阅读项目代码的时候发现很多地方用到了golang的sync.pool，所以好奇golang的sync.pool底层实现是什么样的，有哪些优化。
本文是基于go1.13.8，做讲解。
目录
介绍
Pool翻译过来就是池子，主要功能就是: 需要使用某个Object的时候可以从Pool获取，使用完毕再归还，从而减少创建和销毁Object的开销。而本文讲的就是golang中的Pool源码实现。
用法
千万不要想当然的认为put进去的Object和get出来的Object有什么关系，Pool存的Object在GC时会都清理掉
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
type Book struct {
Name string
Info map[string]string
}
func NewBook() interface{} {
return &Book{
Name: "",
Info: make(map[string]string),
}
}
func main() {
// 创建pool并定义创建object的函数
bookPool := sync.Pool{New:NewBook}
// 从pool获取object
a := bookPool.Get().(*Book)
a.Name = "go"
a.Info["a"] = "b"
fmt.Println(a)
// 放回pool
bookPool.Put(a)
}
结构图
实现细节
- Pool实现源码是这两个文件go/src/sync/pool.go, go/src/sync/poolqueue.go
数据结构——从下往上讲一下Pool底层存储是如何实现
eface
// 存储元素的结构体，类型指针和值指针
type eface struct {
typ, val unsafe.Pointer
}
Pool底层用eface来存储单个Object, 包括typ指针: Object的类型，val指针: Object的值
poolDequeue
poolDequeue是一个无锁、固定大小的单生产端多消费端的环形队列，单一producer可以在头部push和pop(可能和传统队列头部只能push的定义不同)，多consumer可以在尾部pop
- headTail:
[hhhhhhhh hhhhhhhh hhhhhhhh hhhhhhhh tttttttt tttttttt tttttttt tttttttt]
1. headTail表示下标，高32位表示头下标，低32位表示尾下标，poolDequeue定义了，head tail的pack和unpack函数方便转化，
实际用的时候都会mod ( len(vals) - 1 ) 来防止溢出
2. head和tail永远只用32位表示，溢出后会从0开始，这也满足循环队列的设计
3. 队列为空的条件 tail == head
4. 队列满的条件 (tail+uint32(len(d.vals)))&(1<<dequeueBits-1) == head tail加上队列长度和head相等(实际上就是队列已有的空间都有值了,满了)
- vals:
-
poolDequeue是被poolChain使用，poolChain使用poolDequeue时
a) 初始化vals长度为8，vals长度必须是2的幂
b) 当队列满时，vals长度*2，最大扩展到 dequeueLimit = (1 << 32) / 4 = (1 << 30)，之后就不会扩展了 -
为什么vals长度必须是2的幂
这是因为go的内存管理策略是将内存分为2的幂大小的链表，申请2的幂大小的内存可以有效减小分配内存的开销 -
为什么dequeueLimit是(1 << 32) / 4 = 1 << 30
a) dequeueLimit 必须是2的幂(上边解释过)
b) head和tail都是32位，最大是1 << 31，如果都用的话，head和tail就是无符号整型，无符号整型使用的时候会有很多上溢的错误，这类错误是不容易检测的，所以相比之下还不如用31位有符号整型，有错就报出来，结论参考https://stackoverrun.com/cn/q/10770747
type poolDequeue struct {
headTail uint64
vals []eface
}
// poolDequeue成员函数
// 这里的删除操作，是将指针置空，然后让GC来回收内存空间
unpack 将headTail分解为head和tail
pack 将head和tail组合成headTail
pushHead 添加元素到队首
popHead 获取并删除队首元素
popTail 获取并删除队尾元素
PushHead 添加元素到队首
PopHead 获取并删除队首元素
PopTail 获取并删除队尾元素
poolChainElt
链表的一个节点 Node
type poolChainElt struct {
poolDequeue
// next and prev link to the adjacent poolChainElts in this
// poolChain.
//
// next is written atomically by the producer and read
// atomically by the consumer. It only transitions from nil to
// non-nil.
//
// prev is written atomically by the consumer and read
// atomically by the producer. It only transitions from
// non-nil to nil.
next, prev *poolChainElt
}
poolChain
poolChain 是动态版的poolDequeue
head(poolDequeue)[prev] --> <--- next[prev] ---> <---[next]tail(poolDequeue)
动态的队列，队列每个节点又是一个环形队列(poolDequeue)
type poolChain struct {
// 头指针，只能单一producer操作(push, pop)
head *poolChainElt
// 尾指针，可以被多个consumer pop，必须是原子操作
tail *poolChainElt
}
// poolChain成员函数
func (c *poolChain) pushHead(val interface{})
1. 如果head为nil，说明队列现在是空的，那么新建一个节点，将head和tail都指向这个节点
2. 将val push到head的环形队列中，如果push成功了，可以返回了
3. 如果没push成功，则说明head的环形队列满了，就再创建一个两倍head大小的节点[最大(1 << 32) / 4]，
将新节点作为head，并且处理好新head和旧head的next，prev关系
4. 将val push到head的环形队列中
func (c *poolChain) popHead()
1. 先在head环形队列中popHead试试，如果空了，当前节点就没用了，就删掉当前节点，去prev节点并且把prev节点作为新head再取一值递归下去，
能取到就返回，取不到说明队列空了
func (c *poolChain) popTail()
1. 如果tail为nil，说明队列是空的，直接返回
2. 如果tail非nil，就取取试试，有东西就返回
3. 如果没取出来东西，那么说明tail节点没存东西了，递归去prev节点环形队列中popTail，并且把prev节点作为tail，能取到就返回，取不到就是空了
poolLocal
- poolLocal是每个调度器(P)存Object的结构体
- private是每个调度器私有的，shared是所有调度器公有的，每个调度器pop时的逻辑是: 先看private，没有在看自己的shared，再没有就去其他调度器的shared偷，再没有才是空
- pad是防止伪共享，参考https://www.cnblogs.com/cyfonly/p/5800758.html
type poolLocal struct {
poolLocalInternal
// Prevents false sharing on widespread platforms with
// 128 mod (cache line size) = 0 .
pad [128 - unsafe.Sizeof(poolLocalInternal{})%128]byte
}
// Local per-P Pool appendix.
// 当前调度器的内部资源
type poolLocalInternal struct {
// 当前调度器的私有资源
private interface{} // Can be used only by the respective P.
// 所有调度器的公有资源
shared poolChain // Local P can pushHead/popHead; any P can popTail.
}
主要函数
Put
Put adds x to the pool.
- 首先关闭竞争检测，然后会将当前goroutine固定到一个调度器(P)上，且不允许抢占
- 从Pool的local中取出来当前goroutine固定到那个调度器(P)对应的poolLocal, 没有就新建
- 先判断这个当前调度器(P)专属poolLocal，私有空间是不是空的，如果是把x放到私有空间，并把x置nil
- 判断x是否为nil，如果不为空说明私有空间满了，就push到该调度器专属poolLocal的shared head
- 允许抢占，开启竞争检测
func (p *Pool) Put(x interface{}) {
// 如果put进来的值为空直接返回
if x == nil {
return
}
// 关闭竞争检测
if race.Enabled {
if fastrand()%4 == 0 {
// Randomly drop x on floor.
return
}
race.ReleaseMerge(poolRaceAddr(x))
race.Disable()
}
//
l, _ := p.pin()
if l.private == nil {
l.private = x
x = nil
}
if x != nil {
l.shared.pushHead(x)
}
runtime_procUnpin()
if race.Enabled {
race.Enable()
}
}
把当前的goroutine固定到调度器(P)，不允许抢占, 返回该调度器(P)对应的poolLocal和调度器(P)ID
运行时调度器的三个重要组成部分 — 线程 M、Goroutine G 和调度器 P(负责调度)
判断pid是否小于[]poolLocal的长度，小于的话就在取出poolLocal[P]返回，否则就去执行pinSlow函数
Caller must call runtime_procUnpin() when done with the pool.
func (p *Pool) pin() (*poolLocal, int) {
// 关闭抢占，等这个goroutine工作完，其他goroutine才能获得时间片工作
pid := runtime_procPin()
// In pinSlow we store to local and then to localSize, here we load in opposite order.
// Since we've disabled preemption, GC cannot happen in between.
// Thus here we must observe local at least as large localSize.
// We can observe a newer/larger local, it is fine (we must observe its zero-initialized-ness).
s := atomic.LoadUintptr(&p.localSize) // load-acquire
l := p.local // load-consume
if uintptr(pid) < s {
return indexLocal(l, pid), pid
}
return p.pinSlow()
}
当goroutine固定到的调度器(P)没有poolLocal时，pins() 函数就会调用pinSlow() 来重新固定到其他调度器(P)，
如果新固定到的调度器(P)还是没有poolLocal，就给该调度器创建一个poolLocal放到Pool的local中
- 打开抢占并且pool加锁然后关闭抢占，这里如果不先打开抢占的话，其他goroutine如果之前获得锁了，但不能运行，当前goroutine在获取锁，就会死锁
- 如果判断pid和len([]poolLocal)的关系，小于就返回[PID]poolLocal
- 如果此Pool的[]poolLocal是空的，就把Pool加到allPools中
- 获得当前cpu的数量，创建一个cpu数量大小的[]poolLocal
func (p *Pool) pinSlow() (*poolLocal, int) {
runtime_procUnpin()
allPoolsMu.Lock()
defer allPoolsMu.Unlock()
pid := runtime_procPin()
// poolCleanup won't be called while we are pinned.
s := p.localSize
l := p.local
if uintptr(pid) < s {
return indexLocal(l, pid), pid
}
if p.local == nil {
allPools = append(allPools, p)
}
// If GOMAXPROCS changes between GCs, we re-allocate the array and lose the old one.
size := runtime.GOMAXPROCS(0)
local := make([]poolLocal, size)
atomic.StorePointer(&p.local, unsafe.Pointer(&local[0])) // store-release
atomic.StoreUintptr(&p.localSize, uintptr(size)) // store-release
return &local[pid], pid
}
Get
从Pool中获取对象，然后返回，如果Pool为空的就用New来创建
不要假设Put进来的对象和Get得到的对象有什么关系
- 关掉竞争检测
- 将goroutine固定到一个调度器(P), 并获取他的poolLocal和PID
- 判断该调度器(P)的poolLocal的私有空间是不是空的，如果是空的，就从该调度器(P)的poolLocal shared空间头
pop一下看有没有 - 如果没有，就说明该调度器(P)自己的poolLocal没有对象了，就调用getSlow
func (p *Pool) Get() interface{} {
if race.Enabled {
race.Disable()
}
l, pid := p.pin()
x := l.private
l.private = nil
if x == nil {
// Try to pop the head of the local shard. We prefer
// the head over the tail for temporal locality of
// reuse.
x, _ = l.shared.popHead()
if x == nil {
x = p.getSlow(pid)
}
}
runtime_procUnpin()
if race.Enabled {
race.Enable()
if x != nil {
race.Acquire(poolRaceAddr(x))
}
}
if x == nil && p.New != nil {
x = p.New()
}
return x
}
懒获取函数
- 取到Pool的localSize和local
- 然后遍历其他调度器(P)对应的poolLocal，看看能不能从对应poolLocal中的shared tail中取出对象, 如果能取到，直接返回
- 如果取不到就到victim中查询，有就返回，没有调用New创建一个新的Object返回
func (p *Pool) getSlow(pid int) interface{} {
// See the comment in pin regarding ordering of the loads.
size := atomic.LoadUintptr(&p.localSize) // load-acquire
locals := p.local // load-consume
// Try to steal one element from other procs.
for i := 0; i < int(size); i++ {
l := indexLocal(locals, (pid+i+1)%int(size))
if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {
return x
}
}
// Try the victim cache. We do this after attempting to steal
// from all primary caches because we want objects in the
// victim cache to age out if at all possible.
size = atomic.LoadUintptr(&p.victimSize)
if uintptr(pid) >= size {
return nil
}
locals = p.victim
l := indexLocal(locals, pid)
if x := l.private; x != nil {
l.private = nil
return x
}
for i := 0; i < int(size); i++ {
l := indexLocal(locals, (pid+i)%int(size))
if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {
return x
}
}
// Mark the victim cache as empty for future gets don't bother
// with it.
atomic.StoreUintptr(&p.victimSize, 0)
return nil
}
附录
pool.dot
digraph {
bgcolor="#C6CFD532";
node [shape=record, fontsize="8", margin="0.04", height=0.2, color=gray]
edge [fontname="Inconsolata, Consolas", fontsize=10, arrowhead=normal]
pool [shape=record,label="{noCopy|<local>local|localSize|<victim>victim|victimSize|New}",xlabel="Pool"]
poolLocal[shape=record,label="{<poolLocalInternal>poolLocalInternal|pad}",xlabel="poolLocal"]
poolLocalInternal[shape=record,label="{private|<shared>shared}",xlabel="poolLocalInternal"]
poolChain[shape=record,label="{<head>head|<tail>tail}",xlabel="poolChain"]
poolChainElt[shape=record,label="{<poolDequeue>poolDequeue|next|prev}",xlabel="poolChainElt"]
poolDequeue[shape=record,label="{headTail|<vals>vals}",xlabel="poolDequeue"]
eface[shape=record,label="{typ|val}",xlabel="eface"]
victim[shape=record,label="GC的时候，首先把local中每个处理器(P)对应的poolLocal赋给victim，然后清空local，所以victim就是缓存GC前的local",xlabel="victim"]
pool:local -> poolLocal [label="local指针指向[]poolLocal首地址",rankdir=LR]
poolLocal:poolLocalInternal -> poolLocalInternal
poolLocalInternal:shared -> poolChain[label="shared是一个队列"]
poolChain:head -> poolChainElt[label="head和tail是队列的收尾节点指针"]
poolChain:tail -> poolChainElt
poolChainElt:poolDequeue -> poolDequeue[label="poolDequeue是一个环形队列"]
poolDequeue:vals -> eface[label="eface存储Object的结构体，typ和val是Object的类型和值指针"]
pool:victim -> victim
}