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本文使用的go的源码时14.4
Pool介绍
总所周知Go 是一个自动垃圾回收的编程语言，采用三色并发标记算法标记对象并回收。如果你想使用 Go 开发一个高性能的应用程序的话，就必须考虑垃圾回收给性能带来的影响。因为Go 在垃圾回收的时候会有一个STW（stop-the-world，程序暂停）的时间，并且如果对象太多，做标记也需要时间。
所以如果采用对象池来创建对象，增加对象的重复利用率，使用的时候就不必在堆上重新创建对象可以节省开销。
在Go中，sync.Pool提供了对象池的功能。它对外提供了三个方法：New、Get 和 Put。下面用一个简短的例子来说明一下Pool使用：
var pool *sync.Pool
type Person struct {
Name string
}
func init() {
pool = &sync.Pool{
New: func() interface{}{
fmt.Println("creating a new person")
return new(Person)
},
}
}
func main() {
person := pool.Get().(*Person)
fmt.Println("Get Pool Object：", person)
person.Name = "first"
pool.Put(person)
fmt.Println("Get Pool Object：",pool.Get().(*Person))
fmt.Println("Get Pool Object：",pool.Get().(*Person))
}
结果：
creating a new person
Get Pool Object： &{}
Get Pool Object： &{first}
creating a new person
Get Pool Object： &{}
这里我用了init方法初始化了一个pool，然后get了三次，put了一次到pool中，如果pool中没有对象，那么会调用New函数创建一个新的对象，否则会重put进去的对象中获取。
源码分析
type Pool struct {
noCopy noCopy
local unsafe.Pointer
localSize uintptr
victim unsafe.Pointer
victimSize uintptr
New func() interface{}
}
Pool结构体里面noCopy代表这个结构体是禁止拷贝的，它可以在我们使用 go vet 工具的时候生效；
local是一个poolLocal数组的指针，localSize代表这个数组的大小；同样victim也是一个poolLocal数组的指针，每次垃圾回收的时候，Pool 会把 victim 中的对象移除，然后把 local 的数据给 victim；local和victim的逻辑我们下面会详细介绍到。
New函数是在创建pool的时候设置的，当pool没有缓存对象的时候，会调用New方法生成一个新的对象。
下面我们对照着pool的结构图往下讲，避免找不到北：
type poolLocal struct {
poolLocalInternal
pad [128 - unsafe.Sizeof(poolLocalInternal{})%128]byte
}
local字段存储的是一个poolLocal数组的指针，poolLocal数组大小是goroutine中P的数量，访问时，P的id对应poolLocal数组下标索引，所以Pool的最大个数runtime.GOMAXPROCS(0)。
通过这样的设计，每个P都有了自己的本地空间，多个 goroutine 使用同一个 Pool 时，减少了竞争，提升了性能。如果对goroutine的P、G、M有疑惑的同学不妨看看这篇文章：The Go scheduler。
poolLocal里面有一个pad数组用来占位用，防止在 cache line 上分配多个 poolLocalInternal从而造成false sharing，有关于false sharing可以看看这篇文章：
What’s false sharing and how to solve it ，文中对于false sharing的定义：
That’s what false sharing is: one core update a variable would force other cores to update cache either.
type poolLocalInternal struct {
private interface{} // Can be used only by the respective P.
shared poolChain // Local P can pushHead/popHead; any P can popTail.
}
poolLocalInternal包含两个字段private和shared。
private代表缓存的一个元素，只能由相应的一个 P 存取。因为一个 P 同时只能执行一个 goroutine，所以不会有并发的问题；
shared则可以由任意的 P 访问，但是只有本地的 P 才能 pushHead/popHead，其它 P 可以 popTail。
type poolChain struct {
head *poolChainElt
tail *poolChainElt
}
type poolChainElt struct {
poolDequeue
next, prev *poolChainElt
}
type poolDequeue struct {
headTail uint64
vals []eface
}
poolChain是一个双端队列，里面的head和tail分别指向队列头尾；poolDequeue里面存放真正的数据，是一个单生产者、多消费者的固定大小的无锁的环状队列，headTail是环状队列的首位位置的指针，可以通过位运算解析出首尾的位置，生产者可以从 head 插入、head 删除，而消费者仅可从 tail 删除。
这个双端队列的模型大概是这个样子：
poolDequeue里面的环状队列大小是固定的，后面分析源码我们会看到，当环状队列满了的时候会创建一个size是原来两倍大小的环状队列。大家这张图好好体会一下，会反复用到。
Get方法
func (p *Pool) Get() interface{} {
...
//1.把当前goroutine绑定在当前的P上
l, pid := p.pin()
//2.优先从local的private中获取
x := l.private
l.private = nil
if x == nil {
//3，private没有，那么从shared的头部获取
x, _ = l.shared.popHead()
//4. 如果都没有，那么去别的local上去偷一个
if x == nil {
x = p.getSlow(pid)
}
}
//解除抢占
runtime_procUnpin()
...
//5. 如果没有获取到，尝试使用New函数生成一个新的
if x == nil && p.New != nil {
x = p.New()
}
return x
}
-
这一段代码首先会将当前goroutine绑定在当前的P上返回对应的local，然后尝试从local的private中获取，然后需要把private字段置空，因为已经拿到了想要的对象；
-
private中获取不到，那么就去shared的头部获取；
-
shared也没有，那么尝试遍历所有的 local，尝试从它们的 shared 弹出一个元素；
-
最后如果还是没有，那么就直接调用预先设置好的 New 函数，创建一个出来。
pin
func (p *Pool) pin() (*poolLocal, int) {
pid := runtime_procPin()
s := atomic.LoadUintptr(&p.localSize) // load-acquire
l := p.local // load-consume
if uintptr(pid) < s {
return indexLocal(l, pid), pid
}
return p.pinSlow()
}
pin方法里面首先会调用runtime_procPin方法会先获取当前goroutine，然后绑定到对应的M上，然后返回M目前绑定的P的id，因为这个pid后面会用到，防止在使用途中P被抢占，具体的细节可以看这篇：https://zhuanlan.zhihu.com/p/99710992。
接下来会使用原子操作取出localSize，如果当前pid大于localSize，那么就表示Pool还没创建对应的poolLocal，那么调用pinSlow进行创建工作，否则调用indexLocal取出pid对应的poolLocal返回。
func indexLocal(l unsafe.Pointer, i int) *poolLocal {
lp := unsafe.Pointer(uintptr(l) + uintptr(i)*unsafe.Sizeof(poolLocal{}))
return (*poolLocal)(lp)
}
indexLocal里面是使用了地址操作，传入的i是数组的index值，所以需要获取poolLocal{}的size做一下地址的位移操作，然后再转成转成poolLocal地址返回。
pinSlow
func (p *Pool) pinSlow() (*poolLocal, int) {
// 解除pin
runtime_procUnpin()
// 加上全局锁
allPoolsMu.Lock()
defer allPoolsMu.Unlock()
// pin住
pid := runtime_procPin()
s := p.localSize
l := p.local
// 重新对pid进行检查
if uintptr(pid) < s {
return indexLocal(l, pid), pid
}
// 初始化local前会将pool放入到allPools数组中
if p.local == nil {
allPools = append(allPools, p)
}
// 当前P的数量
size := runtime.GOMAXPROCS(0)
local := make([]poolLocal, size)
atomic.StorePointer(&p.local, unsafe.Pointer(&local[0]))
atomic.StoreUintptr(&p.localSize, uintptr(size))
return &local[pid], pid
}
因为allPoolsMu是一个全局Mutex锁，因此上锁会比较慢可能被阻塞，所以上锁前调用runtime_procUnpin方法解除pin的操作；
在解除绑定后，pinSlow 可能被其他的线程调用过了，p.local 可能会发生变化。因此这时候需要再次对 pid 进行检查。
最后初始化local，并使用原子操作对local和localSize设值，返回当前P对应的local。
到这里pin方法终于讲完了。画一个简单的图描述一下这整个流程：
下面我们再回到Get方法中往下走，代码我再贴一遍，以便阅读：
func (p *Pool) Get() interface{} {
...
//2.优先从local的private中获取
x := l.private
l.private = nil
if x == nil {
//3，private没有，那么从shared的头部获取
x, _ = l.shared.popHead()
//4. 如果都没有，那么去别的local上去偷一个
if x == nil {
x = p.getSlow(pid)
}
}
...
return x
}
如果private中没有值，那么会调用shared的popHead方法获取值。
popHead
func (c *poolChain) popHead() (interface{}, bool) {
// 这里头部是一个poolChainElt
d := c.head
// 遍历poolChain链表
for d != nil {
// 从poolChainElt的环状列表中获取值
if val, ok := d.popHead(); ok {
return val, ok
}
// load poolChain下一个对象
d = loadPoolChainElt(&d.prev)
}
return nil, false
}
popHead方法里面会获取到poolChain的头结点，不记得poolChain数据结构的同学建议往上面翻一下再回来。
接着有个for循环会挨个从poolChain的头结点往下遍历，直到获取对象返回。
func (d *poolDequeue) popHead() (interface{}, bool) {
var slot *eface
for {
ptrs := atomic.LoadUint64(&d.headTail)
// headTail的高32位为head，低32位为tail
head, tail := d.unpack(ptrs)
// 首尾相等，那么这个队列就是空的
if tail == head {
return nil, false
}
// 这里需要head--之后再获取slot
head--
ptrs2 := d.pack(head, tail)
if atomic.CompareAndSwapUint64(&d.headTail, ptrs, ptrs2) {
slot = &d.vals[head&uint32(len(d.vals)-1)]
break
}
}
val := *(*interface{})(unsafe.Pointer(slot))
// 说明没取到缓存的对象，返回 nil
if val == dequeueNil(nil) {
val = nil
}
// 重置slot
*slot = eface{}
return val, true
}
-
poolDequeue的popHead方法首先会获取到headTail的值，然后调用unpack解包，headTail是一个64位的值，高32位表示head，低32位表示tail。
-
判断head和tail是否相等，相等那么这个队列就是空的；
-
如果队列不是空的，那么将head减一之后再使用，因为head当前指的位置是空值，表示下一个新对象存放的位置；
-
CAS重新设值新的headTail，成功之后获取slot，这里因为vals大小是2的n 次幂，因此
len(d.vals)-1)之后低n位全是1，和head取与之后可以获取到head的低n位的值； -
如果slot所对应的对象是dequeueNil，那么表示是空值，直接返回，否则将slot指针对应位置的值置空，返回val。
如果shared的popHead方法也没获取到值，那么就需要调用getSlow方法获取了。
getSlow
func (p *Pool) getSlow(pid int) interface{} {
size := atomic.LoadUintptr(&p.localSize) // load-acquire
locals := p.local // load-consume
// 遍历locals列表，从其他的local的shared列表尾部获取对象
for i := 0; i < int(size); i++ {
l := indexLocal(locals, (pid+i+1)%int(size))
if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {
return x
}
}
size = atomic.LoadUintptr(&p.victimSize)
if uintptr(pid) >= size {
return nil
}
locals = p.victim
l := indexLocal(locals, pid)
// victim的private不为空则返回
if x := l.private; x != nil {
l.private = nil
return x
}
// 遍历victim对应的locals列表，从其他的local的shared列表尾部获取对象
for i := 0; i < int(size); i++ {
l := indexLocal(locals, (pid+i)%int(size))
if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {
return x
}
}
// 获取不到，将victimSize置为0
atomic.StoreUintptr(&p.victimSize, 0)
return nil
}
getSlow方法会遍历locals列表，这里需要注意的是，遍历是从索引为 pid+1 的 poolLocal 处开始，尝试调用shared的popTail方法获取对象；如果没有拿到，则从 victim 里找。如果都没找到，那么就将victimSize置为0，下次就不找victim了。
poolChain&popTail
func (c *poolChain) popTail() (interface{}, bool) {
d := loadPoolChainElt(&c.tail)
// 如果最后一个节点是空的，那么直接返回
if d == nil {
return nil, false
}
for {
// 这里获取的是next节点，与一般的双向链表是相反的
d2 := loadPoolChainElt(&d.next)
// 获取尾部对象
if val, ok := d.popTail(); ok {
return val, ok
}
if d2 == nil {
return nil, false
}
// 因为d已经没有数据了，所以重置tail为d2，并删除d2的上一个节点
if atomic.CompareAndSwapPointer((*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&c.tail)), unsafe.Pointer(d), unsafe.Pointer(d2)) {
storePoolChainElt(&d2.prev, nil)
}
d = d2
}
}
- 判断poolChain，如果最后一个节点是空的，那么直接返回；
- 进入for循环，获取tail的next节点，这里需要注意的是这个双向链表与一般的链表是反向的，不清楚的可以再去看看第一张图；
- 调用popTail获取poolDequeue列表的对象，有对象直接返回；
- d2为空则表示已经遍历完整个poolChain双向列表了，都为空，那么直接返回；
- 通过CAS将tail重置为d2，因为d已经没有数据了，并将d2的prev节点置为nil，然后将d置为d2，进入下一个循环；
poolDequeue&popTail
func (d *poolDequeue) popTail() (interface{}, bool) {
var slot *eface
for {
ptrs := atomic.LoadUint64(&d.headTail)
// 和pophead一样，将headTail解包
head, tail := d.unpack(ptrs)
// 首位相等，表示列表中没有数据，返回
if tail == head {
return nil, false
}
ptrs2 := d.pack(head, tail+1)
// CAS重置tail位置
if atomic.CompareAndSwapUint64(&d.headTail, ptrs, ptrs2) {
// 获取tail位置对象
slot = &d.vals[tail&uint32(len(d.vals)-1)]
break
}
}
val := *(*interface{})(unsafe.Pointer(slot))
// 判断对象是不是为空
if val == dequeueNil(nil) {
val = nil
}
// 将slot置空
slot.val = nil
atomic.StorePointer(&slot.typ, nil)
return val, true
}
如果看懂了popHead，那么这个popTail方法是和它非常的相近的。
popTail简单来说也是从队列尾部移除一个元素，如果队列为空，返回 false。但是需要注意的是，这个popTail可能会被多个消费者调用，所以需要循环CAS获取对象；在poolDequeue环状列表中tail是有数据的，不必像popHead中head--。
最后，需要将slot置空。
大家可以再对照一下图回顾一下代码：
Put方法
func (p *Pool) Put(x interface{}) {
if x == nil {
return
}
...
l, _ := p.pin()
if l.private == nil {
l.private = x
x = nil
}
if x != nil {
l.shared.pushHead(x)
}
runtime_procUnpin()
...
}
看完了Get方法，看Put方法就容易多了。同样Put方法首先会去Pin住当前goroutine和P，然后尝试将 x 赋值给 private 字段。如果private不为空，那么就调用pushHead将其放入到shared队列中。
poolChain&pushHead
func (c *poolChain) pushHead(val interface{}) {
d := c.head
// 头节点没有初始化，那么设值一下
if d == nil {
const initSize = 8 // Must be a power of 2
d = new(poolChainElt)
d.vals = make([]eface, initSize)
c.head = d
storePoolChainElt(&c.tail, d)
}
// 将对象加入到环状队列中
if d.pushHead(val) {
return
}
newSize := len(d.vals) * 2
// 这里做了限制，单个环状队列不能超过2的30次方大小
if newSize >= dequeueLimit {
newSize = dequeueLimit
}
// 初始化新的环状列表，大小是d的两倍
d2 := &poolChainElt{prev: d}
d2.vals = make([]eface, newSize)
c.head = d2
storePoolChainElt(&d.next, d2)
// push到新的队列中
d2.pushHead(val)
}
如果头节点为空，那么需要创建一个新的poolChainElt对象作为头节点，大小为8；然后调用pushHead放入到环状队列中；
如果放置失败，那么创建一个 poolChainElt 节点，并且双端队列的长度翻倍，当然长度也不能超过dequeueLimit，即2的30次方；
然后将新的节点d2和d互相绑定一下，并将d2设值为头节点，将传入的对象push到d2中；
poolDequeue&pushHead
func (d *poolDequeue) pushHead(val interface{}) bool {
ptrs := atomic.LoadUint64(&d.headTail)
// 解包headTail
head, tail := d.unpack(ptrs)
// 判断队列是否已满
if (tail+uint32(len(d.vals)))&(1<<dequeueBits-1) == head {
return false
}
// 找到head的槽位
slot := &d.vals[head&uint32(len(d.vals)-1)]
// 检查slot是否和popTail有冲突
typ := atomic.LoadPointer(&slot.typ)
if typ != nil {
return false
}
if val == nil {
val = dequeueNil(nil)
}
// 将 val 赋值到 slot，并将 head 指针值加 1
*(*interface{})(unsafe.Pointer(slot)) = val
atomic.AddUint64(&d.headTail, 1<<dequeueBits)
return true
}
首先通过位运算判断队列是否已满，也就是将尾部指针加上 len(d.vals) ，因为head指向的是将要被填充的位置，所以head和tail位置是相隔len(d.vals)，然后再取低 31 位，看它是否和 head 相等。如果队列满了，直接返回 false；
然后找到找到head的槽位slot，并判断typ是否为空，因为popTail 是先设置 val，再将 typ 设置为 nil，所以如果有冲突，那么直接返回；
最后设值slot，并将head加1返回；
GC
在pool.go文件的 init 函数里，注册了 GC 发生时，如何清理 Pool 的函数:
func init() {
runtime_registerPoolCleanup(poolCleanup)
}
func poolCleanup() {
for _, p := range oldPools {
p.victim = nil
p.victimSize = 0
}
for _, p := range allPools {
p.victim = p.local
p.victimSize = p.localSize
p.local = nil
p.localSize = 0
}
oldPools, allPools = allPools, nil
}
poolCleanup 会在 STW 阶段被调用。主要是将 local 和 victim 作交换，那么不至于GC 把所有的 Pool 都清空了，而是需要两个 GC 周期才会被释放。如果 sync.Pool 的获取、释放速度稳定，那么就不会有新的池对象进行分配。
总结
Pool这个概念在后台优化中是一个非常重要的手段，比如说在使用Http的时候会使用Http连接池，使用数据库的时候，也会用到数据库连接池。这些通过对象重用和预先分配可以减少服务器的压力。
当我们在后期的项目开发中，如果发现GC耗时很高，有大量临时对象时不妨可以考虑使用Pool。
例如发现现系统中的 goroutine 数量非常多，由于一个goroutine初始栈是2048字节，所以一个服务器上运行数十万的goroutine 也是非常耗时的；这时候就可以考虑使用Worker Pool 来减少 goroutine 的使用。
Reference
https://zhuanlan.zhihu.com/p/99710992
https://morsmachine.dk/go-scheduler
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