结构、命令行选项和配置文件解析4个方面来介绍。

iamctl的功能

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iamctl将命令进行了分类。这里，我也建议你对命令进行分类，因为通过分类，不仅可以协助你理解命令的用途，还能帮你快速定位某类命令。另外，当命令很多时，分类也可以使命令看起来更规整。

iamctl实现的命令如下：

更详细的功能，你可以参考iamctl -h。我建议你在实现xxxctl工具时，考虑实现下面这几个功能。

• API功能：平台具有的API功能，都能通过xxxctl方便地进行调用。
• 工具：一些使用IAM系统时有用的功能，比如签发JWT Token。
• version、completion、validate命令。

代码结构

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iamctl工具的main函数位于iamctl.go文件中。命令的实现存放在internal/iamctl/cmd/cmd.go文件中。iamctl的命令统一存放在internal/iamctl/cmd目录下，每个命令都是一个Go包，包名即为命令名，具体实现存放在internal/iamctl/cmd/<命令>/<命令>.go文件中。如果命令有子命令，则子命令的实现存放在internal/iamctl/cmd/<命令>/<命令>_<子命令>.go文件中。

使用这种代码组织方式，即使是在命令很多的情况下，也能让代码井然有序，方便定位和维护代码。

命令行选项

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添加命令行选项的代码在NewIAMCtlCommand函数中，核心代码为：

flags := cmds.PersistentFlags()
...                                                                             
iamConfigFlags := genericclioptions.NewConfigFlags(true).WithDeprecatedPasswordFlag().WithDeprecatedSecretFlag()
iamConfigFlags.AddFlags(flags)                                   
matchVersionIAMConfigFlags := cmdutil.NewMatchVersionFlags(iamConfigFlags)                
matchVersionIAMConfigFlags.AddFlags(cmds.PersistentFlags())

NewConfigFlags(true)返回带有默认值的参数，并通过iamConfigFlags.AddFlags(flags)添加到cobra的命令行flag中。

NewConfigFlags(true)返回结构体类型的值都是指针类型，这样做的好处是：程序可以判断出是否指定了某个参数，从而可以根据需要添加参数。例如：可以通过WithDeprecatedPasswordFlag()和WithDeprecatedSecretFlag()添加密码和密钥认证参数。

NewMatchVersionFlags指定是否需要服务端版本和客户端版本一致。如果不一致，在调用服务接口时会报错。

配置文件解析

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iamctl需要连接iam-apiserver，来完成用户、策略和密钥的增删改查，并且需要进行认证。要完成这些功能，需要有比较多的配置项。这些配置项如果每次都在命令行选项指定，会很麻烦，也容易出错。

最好的方式是保存到配置文件中，并加载配置文件。加载配置文件的代码位于NewIAMCtlCommand函数中，代码如下：

_ = viper.BindPFlags(cmds.PersistentFlags())
cobra.OnInitialize(func() {
    genericapiserver.LoadConfig(viper.GetString(genericclioptions.FlagIAMConfig), "config")
})  

iamctl会按以下优先级加载配置文件：

1. 命令行参--iamconfig指定的配置文件。
2. 当前目录下的config.yaml文件。
3. $HOME/.iam/config.yaml文件。

这种加载方式具有两个好处。首先是可以手动指定不同的配置文件，这在多环境、多配置下尤为重要。其次是方便使用，可以把配置存放在默认的加载路径中，在执行命令时，就不用再指定--iamconfig参数。

加载完配置文件之后，就可以通过viper.Get<Type>()函数来获取配置。例如，iamctl使用了以下viper.Get<Type>方法：

iamctl中子命令是如何构建的？

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讲完了iamctl命令行工具的核心实现，我们再来看看iamctl命令行工具中，子命令是如何构建的。

命令行工具的核心是命令，有很多种方法可以构建一个命令，但还是有一些比较好的构建方法，值得我们去参考。接下来，我来介绍下如何用比较好的方式去构建命令。

命令构建

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命令行工具的核心能力是提供各类命令，来完成不同功能，每个命令构建的方式可以完全不同，但最好能按相同的方式去构建，并抽象成一个模型。如下图所示：

你可以将一个命令行工具提供的命令进行分组。每个分组包含多个命令，每个命令又可以具有多个子命令，子命令和父命令在构建方式上完全一致。

每个命令可以按下面的四种方式构建。具体代码你可以参考internal/iamctl/cmd/user/user_update.go。

• 通过NewCmdXyz函数创建命令框架。NewCmdXyz函数通过创建一个cobra.Command类型的变量来创建命令；通过指定cobra.Command结构体类型的Short、Long、Example字段，来指定该命令的使用文档iamctl -h、详细使用文档iamctl xyz -h和使用示例。
• 通过cmd.Flags().XxxxVar来给该命令添加命令行选项。
• 为了在不指定命令行参数时，能够按照默认的方式执行命令，可以通过NewXyzOptions函数返回一个设置了默认选项的XyzOptions类型的变量。
• XyzOptions选项具有 Complete 、Validate 和 Run 三个方法，分别完成选项补全、选项验证和命令执行。命令的执行逻辑可以在func (o *XyzOptions) Run(args []string) error函数中编写。

按相同的方式去构建命令，抽象成一个通用模型，这种方式有下面四个好处。

• 减少理解成本：理解一个命令的构建方式，就可以理解其他命令的构建方式。
• 提高新命令的开发效率：可以复用其他命令的开发框架，新命令只需填写业务逻辑即可。
• 自动生成命令：可以按照规定的命令模型，自动生成新的命令。
• 易维护：因为所有的命令都来自于同一个命令模型，所以可以保持一致的代码风格，方便后期维护。

自动生成命令

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上面讲到，自动生成命令模型的好处之一是可以自动生成命令，下面让我们来具体看下。

iamctl自带了命令生成工具，下面我们看看生成方法，一共可以分成5步。这里假设生成xyz命令。

第一步，新建一个xyz目录，用来存放xyz命令源码：

$ mkdir internal/iamctl/cmd/xyz

第二步，在xyz目录下，使用iamctl new命令生成xyz命令源码：

$ cd internal/iamctl/cmd/xyz/
$ iamctl new xyz
Command file generated: xyz.go

第三步，将xyz命令添加到root命令中，假设xyz属于Settings Commands命令分组。

在NewIAMCtlCommand函数中，找到Settings Commands分组，将NewCmdXyz追加到Commands数组后面：

       {
            Message: "Settings Commands:",
            Commands: []*cobra.Command{
                set.NewCmdSet(f, ioStreams),
                completion.NewCmdCompletion(ioStreams.Out, ""),
                xyz.NewCmdXyz(f, ioStreams),
            },
        }, 

第四步，编译iamctl：

$ make build BINS=iamctl  

第五步，测试：

$ iamctl xyz -h
A longer description that spans multiple lines and likely contains examples and usage of using your command. For
example:
 
 Cobra is a CLI library for Go that empowers applications. This application is a tool to generate the needed files to
quickly create a Cobra application.
 
Examples:
  # Print all option values for xyz
  iamctl xyz robinlg robinlgpass
 
Options:
  -b, --bool=false: Bool option.
  -i, --int=0: Int option.
      --slice=[]: String slice option.
      --string='default': String option.
 
Usage:
  iamctl xyz USERNAME PASSWORD [options]
 
Use "iamctl options" for a list of global command-line options (applies to all commands).
$ iamctl xyz robinlg robinlgpass
The following is option values:
==> --string: default(complete)
==> --slice: []
==> --int: 0
==> --bool: false
 
The following is args values:
==> username: robinlg
==> password: robinlgpass

你可以看到，经过短短的几步，就添加了一个新的命令xyz。iamctl new命令不仅可以生成不带子命令的命令，还可以生成带有子命令的命令，生成方式如下：

$ iamctl new -g xyz
Command file generated: xyz.go
Command file generated: xyz_subcmd1.go
Command file generated: xyz_subcmd2.go

命令自动补全

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cobra会根据注册的命令自动生成补全脚本，可以补全父命令、子命令和选项参数。在bash下，可以按下面的方式配置自动补全功能。

第一步，生成自动补全脚本：

$ iamctl completion bash > ~/.iam/completion.bash.inc

第二步，登陆时加载bash，自动补全脚本：

$ echo "source '$HOME/.iam/completion.bash.inc'" >> $HOME/.bash_profile
$ source $HOME/.bash_profile

第三步，测试自动补全功能：

$ iamctl xy<TAB> # 按TAB键，自动补全为：iamctl xyz
$ iamctl xyz --b<TAB> # 按TAB键，自动补全为：iamctl xyz --bool

更友好的输出

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在开发命令时，可以通过一些技巧来提高使用体验。我经常会在输出中打印一些彩色输出，或者将一些输出以表格的形式输出，如下图所示：

这里，使用github.com/olekukonko/tablewriter包来实现表格功能，使用github.com/fatih/color包来打印带色彩的字符串。具体使用方法，你可以参考internal/iamctl/cmd/validate/validate.go文件。

github.com/fatih/color包可以给字符串标示颜色，字符串和颜色的对应关系可通过iamctl color来查看，如下图所示：

iamctl是如何进行API调用的？

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上面我介绍了iamctl命令的构建方式，那么这里我们再来看下iamctl是如何请求服务端API接口的。

Go后端服务的功能通常通过API接口来对外暴露，一个后端服务可能供很多个终端使用，比如浏览器、命令行工具、手机等。为了保持功能的一致性，这些终端都会调用同一套API来完成相同的功能，如下图所示：

如果命令行工具需要用到后端服务的功能，也需要通过API调用的方式。理想情况下，Go后端服务对外暴露的所有API功能，都可以通过命令行工具来完成。一个API接口对应一个命令，API接口的参数映射到命令的参数。

要调用服务端的API接口，最便捷的方法是通过SDK来调用，对于一些没有实现SDK的接口，也可以直接调用。所以，在命令行工具中，需要支持以下两种调用方式：

• 通过SDK调用服务端 API 接口。
• 直接调用服务端的API接口（本专栏是REST API接口）。

iamctl通过cmdutil.NewFactory创建一个Factory类型的变量f，Factory定义为：

type Factory interface {
    genericclioptions.RESTClientGetter
    IAMClientSet() (*robinlg.Clientset, error)
    RESTClient() (*restclient.RESTClient, error)
}

将变量f传入到命令中，在命令中使用Factory接口提供的RESTClient()和IAMClientSet()方法，分别返回RESTful API客户端和SDK客户端，从而使用客户端提供的接口函数。代码可参考internal/iamctl/cmd/version/version.go。

客户端配置文件

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如果要创建RESTful API客户端和SDK的客户端，需要调用f.ToRESTConfig()函数返回*github.com/robinlg/robinlg-sdk-go/rest.Config类型的配置变量，然后再基于rest.Config类型的配置变量创建客户端。

f.ToRESTConfig函数最终是调用toRawIAMConfigLoader函数来生成配置的，代码如下：

func (f *ConfigFlags) toRawIAMConfigLoader() clientcmd.ClientConfig {
    config := clientcmd.NewConfig()
    if err := viper.Unmarshal(&config); err != nil {
        panic(err)
    }

    return clientcmd.NewClientConfigFromConfig(config)
}

toRawIAMConfigLoader返回clientcmd.ClientConfig类型的变量，clientcmd.ClientConfig类型提供了ClientConfig方法，用来返回*rest.Config类型的变量。

在toRawIAMConfigLoader函数内部，通过viper.Unmarshal将viper中存储的配置解析到clientcmd.Config类型的结构体变量中。viper中存储的配置，是在cobra命令启动时通过LoadConfig函数加载的，代码如下（位于NewIAMCtlCommand函数中）：

cobra.OnInitialize(func() {                     
    genericapiserver.LoadConfig(viper.GetString(genericclioptions.FlagIAMConfig), "config")
}) 

你可以通过--config选项，指定配置文件的路径。

SDK调用

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通过IAMClient返回SDK客户端，代码如下：

func (f *factoryImpl) IAMClient() (*iam.IamClient, error) {
	clientConfig, err := f.ToRESTConfig()
	if err != nil {
		return nil, err
	}
	return iam.NewForConfig(clientConfig)
}

robinlg.Clientset提供了iam-apiserver的所有接口。

REST API调用

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通过RESTClient()返回RESTful API客户端，代码如下：

func (f *factoryImpl) RESTClient() (*restclient.RESTClient, error) {
	clientConfig, err := f.ToRESTConfig()
	if err != nil {
		return nil, err
	}
	setIAMDefaults(clientConfig)
	return restclient.RESTClientFor(clientConfig)
}

可以通过下面的方式访问RESTful API接口：

serverVersion *version.Info

client, _ := f.RESTClient()
if err := client.Get().AbsPath("/version").Do(context.TODO()).Into(&serverVersion); err != nil {
    return err
}

上面的代码请求了iam-apiserver的/version接口，并将返回结果保存在serverVersion变量中。

总结

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这一章，我主要剖析了iamctl命令行工具的实现，进而向你介绍了如何实现一个优秀的客户端工具。

对于一个大型系统xxx来说，通常需要有一个xxxctl命令行工具，xxxctl命令行工具可以方便开发、运维使用系统功能，并能实现功能自动化。

IAM项目参考kubectl，实现了命令行工具 iamctl。iamctl集成了很多功能，我们可以通过iamctl子命令来使用这些功能。例如，我们可以通过iamctl对用户、密钥和策略进行CURD操作；可以设置iamctl自动补全脚本；可以查看IAM系统的版本信息。甚至，你还可以使用iamctl new命令，快速创建一个iamctl子命令模板。

iamctl使用了cobra、pflag、viper包来构建，每个子命令又包含了一些基本的功能，例如短描述、长描述、使用示例、命令行选项、选项校验等。iamctl命令可以加载不同的配置文件，来连接不同的客户端。iamctl通过SDK调用、REST API调用两种方式来调用服务端API接口。