golang sync.pool对象复用并发原理缓存池

在go http每一次go serve(l)都会构建Request数据结构。在大量数据请求或高并发的场景中，频繁创建销毁对象，会导致GC压力。解决办法之一就是使用对象复用技术。在http协议层之下，使用对象复用技术创建Request数据结构。在http协议层之上，可以使用对象复用技术创建(w,*r,ctx)数据结构。这样即可以回快TCP层读包之后的解析速度，也可也加快请求处理的速度。

先上一个测试：

//测试平台 i5 3.8GHz 4核
    bPool := sync.Pool{
        New: func() interface{} {
            b := make([]byte,1024)
            return &b
        },
    }

    t1 := time.Now().Unix()
    count := 1000000000
    for i:=0;i<count;i++{
        buf := make([]byte,1024)
        _ = buf
    }
    t2 := time.Now().Unix()
    for i:=0;i<count;i++{
        buf := bPool.Get().(*[]byte)
        _ = buf
        //clear buf
        bPool.Put(buf)
    }
    t3 := time.Now().Unix()
    fmt.Println("new:%d s",t2-t1)
    fmt.Println("pool:%d s",t3-t1)

结论是这样的：

new:%d s 21
pool:%d s 396

貌似使用池化，性能弱爆了？？？这似乎与net/http使用sync.pool池化Request来优化性能的选择相违背。这同时也说明了一个问题，好的东西，如果滥用反而造成了性能成倍的下降。在看过pool原理之后，结合实例，将给出正确的使用方法，并给出预期的效果。

基本用法

sync.Pool是一个协程安全的临时对象池。数据结构如下：

type Pool struct {
    noCopy noCopy // type noCopy struct{}

    local     unsafe.Pointer 
    localSize uintptr        

    New func() interface{}
}
type poolLocal struct {  
    private interface{}   // Can be used only by the respective P.  
    shared  []interface{} // Can be used by any P.  
    Mutex                 // Protects shared.  
    pad     [128]byte     // Prevents false sharing.  
}

local 成员的真实类型是一个 poolLocal 数组，localSize 是数组长度。这涉及到Pool实现，pool为每个P分配了一个对象，P数量设置为runtime.GOMAXPROCS(0)。在并发读写时，goroutine绑定的P有对象，先用自己的，没有去偷其它P的。go语言将数据分散在了各个真正运行的P中，降低了锁竞争，提高了并发能力。

不要习惯性地误认为New是一个关键字，这里的New是Pool的一个字段，也是一个闭包名称。其API：

var pool = &sync.Pool{New:func()interface{}{return NewObject()}}
//池对象最好初始化为全局唯一
pool.Put(x interface{})
pool.Get() interface{}

如果不指定New字段，对象池为空时会返回nil，而不是一个新构建的对象。Get()到的对象是随机的。

    pool := sync.Pool{New: func() interface{} {
        return "empty string"
    }}
    s := "Hello World"
    pool.Put(s)
    fmt.Println(pool.Get())
    fmt.Println(pool.Get())

一个缓存池的例子

type BufPool struct {
    pool sync.Pool
    spliter string
}

func NewBufPool() *BufPool {
    return &BufPool{
        pool:sync.Pool{
            New: func() interface{} {
                return &bytes.Buffer{}
            },
        },
        spliter:" ",
    }
}

func (this *BufPool)JoinString(strs ...string) (res string,err error) {
    if len(strs) == 0 {
        return
    }

    buf := this.pool.Get().(*bytes.Buffer)
    if _,err := buf.WriteString(strs[0]);err!=nil{
        return "",err
    }
    for _,str := range strs[1:] {
        if _,err := buf.WriteString(this.spliter);err!= nil {
            return "",err
        }
        if _,err := buf.WriteString(str);err!= nil {
            return "",err
        }
    }

    res = buf.String()
    buf.Reset()
    this.pool.Put(buf)
    return 
}

原生sync.Pool的问题是，Pool中的对象会被GC清理掉，这使得sync.Pool只适合做简单地对象池，不适合作连接池。

为何不适合作连接池

对象的数量和期限

pool创建时不能指定大小，没有数量限制。pool中对象会被GC清掉，只存在于两次GC之间。实现是pool的init方法注册了一个poolCleanup()函数，这个方法在GC之前执行，清空pool中的所有缓存对象。

池对象Get/Put开销

为使多协程使用同一个POOL。最基本的想法就是每个协程，加锁去操作共享的POOL，这显然是低效的。而进一步改进，类似于ConcurrentHashMap（JDK7）的分Segment，提高其并发性可以一定程度性缓解。

注意到pool中的对象是无差异性的，加锁或者分段加锁都不是较好的做法。go的做法是为每一个绑定协程的P都分配一个子池。每个子池又分为私有池和共享列表。共享列表是分别存放在各个P之上的共享区域，而不是各个P共享的一块内存。协程拿自己P里的子池对象不需要加锁，拿共享列表中的就需要加锁了。

Get对象过程：

goroutine固定到某一个P后，先从当前子池私区拿。并置私有对象为空。
拿不到再从当前子池共享列表拿，需要加锁。
仍拿不到从其它子池共享列表拿，需要加锁。
仍拿不到，sync.pool.New闭包非空，则New一个对象。
所以最坏的情况下遍历其它P才拿到对象，最大值为MACPROCS。

Put过程：

固定P中私有对象为空，则放到私有对象。
否则放入当前子池的共享列表，加锁实现。
开销为最多一次加锁。

如何解决Get最坏情况遍历所有P才获取得对象呢：

能够设置加锁期间遍历其它P的最大次数，遍历不到就直接创建，减少加锁占用pool的时间。
使各子池共享列表中的对象数量尽量平均化，从而避免最坏的情况发生。

方法1止前sync.pool并没有这样的设置。方法2由于goroutine被分配到哪个P由调度器调度不可控，无法确保其平衡。

由于不可控的GC导致生命周期过短，且池大小不可控，因而不适合作连接池。仅适用于增加对象重用机率，减少GC负担。2

用实验回答篇头的问题

实验1

var bytePool = sync.Pool{
   New: func() interface{} {
      b := make([]byte, 1024)
      return &b
   },
}

func main() {
   runtime.GOMAXPROCS(16)
   a := time.Now().Unix()
   count := 100000000
   // 不使用对象池
   for i := 0; i < 1; i++ {
      for j:=0;j<count;j++{
         obj := make([]byte, 1024)
         _ = obj
      }
   }
   b := time.Now().Unix()

   c := time.Now().Unix()
   // 使用对象池
   for i := 0; i < 1; i++ {
      go func() {
         for j := 0; j < count; j++ {
            obj := bytePool.Get().(*[]byte)
            _ = obj
            bytePool.Put(obj)
         }
      }()
   }
   d := time.Now().Unix()
   fmt.Println("without pool ", b-a, "s")
   fmt.Println("with    pool ", d-c, "s")
}

执行结果:

without pool  2 s
with    pool  0 s

单线程情况下，遍历其它无元素的P，长时间加锁性能低下。启用协程改善。

实验2

var bytePool = sync.Pool{
   New: func() interface{} {
      b := make([]byte, 1024)
      return &b
   },
}

func main() {
   runtime.GOMAXPROCS(16)
   a := time.Now().Unix()
   count := 100000000
   // 不使用对象池
   for i := 0; i < 1000; i++ {
      for j:=0;j<count;j++{
         obj := make([]byte, 1024)
         _ = obj
      }
   }
   b := time.Now().Unix()

   c := time.Now().Unix()
   // 使用对象池
   for i := 0; i < 1000; i++ {
      go func() {
         for j := 0; j < count; j++ {
            obj := bytePool.Get().(*[]byte)
            _ = obj
            bytePool.Put(obj)
         }
      }()
   }
   d := time.Now().Unix()
   fmt.Println("without pool ", b-a, "s")
   fmt.Println("with    pool ", d-c, "s")
}

结果：

without pool  2000 s
with    pool  2 s

测试场景在goroutines远大于GOMAXPROCS情况下，与非池化性能差异巨大。

实验3

var bytePool1 = sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        b := make([]byte, 1024)
        return &b
    },
}

var bytePool2 = sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        b := make([]byte, 1024)
        return &b
    },
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(4)
    a := time.Now().Unix()
    count := 1000000000
    goCount := 1000
    for i := 0; i < goCount; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < count; j++ {
                obj := bytePool1.Get().(*[]byte)
                _ = obj
                bytePool1.Put(obj)
            }
        }()
    }
    b := time.Now().Unix()

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < count; j++ {
                bNew := make([]byte, 1024)
                bytePool2.Put(&bNew)
            }
        }()
    }
    c := time.Now().Unix()
    for i := 0; i < goCount; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < count; j++ {
                obj := bytePool2.Get().(*[]byte)
                _ = obj
                bytePool2.Put(obj)
            }
        }()
    }
    d := time.Now().Unix()
    fmt.Println("without pool ", b-a, "s")
    fmt.Println("with    pool ", d-c, "s")
}

测试结果

without pool  6 s
with    pool  0 s

可以看到同样使用*sync.pool，较大池大小的命中率较高，性能远高于空池。

结论：pool在一定的使用条件下提高并发性能，条件1是协程数远大于GOMAXPROCS，条件2是池中对象远大于GOMAXPROCS。归结成一个原因就是使对象在各个P中均匀分布。

关于何时回收Pool

池pool和缓存cache的区别。池的意思是，池内对象是可以互换的，不关心具体值，甚至不需要区分是新建的还是从池中拿出的。缓存指的是KV映射，缓存里的值互不相同，清除机制更为复杂。缓存清除算法如LRU、LIRS缓存算法。

池空间回收的几种方式。一些是GC前回收，一些是基于时钟或弱引用回收。最终确定在GC时回收Pool内对象，即不回避GC。用java的GC解释弱引用。GC的四种引用：强引用、弱引用、软引用、虚引用。虚引用即没有引用，弱引用GC但有空间则保留，软引用GC即清除。ThreadLocal的值为弱引用的例子。

Pool其它场景

regexp

fmt包做字串拼接，从sync.pool拿[]byte对象。避免频繁构建再GC效率高很多。

var ppFree = sync.Pool{
    New: func() interface{} { return new(pp) },
}

golang sync.pool对象复用 并发原理 缓存池