深入了解Go语言中sync.Pool的使用

Golang
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2023-05-02
Golang开发之接口的具体使用详解
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  • 1. 简介
  • 2. 问题引入
  • 2.1 问题描述
  • 2.2 解决方案
  • 3. 基本使用
  • 3.1 使用方式
  • 3.2 使用例子    
  • 4.使用注意事项
  • 4.1 需要注意放入对象的大小
  • 4.2 不要往sync.Pool中放入数据库连接/TCP连接
  • 5. 总结

1. 简介

本文将介绍 Go 语言中的 sync.Pool并发原语，包括sync.Pool的基本使用方法、使用注意事项等的内容。能够更好得使用sync.Pool来减少对象的重复创建，最大限度实现对象的重复使用，减少程序GC的压力，以及提升程序的性能。

2. 问题引入

2.1 问题描述

这里我们实现一个简单的JSON序列化器，能够实现将一个map[string]int序列化为一个JSON字符串，实现如下:

func IntToStringMap(m map[string]int) (string, error) {
   // 定义一个bytes.Buffer,用于缓存数据
   var buf bytes.Buffer
   buf.Write([]byte("{"))
   for k, v := range m {
      buf.WriteString(fmt.Sprintf(`"%s":%d,`, k, v))
   }
   if len(m) > 0 {
      buf.Truncate(buf.Len() - 1) // 去掉最后一个逗号
   }
   buf.Write([]byte("}"))
   return buf.String(), nil
}

这里使用bytes.Buffer 来缓存数据，然后按照key:value的形式，将数据生成一个字符串，然后返回，实现是比较简单的。

每次调用IntToStringMap方法时，都会创建一个bytes.Buffer来缓存中间结果，而bytes.Buffer其实是可以被重用的，因为序列化规则和其并没有太大的关系，其只是作为一个缓存区来使用而已。

但是当前的实现为每次调用IntToStringMap时，都会创建一个bytes.Buffer,如果在一个应用中，请求并发量非常高时，频繁创建和销毁bytes.Buffer将会带来较大的性能开销，会导致对象的频繁分配和垃圾回收，增加了内存使用量和垃圾回收的压力。

那有什么方法能够让bytes.Buffer能够最大程度得被重复利用呢，避免重复的创建和回收呢？

2.2 解决方案

其实我们可以发现，为了让bytes.Buffer能够被重复利用，避免重复的创建和回收，我们此时只需要将bytes.Buffer缓存起来，在需要时，将其从缓存中取出；当用完后，便又将其放回到缓存池当中。这样子，便不需要每次调用IntToStringMap方法时，就创建一个bytes.Buffer。

这里我们可以自己实现一个缓存池，当需要对象时，可以从缓存池中获取，当不需要对象时，可以将对象放回缓存池中。IntToStringMap方法需要bytes.Buffer时，便从该缓存池中取，当用完后，便重新放回缓存池中，等待下一次的获取。下面是一个使用切片实现的一个bytes.Buffer缓存池。

type BytesBufferPool struct {
   mu   sync.Mutex
   pool []*bytes.Buffer
}

func (p *BytesBufferPool) Get() *bytes.Buffer {
   p.mu.Lock()
   defer p.mu.Unlock()
   n := len(p.pool)
   if n == 0 {
      // 当缓存池中没有对象时,创建一个bytes.Buffer
      return &bytes.Buffer{}
   }
   // 有对象时,取出切片最后一个元素返回
   v := p.pool[n-1]
   p.pool[n-1] = nil
   p.pool = p.pool[:n-1]
   return v
}

func (p *BytesBufferPool) Put(buffer *bytes.Buffer) {
   if buffer == nil {
      return
   }
   // 将bytes.Buffer放入到切片当中
   p.mu.Lock()
   defer p.mu.Unlock()
   obj.Reset()
   p.pool = append(p.pool, buffer)
}

上面BytesBufferPool实现了一个bytes.Buffer的缓存池，其中Get方法用于从缓存池中取对象，如果没有对象，就创建一个新的对象返回；Put方法用于将对象重新放入BytesBufferPool当中，下面使用BytesBufferPool来优化IntToStringMap。

// 首先定义一个BytesBufferPool
var buffers BytesBufferPool

func IntToStringMap(m map[string]int) (string, error) {
   // bytes.Buffer不再自己创建,而是从BytesBufferPool中取出
   buf := buffers.Get()
   // 函数结束后,将bytes.Buffer重新放回缓存池当中
   defer buffers.Put(buf)
   buf.Write([]byte("{"))
   for k, v := range m {
      buf.WriteString(fmt.Sprintf(`"%s":%d,`, k, v))
   }
   if len(m) > 0 {
      buf.Truncate(buf.Len() - 1) // 去掉最后一个逗号
   }
   buf.Write([]byte("}"))
   return buf.String(), nil
}

到这里我们通过自己实现了一个缓存池，成功对InitToStringMap函数进行了优化，减少了bytes.Buffer对象频繁的创建和回收，在一定程度上提高了对象的频繁创建和回收。

但是，BytesBufferPool这个缓存池的实现，其实存在几点问题，其一，只能用于缓存bytes.Buffer对象；其二，不能根据系统的实际情况，动态调整对象池中缓存对象的数量。假如某段时间并发量较高，bytes.Buffer对象被大量创建，用完后，重新放回BytesBufferPool之后，将永远不会被回收，这有可能导致内存浪费，严重一点，也会导致内存泄漏。

既然自定义缓存池存在这些问题，那我们不禁要问，Go语言标准库中有没有提供了更方便的方式，来帮助我们缓存对象呢？

别说，还真有，Go标准库提供了sync.Pool，可以用来缓存那些需要频繁创建和销毁的对象，而且它支持缓存任何类型的对象，同时sync.Pool是可以根据系统的实际情况来调整缓存池中对象的数量，如果一个对象长时间未被使用，此时将会被回收掉。

相对于自己实现的缓冲池，sync.Pool的性能更高，充分利用多核cpu的能力，同时也能够根据系统当前使用对象的负载，来动态调整缓冲池中对象的数量，而且使用起来也比较简单，可以说是实现无状态对象缓存池的不二之选。

下面我们来看看sync.Pool的基本使用方式，然后将其应用到IntToStringMap方法的实现当中。

3. 基本使用

3.1 使用方式

3.1.1 sync.Pool的基本定义

sync.Pool的定义如下: 提供了Get,Put两个方法:

type Pool struct {
  noCopy noCopy

  local     unsafe.Pointer // local fixed-size per-P pool, actual type is [P]poolLocal
  localSize uintptr        // size of the local array

  victim     unsafe.Pointer // local from previous cycle
  victimSize uintptr        // size of victims array

  New func() any
}
func (p *Pool) Put(x any) {}
func (p *Pool) Get() any {}
  • Get方法: 从sync.Pool中取出缓存对象
  • Put方法: 将缓存对象放入到sync.Pool当中
  • New函数: 在创建sync.Pool时，需要传入一个New函数，当Get方法获取不到对象时，此时将会调用New函数创建新的对象返回。

3.1.2 使用方式

当使用sync.Pool时，通常需要以下几个步骤:

  • 首先使用sync.Pool定义一个对象缓冲池
  • 在需要使用到对象时，从缓冲池中取出
  • 当使用完之后，重新将对象放回缓冲池中

下面是一个简单的代码的示例，展示了使用sync.Pool大概的代码结构:

type struct data{
    // 定义一些属性
}
//1. 创建一个data对象的缓存池
var dataPool = sync.Pool{New: func() interface{} {
   return &data{}
}}

func Operation_A(){
    // 2. 需要用到data对象的地方，从缓存池中取出
    d := dataPool.Get().(*data)
    // 执行后续操作
    // 3. 将对象重新放入缓存池中
    dataPool.Put(d)
}

3.2 使用例子    

下面我们使用sync.Pool来对IntToStringMap进行改造，实现对bytes.Buffer对象的重用，同时也能够自动根据系统当前的状况，自动调整缓冲池中对象的数量。

// 1. 定义一个bytes.Buffer的对象缓冲池
var buffers sync.Pool = sync.Pool{
   New: func() interface{} {
      return &bytes.Buffer{}
   },
}
func IntToStringMap(m map[string]int) (string, error) {
   // 2. 在需要的时候,从缓冲池中取出一个bytes.Buffer对象
   buf := buffers.Get().(*bytes.Buffer)
   buf.Reset()
   // 3. 用完之后,将其重新放入缓冲池中
   defer buffers.Put(buf)
   buf.Write([]byte("{"))
   for k, v := range m {
      buf.WriteString(fmt.Sprintf(`"%s":%d,`, k, v))
   }
   if len(m) > 0 {
      buf.Truncate(buf.Len() - 1) // 去掉最后一个逗号
   }
   buf.Write([]byte("}"))
   return buf.String(), nil
}

上面我们使用sync.Pool实现了一个bytes.Buffer的缓冲池，在 IntToStringMap 函数中，我们从 buffers 中获取一个 bytes.Buffer 对象，并在函数结束时将其放回池中，避免了频繁创建和销毁 bytes.Buffer 对象的开销。

同时，由于sync.Pool在IntToStringMap调用不频繁的情况下，能够自动回收sync.Pool中的bytes.Buffer对象，无需用户操心，也能减小内存的压力。而且其底层实现也有考虑到多核cpu并发执行，每一个processor都会有其对应的本地缓存，在一定程度也减少了多线程加锁的开销。

从上面可以看出，sync.Pool使用起来非常简单，但是其还是存在一些注意事项，如果使用不当的话，还是有可能会导致内存泄漏等问题的，下面就来介绍sync.Pool使用时的注意事项。

4.使用注意事项

4.1 需要注意放入对象的大小

如果不注意放入sync.Pool缓冲池中对象的大小，可能出现sync.Pool中只存在几个对象，却占据了大量的内存，导致内存泄漏。

这里对于有固定大小的对象，并不需要太过注意放入sync.Pool中对象的大小，这种场景出现内存泄漏的可能性小之又小。但是，如果放入sync.Pool中的对象存在自动扩容的机制，如果不注意放入sync.Pool中对象的大小，此时将很有可能导致内存泄漏。下面来看一个例子:

func Sprintf(format string, a ...any) string {
   p := newPrinter()
   p.doPrintf(format, a)
   s := string(p.buf)
   p.free()
   return s
}

Sprintf方法根据传入的format和对应的参数，完成组装，返回对应的字符串结果。按照普通的思路，此时只需要申请一个byte数组，然后根据一定规则，将format和参数的内容放入byte数组中，最终将byte数组转换为字符串返回即可。

按照上面这个思路我们发现，其实每次使用到的byte数组是可复用的，并不需要重复构建。

实际上Sprintf方法的实现也是如此，byte数组其实并非每次创建一个新的，而是会对其进行复用。其实现了一个pp结构体，format和参数按照一定规则组装成字符串的职责，交付给pp结构体，同时byte数组作为pp结构体的成员变量。

然后将pp的实例放入sync.Pool当中，实现pp重复使用目的，从而简介避免了重复创建byte数组导致频繁的GC，同时也提升了性能。下面是newPrinter方法的逻辑，获取pp结构体，都是从sync.Pool中获取:

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

// newPrinter allocates a new pp struct or grabs a cached one.
func newPrinter() *pp {
    // 从ppFree中获取pp
   p := ppFree.Get().(*pp)
   // 执行一些初始化逻辑
   p.panicking = false
   p.erroring = false
   p.wrapErrs = false
   p.fmt.init(&p.buf)
   return p
}

下面回到上面的byte数组，此时其作为pp结构体的一个成员变量，用于字符串格式化的中间结果，定义如下:

// Use simple []byte instead of bytes.Buffer to avoid large dependency.
type buffer []byte

type pp struct {
   buf buffer
   // 省略掉其他不相关的字段
}

这里看起来似乎没啥问题，但是其实是有可能存在内存浪费甚至内存泄漏的问题。假如此时存在一个非常长的字符串需要格式化，此时调用Sprintf来实现格式化，此时pp结构体中的buffer也同样需要不断扩容，直到能够存储整个字符串的长度为止，此时pp结构体中的buffer将会占据比较大的内存。

当Sprintf方法完成之后，重新将pp结构体放入sync.Pool当中，此时pp结构体中的buffer占据的内存将不会被释放。

但是，如果下次调用Sprintf方法来格式化的字符串，长度并没有那么长，但是此时从sync.Pool中取出的pp结构体中的byte数组长度却是上次扩容之后的byte数组，此时将会导致内存浪费，严重点甚至可能导致内存泄漏。

因此，因为pp对象中buffer字段占据的内存是会自动扩容的，对象的大小是不固定的，因此将pp对象重新放入sync.Pool中时，需要注意放入对象的大小，如果太大，可能会导致内存泄漏或者内存浪费的情况，此时可以直接抛弃，不重新放入sync.Pool当中。事实上，pp结构体重新放入sync.Pool也是基于该逻辑，其会先判断pp结构体中buffer字段占据的内存大小，如果太大，此时将不会重新放入sync.Pool当中，而是直接丢弃，具体如下:

func (p *pp) free() {
   // 如果byte数组的大小超过一定限度，此时将会直接返回
   if cap(p.buf) > 64<<10 {
      return
   }

   p.buf = p.buf[:0]
   p.arg = nil
   p.value = reflect.Value{}
   p.wrappedErr = nil
   
   // 否则,则重新放回sync.Pool当中
   ppFree.Put(p)
}

基于以上总结，如果sync.Pool中存储的对象占据的内存大小是不固定的话，此时需要注意放入对象的大小，防止内存泄漏或者内存浪费。

4.2 不要往sync.Pool中放入数据库连接/TCP连接

TCP连接和数据库连接等资源的获取和释放通常需要遵循一定的规范，比如需要在连接完成后显式地关闭连接等，这些规范是基于网络协议、数据库协议等规范而制定的，如果这些规范没有被正确遵守，就可能导致连接泄漏、连接池资源耗尽等问题。

当使用 sync.Pool 存储连接对象时，如果这些连接对象并没有显式的关闭，那么它们就会在内存中一直存在，直到进程结束。如果连接对象数量过多，那么这些未关闭的连接对象就会占用过多的内存资源，导致内存泄漏等问题。

举个例子，假设有一个对象Conn表示数据库连接，它的Close方法用于关闭连接。如果将Conn对象放入sync.Pool中，并在从池中取出并使用后没有手动调用Close方法归还对象，那么这些连接就会一直保持打开状态，直到程序退出或达到连接数限制等情况。这可能会导致资源耗尽或其他一些问题。

以下是一个简单的示例代码，使用 sync.Pool 存储TCP连接对象，演示了连接对象泄漏的情况：

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

var pool = &sync.Pool{
   New: func() interface{} {
      conn, err := net.Dial("tcp", "localhost:8000")
      if err != nil {
         panic(err)
      }
      return conn
   },
}

func main() {

   // 模拟使用连接
   for i := 0; i < 100; i++ {
      conn := pool.Get().(net.Conn)
      time.Sleep(100 * time.Millisecond)
      fmt.Fprintf(conn, "GET / HTTP/1.0\r\n\r\n")
      // 不关闭连接
      // 不在使用连接时，释放连接对象到池中即可
      pool.Put(conn)
   }

}

在上面的代码中，我们使用 net.Dial 创建了一个 TCP 连接，并将其存储到 sync.Pool 中。在模拟使用连接时，我们从池中获取连接对象，向服务器发送一个简单的 HTTP 请求，然后将连接对象释放到池中。但是，我们没有显式地关闭连接对象。如果连接对象的数量很大，那么这些未关闭的连接对象就会占用大量的内存资源，导致内存泄漏等问题。

因此，对于数据库连接或者TCP连接这种资源的释放需要遵循一定的规范，此时不应该使用sync.Pool来复用，可以自己实现数据库连接池等方式来实现连接的复用。

5. 总结

本文介绍了 Go 语言中的 sync.Pool原语，它是实现对象重复利用，降低程序GC频次，提高程序性能的一个非常好的工具。

我们首先通过一个简单的JSON序列化器的实现，引入了需要对象重复使用的场景，进而自己实现了一个缓冲池，由该缓冲池存在的问题，进而引出sync.Pool。接着，我们介绍了sync.Pool的基本使用以及将其应用到JSON序列化器的实现当中。

在接下来，介绍了sync.Pool常见的注意事项，如需要注意放入sync.Pool对象的大小，对其进行了分析,从而讲述了sync.Pool可能存在的一些注意事项，帮忙大家更好得对其进行使用。

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