go语言的官方包sync.Pool的实现原理和适用场景

已经使用golang有一段时间，go的协程和gc垃圾回收特性的确会提高程序的开发效率。但是毕竟是一门新语言，如果对于它的机制不了解，用起来可能会蹦出各种潘多拉盒子。今天就讲讲我在项目中用到的sync包的Pool类的使用，以免大家混淆使用。

众所周知，go是自动垃圾回收的(garbage collector)，这大大减少了程序编程负担。但gc是一把双刃剑，带来了编程的方便但同时也增加了运行时开销，使用不当甚至会严重影响程序的性能。因此性能要求高的场景不能任意产生太多的垃圾（有gc但又不能完全依赖它挺恶心的），如何解决呢？那就是要重用对象了，我们可以简单的使用一个chan把这些可重用的对象缓存起来，但如果很多goroutine竞争一个chan性能肯定是问题.....由于golang团队认识到这个问题普遍存在，为了避免大家重造车轮，因此官方统一出了一个包Pool。但为什么放到sync包里面也是有的迷惑的，先不讨论这个问题。

先来看看如何使用一个pool：

package main

import(
"fmt"
"sync"
)

func main() {
p := &sync.Pool{
New: func() interface{} {
return 0
},
}

a := p.Get().(int)
p.Put(1)
b := p.Get().(int)
fmt.Println(a, b)
}

上面创建了一个缓存int对象的一个pool，先从池获取一个对象然后放进去一个对象再取出一个对象，程序的输出是0 1。创建的时候可以指定一个New函数，获取对象的时候如何在池里面找不到缓存的对象将会使用指定的new函数创建一个返回，如果没有new函数则返回nil。用法是不是很简单，我们这里就不多说，下面来说说我们关心的问题：

1、缓存对象的数量和期限

上面我们可以看到pool创建的时候是不能指定大小的，所有sync.Pool的缓存对象数量是没有限制的（只受限于内存），因此使用sync.pool是没办法做到控制缓存对象数量的个数的。另外sync.pool缓存对象的期限是很诡异的，先看一下src/pkg/sync/pool.go里面的一段实现代码：

func init() {
runtime_registerPoolCleanup(poolCleanup)
}

可以看到pool包在init的时候注册了一个poolCleanup函数，它会清除所有的pool里面的所有缓存的对象，该函数注册进去之后会在每次gc之前都会调用，因此sync.Pool缓存的期限只是两次gc之间这段时间。例如我们把上面的例子改成下面这样之后，输出的结果将是0 0。正因gc的时候会清掉缓存对象，也不用担心pool会无限增大的问题。

a := p.Get().(int)
p.Put(1)
runtime.GC()
b := p.Get().(int)
fmt.Println(a, b)

 这是很多人错误理解的地方，正因为这样，我们是不可以使用sync.Pool去实现一个socket连接池的。

2、缓存对象的开销

如何在多个goroutine之间使用同一个pool做到高效呢？官方的做法就是尽量减少竞争，因为sync.pool为每个P（对应cpu，不了解的童鞋可以去看看golang的调度模型介绍）都分配了一个子池，如下图：



当执行一个pool的get或者put操作的时候都会先把当前的goroutine固定到某个P的子池上面，然后再对该子池进行操作。每个子池里面有一个私有对象和共享列表对象，私有对象是只有对应的P能够访问，因为一个P同一时间只能执行一个goroutine，因此对私有对象存取操作是不需要加锁的。共享列表是和其他P分享的，因此操作共享列表是需要加锁的。

获取对象过程是：

1）固定到某个P，尝试从私有对象获取，如果私有对象非空则返回该对象，并把私有对象置空；

2）如果私有对象是空的时候，就去当前子池的共享列表获取（需要加锁）；

3）如果当前子池的共享列表也是空的，那么就尝试去其他P的子池的共享列表偷取一个（需要加锁）；

4）如果其他子池都是空的，最后就用用户指定的New函数产生一个新的对象返回。

可以看到一次get操作最少0次加锁，最大N（N等于MAXPROCS）次加锁。

归还对象的过程：

1）固定到某个P，如果私有对象为空则放到私有对象；

2）否则加入到该P子池的共享列表中（需要加锁）。

可以看到一次put操作最少0次加锁，最多1次加锁。

由于goroutine具体会分配到那个P执行是golang的协程调度系统决定的，因此在MAXPROCS>1的情况下，多goroutine用同一个sync.Pool的话，各个P的子池之间缓存的对象是否平衡以及开销如何是没办法准确衡量的。但如果goroutine数目和缓存的对象数目远远大于MAXPROCS的话，概率上说应该是相对平衡的。

总的来说，sync.Pool的定位不是做类似连接池的东西，它的用途仅仅是增加对象重用的几率，减少gc的负担，而开销方面也不是很便宜的。