golang sync.pool对象复用 并发原理 缓存池

Posted 2023-03-31

参考技术A

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：

结论是这样的：

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。

sync.Pool是一个 协程安全 的 临时对象池 。数据结构如下：

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：

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。

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。

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。

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：

Put过程：

如何解决Get最坏情况遍历所有P才获取得对象呢：

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

执行结果:

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。

结果：

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

测试结果

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。

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。

regexp 包为了保证并发时使用同一个正则，而维护了一组状态机。

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。

深入Golang之sync.Pool详解

我们通常用golang来构建高并发场景下的应用，但是由于golang内建的GC机制会影响应用的性能，为了减少GC，golang提供了对象重用的机制，也就是sync.Pool对象池。 sync.Pool是可伸缩的，并发安全的。其大小仅受限于内存的大小，可以被看作是一个存放可重用对象的值的容器。 设计的目的是存放已经分配的但是暂时不用的对象，在需要用到的时候直接从pool中取。

任何存放区其中的值可以在任何时候被删除而不通知，在高负载下可以动态的扩容，在不活跃时对象池会收缩。

sync.Pool首先声明了两个结构体

// Local per-P Pool appendix.
type poolLocalInternal struct {
	private interface{}   // Can be used only by the respective P.
	shared  []interface{} // Can be used by any P.
	Mutex                 // Protects shared.
}

type poolLocal struct {
	poolLocalInternal

	// Prevents false sharing on widespread platforms with
	// 128 mod (cache line size) = 0 .
	pad [128 - unsafe.Sizeof(poolLocalInternal{})%128]byte
}

为了使得在多个goroutine中高效的使用goroutine，sync.Pool为每个P(对应CPU)都分配一个本地池，当执行Get或者Put操作的时候，会先将goroutine和某个P的子池关联，再对该子池进行操作。 每个P的子池分为私有对象和共享列表对象，私有对象只能被特定的P访问，共享列表对象可以被任何P访问。因为同一时刻一个P只能执行一个goroutine，所以无需加锁，但是对共享列表对象进行操作时，因为可能有多个goroutine同时操作，所以需要加锁。

值得注意的是poolLocal结构体中有个pad成员，目的是为了防止false sharing。cache使用中常见的一个问题是false sharing。当不同的线程同时读写同一cache line上不同数据时就可能发生false sharing。false sharing会导致多核处理器上严重的系统性能下降。具体的可以参考伪共享(False Sharing)。

类型sync.Pool有两个公开的方法，一个是Get，一个是Put, 我们先来看一下Put的源码。

// Put adds x to the pool.
func (p *Pool) Put(x interface{}) {
	if x == nil {
		return
	}
	if race.Enabled {
		if fastrand()%4 == 0 {
			// Randomly drop x on floor.
			return
		}
		race.ReleaseMerge(poolRaceAddr(x))
		race.Disable()
	}
	l := p.pin()
	if l.private == nil {
		l.private = x
		x = nil
	}
	runtime_procUnpin()
	if x != nil {
		l.Lock()
		l.shared = append(l.shared, x)
		l.Unlock()
	}
	if race.Enabled {
		race.Enable()
	}
}

1. 如果放入的值为空，直接return.
2. 检查当前goroutine的是否设置对象池私有值，如果没有则将x赋值给其私有成员，并将x设置为nil。
3. 如果当前goroutine私有值已经被设置，那么将该值追加到共享列表。

func (p *Pool) Get() interface{} {
	if race.Enabled {
		race.Disable()
	}
	l := p.pin()
	x := l.private
	l.private = nil
	runtime_procUnpin()
	if x == nil {
		l.Lock()
		last := len(l.shared) - 1
		if last >= 0 {
			x = l.shared[last]
			l.shared = l.shared[:last]
		}
		l.Unlock()
		if x == nil {
			x = p.getSlow()
		}
	}
	if race.Enabled {
		race.Enable()
		if x != nil {
			race.Acquire(poolRaceAddr(x))
		}
	}
	if x == nil && p.New != nil {
		x = p.New()
	}
	return x
}

1. 尝试从本地P对应的那个本地池中获取一个对象值, 并从本地池冲删除该值。
2. 如果获取失败，那么从共享池中获取, 并从共享队列中删除该值。
3. 如果获取失败，那么从其他P的共享池中偷一个过来，并删除共享池中的该值(p.getSlow())。
4. 如果仍然失败，那么直接通过New()分配一个返回值，注意这个分配的值不会被放入池中。New()返回用户注册的New函数的值，如果用户未注册New，那么返回nil。

 

最后我们来看一下init函数。

func init() {
    runtime_registerPoolCleanup(poolCleanup)
}

可以看到在init的时候注册了一个PoolCleanup函数，他会清除掉sync.Pool中的所有的缓存的对象，这个注册函数会在每次GC的时候运行，所以sync.Pool中的值只在两次GC中间的时段有效。

 

package main

import (
    "sync"
    "time"
    "fmt"
)

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


func main()  {
    //defer
    //debug.SetGCPercent(debug.SetGCPercent(-1))
    a := time.Now().Unix()
    for i:=0;i<1000000000;i++{
        obj := make([]byte, 1024)
        _ = obj
    }
    b := time.Now().Unix()

    for j:=0;j<1000000000;j++  {
        obj := bytePool.Get().(*[]byte)
        _ = obj
        bytePool.Put(obj)
    }

    c := time.Now().Unix()
    fmt.Println("without pool ", b - a, "s")
    fmt.Println("with    pool ", c - b, "s")
}

可见GC对性能影响不大，因为shared list太长也会耗时。

 

总结：

通过以上的解读，我们可以看到，Get方法并不会对获取到的对象值做任何的保证，因为放入本地池中的值有可能会在任何时候被删除，但是不通知调用者。放入共享池中的值有可能被其他的goroutine偷走。 所以对象池比较适合用来存储一些临时切状态无关的数据，但是不适合用来存储数据库连接的实例，因为存入对象池重的值有可能会在垃圾回收时被删除掉，这违反了数据库连接池建立的初衷。

根据上面的说法，Golang的对象池严格意义上来说是一个临时的对象池，适用于储存一些会在goroutine间分享的临时对象。主要作用是减少GC，提高性能。在Golang中最常见的使用场景是fmt包中的输出缓冲区。

在Golang中如果要实现连接池的效果，可以用container/list来实现，开源界也有一些现成的实现，比如go-commons-pool，具体的读者可以去自行了解。

 

参考资料：

• go语言的官方包sync.Pool的实现原理和适用场景
• sync.Pool源码