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# 35 | 效率神器：如何设计和实现一个命令行客户端工具？
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你好，我是孔令飞。今天我们来聊聊，如何实现一个命令行客户端工具。
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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：
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* 实现自动化：可以通过在脚本中调用 `xxxctl` 工具，实现自动化。
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* 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。
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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。这一讲，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。
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## 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。
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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：
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* 前端，包括浏览器、手机应用；
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* SDK；
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* 命令行工具；
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* 其他终端。
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接下来，我就来分别介绍下。
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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。
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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。
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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。
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还有其他各类客户端，这里我列举一些常见的。
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* 终端设备：POS机、学习机、智能音箱等。
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* 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。
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* 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。
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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。
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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：
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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。
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## 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：
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* 支持命令和子命令，命令/子命名有自己独有的命令行参数。
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* 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）。
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* 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。
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* 支持-h/help，-h/help可以打印xxxctl的帮助信息，例如：
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```bash
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$ iamctl -h
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iamctl controls the iam platform, is the client side tool for iam platform.
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Find more information at:
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https://github.com/marmotedu/iam/blob/master/docs/guide/en-US/cmd/iamctl/iamctl.md
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Basic Commands:
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info Print the host information
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color Print colors supported by the current terminal
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new Generate demo command code
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jwt JWT command-line tool
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Identity and Access Management Commands:
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user Manage users on iam platform
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secret Manage secrets on iam platform
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policy Manage authorization policies on iam platform
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Troubleshooting and Debugging Commands:
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validate Validate the basic environment for iamctl to run
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Settings Commands:
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set Set specific features on objects
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completion Output shell completion code for the specified shell (bash or zsh)
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Other Commands:
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version Print the client and server version information
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Usage:
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iamctl [flags] [options]
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Use "iamctl <command> --help" for more information about a given command.
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Use "iamctl options" for a list of global command-line options (applies to all commands).
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```
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* 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：
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```bash
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$ istioctl help register
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Registers a service instance (e.g. VM) joining the mesh
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Usage:
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istioctl register <svcname> <ip> [name1:]port1 [name2:]port2 ... [flags]
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```
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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。
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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](https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/cmd/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。
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## 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。
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### 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。
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iamctl实现的命令如下：
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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。
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* API功能：平台具有的API功能，都能通过xxxctl方便地进行调用。
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* 工具：一些使用IAM系统时有用的功能，比如签发JWT Token。
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* version、completion、validate命令。
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### 代码结构
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iamctl工具的main函数位于[iamctl.go](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/cmd/iamctl/iamctl.go)文件中。命令的实现存放在[internal/iamctl/cmd/cmd.go](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/cmd.go)文件中。iamctl的命令统一存放在[internal/iamctl/cmd](https://github.com/marmotedu/iam/tree/v1.0.6/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。
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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。
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### 命令行选项
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添加命令行选项的代码在[NewIAMCtlCommand](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/cmd.go#L41-L130)函数中，核心代码为：
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```go
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flags := cmds.PersistentFlags()
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...
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iamConfigFlags := genericclioptions.NewConfigFlags(true).WithDeprecatedPasswordFlag().WithDeprecatedSecretFlag()
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iamConfigFlags.AddFlags(flags)
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matchVersionIAMConfigFlags := cmdutil.NewMatchVersionFlags(iamConfigFlags)
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matchVersionIAMConfigFlags.AddFlags(cmds.PersistentFlags())
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```
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`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。
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`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。
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`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。
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### 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。
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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：
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```
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_ = viper.BindPFlags(cmds.PersistentFlags())
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cobra.OnInitialize(func() {
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genericapiserver.LoadConfig(viper.GetString(genericclioptions.FlagIAMConfig), "iamctl")
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})
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```
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iamctl会按以下优先级加载配置文件：
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1. 命令行参 `--iamconfig` 指定的配置文件。
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2. 当前目录下的iamctl.yaml文件。
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3. `$HOME/.iam/iamctl.yaml` 文件。
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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。
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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：
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## 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。
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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。
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### 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：
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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。
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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](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/user/user_update.go)。
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* 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。
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* 通过 `cmd.Flags().XxxxVar` 来给该命令添加命令行选项。
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* 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。
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* `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。
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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。
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* 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。
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* 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。
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* 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。
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* 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。
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### 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。
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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。
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第一步，新建一个 `xyz` 目录，用来存放 `xyz` 命令源码：
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```bash
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$ mkdir internal/iamctl/cmd/xyz
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```
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第二步，在xyz目录下，使用 `iamctl new` 命令生成 `xyz` 命令源码：
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```bash
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$ cd internal/iamctl/cmd/xyz/
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$ iamctl new xyz
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Command file generated: xyz.go
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```
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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。
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在 `NewIAMCtlCommand` 函数中，找到 `Settings Commands` 分组，将 `NewCmdXyz` 追加到Commands数组后面：
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```go
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{
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Message: "Settings Commands:",
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Commands: []*cobra.Command{
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set.NewCmdSet(f, ioStreams),
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completion.NewCmdCompletion(ioStreams.Out, ""),
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xyz.NewCmdXyz(f, ioStreams),
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},
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},
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```
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第四步，编译iamctl：
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```bash
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$ make build BINS=iamctl
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```
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第五步，测试：
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```bash
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$ iamctl xyz -h
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A longer description that spans multiple lines and likely contains examples and usage of using your command. For
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example:
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Cobra is a CLI library for Go that empowers applications. This application is a tool to generate the needed files to
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quickly create a Cobra application.
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Examples:
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# Print all option values for xyz
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iamctl xyz marmotedu marmotedupass
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Options:
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-b, --bool=false: Bool option.
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-i, --int=0: Int option.
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--slice=[]: String slice option.
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--string='default': String option.
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Usage:
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iamctl xyz USERNAME PASSWORD [options]
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Use "iamctl options" for a list of global command-line options (applies to all commands).
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$ iamctl xyz marmotedu marmotedupass
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The following is option values:
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==> --string: default(complete)
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==> --slice: []
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==> --int: 0
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==> --bool: false
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The following is args values:
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==> username: marmotedu
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==> password: marmotedupass
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```
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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：
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```bash
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$ iamctl new -g xyz
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Command file generated: xyz.go
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Command file generated: xyz_subcmd1.go
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Command file generated: xyz_subcmd2.go
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```
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### 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。
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第一步，生成自动补全脚本：
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```bash
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$ iamctl completion bash > ~/.iam/completion.bash.inc
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```
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第二步，登陆时加载bash，自动补全脚本：
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```bash
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$ echo "source '$HOME/.iam/completion.bash.inc'" >> $HOME/.bash_profile
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$ source $HOME/.bash_profile
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```
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第三步，测试自动补全功能：
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```bash
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$ iamctl xy<TAB> # 按TAB键，自动补全为：iamctl xyz
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$ iamctl xyz --b<TAB> # 按TAB键，自动补全为：iamctl xyz --bool
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```
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### 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：
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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](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/validate/validate.go)文件。
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`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：
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## 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。
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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：
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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。
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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：
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* 通过SDK调用服务端 API 接口。
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* 直接调用服务端的API接口（本专栏是REST API接口）。
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iamctl通过[cmdutil.NewFactory](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/cmd.go#L82)创建一个 `Factory` 类型的变量 `f` ， `Factory` 定义为：
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```go
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type Factory interface {
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genericclioptions.RESTClientGetter
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IAMClientSet() (*marmotedu.Clientset, error)
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RESTClient() (*restclient.RESTClient, error)
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}
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```
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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](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/version/version.go)。
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### 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/marmotedu/marmotedu-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。
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`f.ToRESTConfig` 函数最终是调用[toRawIAMConfigLoader](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/pkg/cli/genericclioptions/config_flags.go#L92-L98)函数来生成配置的，代码如下：
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```go
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func (f *ConfigFlags) toRawIAMConfigLoader() clientcmd.ClientConfig {
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config := clientcmd.NewConfig()
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if err := viper.Unmarshal(&config); err != nil {
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panic(err)
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}
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return clientcmd.NewClientConfigFromConfig(config)
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}
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```
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`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。
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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）：
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```go
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cobra.OnInitialize(func() {
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genericapiserver.LoadConfig(viper.GetString(genericclioptions.FlagIAMConfig), "config")
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})
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```
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你可以通过 `--config` 选项，指定配置文件的路径。
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### SDK调用
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通过[IAMClient](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/util/factory_client_access.go#L41-L47)返回SDK客户端，代码如下：
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```go
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func (f *factoryImpl) IAMClient() (*iam.IamClient, error) {
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clientConfig, err := f.ToRESTConfig()
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if err != nil {
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return nil, err
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}
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return iam.NewForConfig(clientConfig)
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}
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```
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`marmotedu.Clientset` 提供了iam-apiserver的所有接口。
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### REST API调用
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通过[RESTClient()](https://github.com/marmotedu/iam/blob/v1.0.6/internal/iamctl/cmd/util/factory_client_access.go#L49-L56)返回RESTful API客户端，代码如下：
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```go
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||
func (f *factoryImpl) RESTClient() (*restclient.RESTClient, error) {
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||
clientConfig, err := f.ToRESTConfig()
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||
if err != nil {
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return nil, err
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}
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setIAMDefaults(clientConfig)
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return restclient.RESTClientFor(clientConfig)
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}
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```
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可以通过下面的方式访问RESTful API接口：
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```go
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serverVersion *version.Info
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client, _ := f.RESTClient()
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if err := client.Get().AbsPath("/version").Do(context.TODO()).Into(&serverVersion); err != nil {
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return err
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}
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```
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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。
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## 总结
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这一讲，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。
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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。
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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。
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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。
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## 课后练习
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1. 尝试在 `iamctl` 中添加一个 `cliprint` 子命令，该子命令会读取并打印命令行选项。
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2. 思考下，还有哪些好的命令行工具构建方式，欢迎在留言区分享。
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欢迎你在留言区与我交流讨论，我们下一讲见。
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