剖析Go1.3新特性:sync.Pool

Go 1.3 的sync包中加入一个新特性：Pool。官方文档可以看这里http://golang.org/pkg/sync/#Pool

这个类设计的目的是用来保存和复用临时对象，以减少内存分配，降低CG压力。

type Pool
    func (p *Pool) Get() interface{}
    func (p *Pool) Put(x interface{})
    New func() interface{}

Get返回Pool中的任意一个对象。如果Pool为空，则调用New返回一个新创建的对象。如果没有设置New，则返回nil。

还有一个重要的特性是，放进Pool中的对象，会在说不准什么时候被回收掉。所以如果事先Put进去100个对象，下次Get的时候发现Pool是空也是有可能的。不过这个特性的一个好处就在于不用担心Pool会一直增长，因为Go已经帮你在Pool中做了回收机制。之前我用Channel实现过一个类似接口的Pool，看到这个官方版本之后果断就抛弃了。

下面说说Pool的实现：

1.定时清理

文档上说，保存在Pool中的对象会在没有任何通知的情况下被自动移除掉。实际上，这个清理过程是在每次垃圾回收之前做的。垃圾回收是固定两分钟触发一次。而且每次清理会将Pool中的所有对象都清理掉！（我在看源码之前还以为会按照使用频率清理一部分…）所以如果Pool中的对象数量很多也会拖慢垃圾回收的时间。

var (
	allPoolsMu Mutex
	allPools   []*Pool
)

func poolCleanup() {
	// This function is called with the world stopped, at the beginning of a garbage collection.
	// It must not allocate and probably should not call any runtime functions.
	// Defensively zero out everything, 2 reasons:
	// 1. To prevent false retention of whole Pools.
	// 2. If GC happens while a goroutine works with l.shared in Put/Get,
	//    it will retain whole Pool. So next cycle memory consumption would be doubled.
	for i, p := range allPools {
		allPools[i] = nil
		for i := 0; i < int(p.localSize); i++ {
			l := indexLocal(p.local, i)
			l.private = nil
			for j := range l.shared {
				l.shared[j] = nil
			}
			l.a = nil
		}
	}
	allPools = []*Pool{}
}

func init() {
	runtime_registerPoolCleanup(poolCleanup)
}

有一个全局变量allPools保存了所有被创建出来的Pool对象，并注册了一个poolCleanup函数回调给runtime，这个函数将会在每次垃圾回收之前调用。

2.如何管理数据

先看看两个数据结构

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

	// New optionally specifies a function to generate
	// a value when Get would otherwise return nil.
	// It may not be changed concurrently with calls to Get.
	New func() interface{}
}

// Local per-P Pool appendix.
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.
}

Pool是提供给外部使用的对象。其中的local成员的真实类型是一个poolLocal数组，localSize是数组长度。poolLocal是真正保存数据的地方。priveate保存了一个临时对象，shared是保存临时对象的数组。

为什么Pool中需要这么多poolLocal对象呢？实际上，Pool是给每个线程分配了一个poolLocal对象。也就是说local数组的长度，就是工作线程的数量(size := runtime.GOMAXPROCS(0))。当多线程在并发读写的时候，通常情况下都是在自己线程的poolLocal中存取数据。当自己线程的poolLocal中没有数据时，才会尝试加锁去其他线程的poolLocal中“偷”数据。

func (p *Pool) Get() interface{} {
	if raceenabled {
		if p.New != nil {
			return p.New()
		}
		return nil
	}
	l := p.pin()  // 获取当前线程的poolLocal对象，也就是p.local[pid]。
	x := l.private
	l.private = nil
	runtime_procUnpin()
	if x != nil {
		return x
	}
	l.Lock()
	last := len(l.shared) - 1
	if last >= 0 {
		x = l.shared[last]
		l.shared = l.shared[:last]
	}
	l.Unlock()
	if x != nil {
		return x
	}
	return p.getSlow()
}

Pool.Get的时候，首先会在local数组中获取当前线程对应的poolLocal对象。如果private中有数据，则取出来直接返回。如果没有则先锁住shared，有数据则直接返回。

为什么这里要锁住。答案在getSlow中。因为当shared中没有数据的时候，会尝试去其他的poolLocal的shared中偷数据。

func (p *Pool) getSlow() (x interface{}) {
	// See the comment in pin regarding ordering of the loads.
	size := atomic.LoadUintptr(&p.localSize) // load-acquire
	local := p.local                         // load-consume
	// Try to steal one element from other procs.
	pid := runtime_procPin()
	runtime_procUnpin()
	for i := 0; i < int(size); i++ {
		l := indexLocal(local, (pid+i+1)%int(size))
		l.Lock()
		last := len(l.shared) - 1
		if last >= 0 {
			x = l.shared[last]
			l.shared = l.shared[:last]
			l.Unlock()
			break
		}
		l.Unlock()
	}

	if x == nil && p.New != nil {
		x = p.New()
	}
	return x
}

Go语言的goroutine虽然可以创建很多，但是真正能物理上并发运行的goroutine数量是有限的，是由runtime.GOMAXPROCS(0)设置的。所以这个Pool高效的设计的地方就在于将数据分散在了各个真正并发的线程中，每个线程优先从自己的poolLocal中获取数据，很大程度上降低了锁竞争。

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