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Go语言核心36讲(Go语言实战与应用十一)--学习笔记

2021-11-23 19:32 78 查看 https://www.cnblogs.com/mingso

33 | 临时对象池sync.Pool

到目前为止,我们已经一起学习了 Go 语言标准库中最重要的那几个同步工具,这包括非常经典的互斥锁、读写锁、条件变量和原子操作,以及 Go 语言特有的几个同步工具:

1、sync/atomic.Value

2、sync.Once

3、sync.WaitGroup

4、context.Context

今天,我们来讲 Go 语言标准库中的另一个同步工具:sync.Pool。

sync.Pool类型可以被称为临时对象池,它的值可以被用来存储临时的对象。与 Go 语言的很多同步工具一样,sync.Pool类型也属于结构体类型,它的值在被真正使用之后,就不应该再被复制了。

这里的“临时对象”的意思是:不需要持久使用的某一类值。这类值对于程序来说可有可无,但如果有的话会明显更好。它们的创建和销毁可以在任何时候发生,并且完全不会影响到程序的功能。

同时,它们也应该是无需被区分的,其中的任何一个值都可以代替另一个。如果你的某类值完全满足上述条件,那么你就可以把它们存储到临时对象池中。

你可能已经想到了,我们可以把临时对象池当作针对某种数据的缓存来用。实际上,在我看来,临时对象池最主要的用途就在于此。

sync.Pool类型只有两个方法——Put和Get。Put 用于在当前的池中存放临时对象,它接受一个interface类型的参数;而 Get 则被用于从当前的池中获取临时对象,它会返回一个interface类型的值。

更具体地说,这个类型的Get方法可能会从当前的池中删除掉任何一个值,然后把这个值作为结果返回。如果此时当前的池中没有任何值,那么这个方法就会使用当前池的New字段创建一个新值,并直接将其返回。

sync.Pool类型的New字段代表着创建临时对象的函数。它的类型是没有参数但有唯一结果的函数类型,即:func() interface。

这个函数是Get方法最后的临时对象获取手段。Get方法如果到了最后,仍然无法获取到一个值,那么就会调用该函数。该函数的结果值并不会被存入当前的临时对象池中,而是直接返回给Get方法的调用方。

这里的New字段的实际值需要我们在初始化临时对象池的时候就给定。否则,在我们调用它的Get方法的时候就有可能会得到nil。所以,sync.Pool类型并不是开箱即用的。不过,这个类型也就只有这么一个公开的字段,因此初始化起来也并不麻烦。

举个例子。标准库代码包fmt就使用到了sync.Pool类型。这个包会创建一个用于缓存某类临时对象的sync.Pool类型值,并将这个值赋给一个名为ppFree的变量。这类临时对象可以识别、格式化和暂存需要打印的内容。

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

临时对象池ppFree的New字段在被调用的时候,总是会返回一个全新的pp类型值的指针(即临时对象)。这就保证了ppFree的Get方法总能返回一个可以包含需要打印内容的值。

pp类型是fmt包中的私有类型,它有很多实现了不同功能的方法。不过,这里的重点是,它的每一个值都是独立的、平等的和可重用的。

更具体地说,这些对象既互不干扰,又不会受到外部状态的影响。它们几乎只针对某个需要打印内容的缓冲区而已。由于fmt包中的代码在真正使用这些临时对象之前,总是会先对其进行重置,所以它们并不在意取到的是哪一个临时对象。这就是临时对象的平等性的具体体现。

另外,这些代码在使用完临时对象之后,都会先抹掉其中已缓冲的内容,然后再把它存放到ppFree中。这样就为重用这类临时对象做好了准备。

众所周知的fmt.Println、fmt.Printf等打印函数都是如此使用ppFree,以及其中的临时对象的。因此,在程序同时执行很多的打印函数调用的时候,ppFree可以及时地把它缓存的临时对象提供给它们,以加快执行的速度。

而当程序在一段时间内不再执行打印函数调用时,ppFree中的临时对象又能够被及时地清理掉,以节省内存空间。

显然,在这个维度上,临时对象池可以帮助程序实现可伸缩性。这就是它的最大价值。

我想,到了这里你已经清楚了临时对象池的基本功能、使用方式、适用场景和存在意义。我们下面来讨论一下它的一些内部机制,这样,我们就可以更好地利用它做更多的事。

首先,我来问你一个问题。这个问题很可能也是你想问的。今天的问题是:为什么说临时对象池中的值会被及时地清理掉?

这里的典型回答是:因为,Go 语言运行时系统中的垃圾回收器,所以在每次开始执行之前,都会对所有已创建的临时对象池中的值进行全面地清除。

问题解析

我在前面已经向你讲述了临时对象会在什么时候被创建,下面我再来详细说说它会在什么时候被销毁。

sync包在被初始化的时候,会向 Go 语言运行时系统注册一个函数,这个函数的功能就是清除所有已创建的临时对象池中的值。我们可以把它称为池清理函数。

一旦池清理函数被注册到了 Go 语言运行时系统,后者在每次即将执行垃圾回收时就都会执行前者。

另外,在sync包中还有一个包级私有的全局变量。这个变量代表了当前的程序中使用的所有临时对象池的汇总,它是元素类型为*sync.Pool的切片。我们可以称之为池汇总列表。

通常,在一个临时对象池的Put方法或Get方法第一次被调用的时候,这个池就会被添加到池汇总列表中。正因为如此,池清理函数总是能访问到所有正在被真正使用的临时对象池。

更具体地说,池清理函数会遍历池汇总列表。对于其中的每一个临时对象池,它都会先将池中所有的私有临时对象和共享临时对象列表都置为nil,然后再把这个池中的所有本地池列表都销毁掉。

最后,池清理函数会把池汇总列表重置为空的切片。如此一来,这些池中存储的临时对象就全部被清除干净了。

如果临时对象池以外的代码再无对它们的引用,那么在稍后的垃圾回收过程中,这些临时对象就会被当作垃圾销毁掉,它们占用的内存空间也会被回收以备他用。

以上,就是我对临时对象清理的进一步说明。首先需要记住的是,池清理函数和池汇总列表的含义,以及它们起到的关键作用。一旦理解了这些,那么在有人问到你这个问题的时候,你应该就可以从容地应对了。

不过,我们在这里还碰到了几个新的词,比如:私有临时对象、共享临时对象列表和本地池。这些都代表着什么呢?这就涉及了下面的问题。

知识扩展

问题 1:临时对象池存储值所用的数据结构是怎样的?

在临时对象池中,有一个多层的数据结构。正因为有了它的存在,临时对象池才能够非常高效地存储大量的值。

这个数据结构的顶层,我们可以称之为本地池列表,不过更确切地说,它是一个数组。这个列表的长度,总是与 Go 语言调度器中的 P 的数量相同。

还记得吗?Go 语言调度器中的 P 是 processor 的缩写,它指的是一种可以承载若干个 G、且能够使这些 G 适时地与 M 进行对接,并得到真正运行的中介。

这里的 G 正是 goroutine 的缩写,而 M 则是 machine 的缩写,后者指代的是系统级的线程。正因为有了 P 的存在,G 和 M 才能够进行灵活、高效的配对,从而实现强大的并发编程模型。

P 存在的一个很重要的原因是为了分散并发程序的执行压力,而让临时对象池中的本地池列表的长度与 P 的数量相同的主要原因也是分散压力。这里所说的压力包括了存储和性能两个方面。在说明它们之前,我们先来探索一下临时对象池中的那个数据结构。

在本地池列表中的每个本地池都包含了三个字段(或者说组件),它们是:存储私有临时对象的字段private、代表了共享临时对象列表的字段shared,以及一个sync.Mutex类型的嵌入字段。

sync.Pool 中的本地池与各个 G 的对应关系

实际上,每个本地池都对应着一个 P。我们都知道,一个 goroutine 要想真正运行就必须先与某个 P 产生关联。也就是说,一个正在运行的 goroutine 必然会关联着某个 P。

在程序调用临时对象池的Put方法或Get方法的时候,总会先试图从该临时对象池的本地池列表中,获取与之对应的本地池,依据的就是与当前的 goroutine 关联的那个 P 的 ID。

换句话说,一个临时对象池的Put方法或Get方法会获取到哪一个本地池,完全取决于调用它的代码所在的 goroutine 关联的那个 P。

既然说到了这里,那么紧接着就会有下面这个问题。

问题 2:临时对象池是怎样利用内部数据结构来存取值的?

临时对象池的Put方法总会先试图把新的临时对象,存储到对应的本地池的private字段中,以便在后面获取临时对象的时候,可以快速地拿到一个可用的值。

只有当这个private字段已经存有某个值时,该方法才会去访问本地池的shared字段。

相应的,临时对象池的Get方法,总会先试图从对应的本地池的private字段处获取一个临时对象。只有当这个private字段的值为nil时,它才会去访问本地池的shared字段。

一个本地池的shared字段原则上可以被任何 goroutine 中的代码访问到,不论这个 goroutine 关联的是哪一个 P。这也是我把它叫做共享临时对象列表的原因。

相比之下,一个本地池的private字段,只可能被与之对应的那个 P 所关联的 goroutine 中的代码访问到,所以可以说,它是 P 级私有的。

以临时对象池的Put方法为例,它一旦发现对应的本地池的private字段已存有值,就会去访问这个本地池的shared字段。当然,由于shared字段是共享的,所以此时必须受到互斥锁的保护。

还记得本地池嵌入的那个sync.Mutex类型的字段吗?它就是这里用到的互斥锁,也就是说,本地池本身就拥有互斥锁的功能。Put方法会在互斥锁的保护下,把新的临时对象追加到共享临时对象列表的末尾。

相应的,临时对象池的Get方法在发现对应本地池的private字段未存有值时,也会去访问后者的shared字段。它会在互斥锁的保护下,试图把该共享临时对象列表中的最后一个元素值取出并作为结果。

不过,这里的共享临时对象列表也可能是空的,这可能是由于这个本地池中的所有临时对象都已经被取走了,也可能是当前的临时对象池刚被清理过。

无论原因是什么,Get方法都会去访问当前的临时对象池中的所有本地池,它会去逐个搜索它们的共享临时对象列表。

只要发现某个共享临时对象列表中包含元素值,它就会把该列表的最后一个元素值取出并作为结果返回。

从 sync.Pool 中获取临时对象的步骤

当然了,即使这样也可能无法拿到一个可用的临时对象,比如,在所有的临时对象池都刚被大清洗的情况下就会是如此。

这时,Get方法就会使出最后的手段——调用可创建临时对象的那个函数。还记得吗?这个函数是由临时对象池的New字段代表的,并且需要我们在初始化临时对象池的时候给定。如果这个字段的值是nil,那么Get方法此时也只能返回nil了。

以上,就是我对这个问题的较完整回答。

总结

今天,我们一起讨论了另一个比较有用的同步工具——sync.Pool类型,它的值被我称为临时对象池。临时对象池有一个New字段,我们在初始化这个池的时候最好给定它。

临时对象池还拥有两个方法,即:Put和Get,它们分别被用于向池中存放临时对象,和从池中获取临时对象。

临时对象池中存储的每一个值都应该是独立的、平等的和可重用的。我们应该既不用关心从池中拿到的是哪一个值,也不用在意这个值是否已经被使用过。

要完全做到这两点,可能会需要我们额外地写一些代码。不过,这个代码量应该是微乎其微的,就像fmt包对临时对象池的用法那样。所以,在选用临时对象池的时候,我们必须要把它将要存储的值的特性考虑在内。

在临时对象池的内部,有一个多层的数据结构支撑着对临时对象的存储。它的顶层是本地池列表,其中包含了与某个 P 对应的那些本地池,并且其长度与 P 的数量总是相同的。

在每个本地池中,都包含一个私有的临时对象和一个共享的临时对象列表。前者只能被其对应的 P 所关联的那个 goroutine 中的代码访问到,而后者却没有这个约束。从另一个角度讲,前者用于临时对象的快速存取,而后者则用于临时对象的池内共享。

正因为有了这样的数据结构,临时对象池才能够有效地分散存储压力和性能压力。同时,又因为临时对象池的Get方法对这个数据结构的妙用,才使得其中的临时对象能够被高效地利用。比如,该方法有时候会从其他的本地池的共享临时对象列表中,“偷取”一个临时对象。

这样的内部结构和存取方式,让临时对象池成为了一个特点鲜明的同步工具。它存储的临时对象都应该是拥有较长生命周期的值,并且,这些值不应该被某个 goroutine 中的代码长期的持有和使用。

因此,临时对象池非常适合用作针对某种数据的缓存。从某种角度讲,临时对象池可以帮助程序实现可伸缩性,这也正是它的最大价值。

思考题

今天的思考题是:怎样保证一个临时对象池中总有比较充足的临时对象?

请从临时对象池的初始化和方法调用两个方面作答。必要时可以参考fmt包以及 demo70.go 文件中使用临时对象池的方式。

package main

import (
"bytes"
"fmt"
"io"
"sync"
)

// bufPool 代表存放数据块缓冲区的临时对象池。
var bufPool sync.Pool

// Buffer 代表了一个简易的数据块缓冲区的接口。
type Buffer interface {
// Delimiter 用于获取数据块之间的定界符。
Delimiter() byte
// Write 用于写一个数据块。
Write(contents string) (err error)
// Read 用于读一个数据块。
Read() (contents string, err error)
// Free 用于释放当前的缓冲区。
Free()
}

// myBuffer 代表了数据块缓冲区一种实现。
type myBuffer struct {
buf       bytes.Buffer
delimiter byte
}

func (b *myBuffer) Delimiter() byte {
return b.delimiter
}

func (b *myBuffer) Write(contents string) (err error) {
if _, err = b.buf.WriteString(contents); err != nil {
return
}
return b.buf.WriteByte(b.delimiter)
}

func (b *myBuffer) Read() (contents string, err error) {
return b.buf.ReadString(b.delimiter)
}

func (b *myBuffer) Free() {
bufPool.Put(b)
}

// delimiter 代表预定义的定界符。
var delimiter = byte('\n')

func init() {
bufPool = sync.Pool{
New: func() interface{} {
return &myBuffer{delimiter: delimiter}
},
}
}

// GetBuffer 用于获取一个数据块缓冲区。
func GetBuffer() Buffer {
return bufPool.Get().(Buffer)
}

func main() {
buf := GetBuffer()
defer buf.Free()
buf.Write("A Pool is a set of temporary objects that" +
"may be individually saved and retrieved.")
buf.Write("A Pool is safe for use by multiple goroutines simultaneously.")
buf.Write("A Pool must not be copied after first use.")

fmt.Println("The data blocks in buffer:")
for {
block, err := buf.Read()
if err != nil {
if err == io.EOF {
break
}
panic(fmt.Errorf("unexpected error: %s", err))
}
fmt.Print(block)
}
}

笔记源码

https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo

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