Go sync.Pool

1 sync.Pool 的使用场景

一句话总结：保存和复用临时对象，减少内存分配，降低 GC 压力。

举个简单的例子：

type Student struct {
    Name   string
    Age    int32
    Remark [1024]byte
}

var buf, _ = json.Marshal(Student{Name: "Geektutu", Age: 25})

func unmarsh() {
    stu := &Student{}
    json.Unmarshal(buf, stu)
}

json 的反序列化在文本解析和网络通信过程中非常常见，当程序并发度非常高的情况下，短时间内需要创建大量的临时对象。而这些对象是都是分配在堆上的，会给 GC 造成很大压力，严重影响程序的性能。

Go 语言从 1.3 版本开始提供了对象重用的机制，即 sync.Pool。sync.Pool 是可伸缩的，同时也是并发安全的，其大小仅受限于内存的大小。sync.Pool 用于存储那些被分配了但是没有被使用，而未来可能会使用的值。这样就可以不用再次经过内存分配，可直接复用已有对象，减轻 GC 的压力，从而提升系统的性能。

sync.Pool 的大小是可伸缩的，高负载时会动态扩容，存放在池中的对象如果不活跃了会被自动清理。

2 如何使用

sync.Pool 的使用方式非常简单：

2.1 声明对象池

只需要实现 New 函数即可。对象池中没有对象时，将会调用 New 函数创建。

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

2.2 Get & Put

stu := studentPool.Get().(*Student)
json.Unmarshal(buf, stu)
studentPool.Put(stu)

Get() 用于从对象池中获取对象，因为返回值是 interface{}，因此需要类型转换。
Put() 则是在对象使用完毕后，返回对象池。

3 性能测试

3.1 struct 反序列化

func BenchmarkUnmarshal(b *testing.B) {
    for n := 0; n < b.N; n++ {
        stu := &Student{}
        json.Unmarshal(buf, stu)
    }
}

func BenchmarkUnmarshalWithPool(b *testing.B) {
    for n := 0; n < b.N; n++ {
        stu := studentPool.Get().(*Student)
        json.Unmarshal(buf, stu)
        studentPool.Put(stu)
    }
}

测试结果如下：

$ go test -bench . -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example/hpg-sync-pool
BenchmarkUnmarshal-8           1993   559768 ns/op   5096 B/op 7 allocs/op
BenchmarkUnmarshalWithPool-8   1976   550223 ns/op    234 B/op 6 allocs/op
PASS
ok      example/hpg-sync-pool   2.334s

在这个例子中，因为 Student 结构体内存占用较小，内存分配几乎不耗时间。而标准库 json 反序列化时利用了反射，效率是比较低的，占据了大部分时间，因此两种方式最终的执行时间几乎没什么变化。但是内存占用差了一个数量级，使用了 sync.Pool 后，内存占用仅为未使用的 234/5096 = 1/22，对 GC 的影响就很大了。

3.2 bytes.Buffer

var bufferPool = sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        return &bytes.Buffer{}
    },
}

var data = make([]byte, 10000)

func BenchmarkBufferWithPool(b *testing.B) {
    for n := 0; n < b.N; n++ {
        buf := bufferPool.Get().(*bytes.Buffer)
        buf.Write(data)
        buf.Reset()
        bufferPool.Put(buf)
    }
}

func BenchmarkBuffer(b *testing.B) {
    for n := 0; n < b.N; n++ {
        var buf bytes.Buffer
        buf.Write(data)
    }
}

测试结果如下：

BenchmarkBufferWithPool-8    8778160    133 ns/op       0 B/op   0 allocs/op
BenchmarkBuffer-8             906572   1299 ns/op   10240 B/op   1 allocs/op

这个例子创建了一个 bytes.Buffer 对象池，而且每次只执行一个简单的 Write 操作，存粹的内存搬运工，耗时几乎可以忽略。而内存分配和回收的耗时占比较多，因此对程序整体的性能影响更大。

4 在标准库中的应用

4.1 fmt.Printf

Go 语言标准库也大量使用了 sync.Pool，例如 fmt 和 encoding/json。

以下是 fmt.Printf 的源代码(go/src/fmt/print.go)：

// go 1.13.6

// pp is used to store a printer's state and is reused with sync.Pool to avoid allocations.
type pp struct {
    buf buffer
    ...
}

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

// newPrinter allocates a new pp struct or grabs a cached one.
func newPrinter() *pp {
    p := ppFree.Get().(*pp)
    p.panicking = false
    p.erroring = false
    p.wrapErrs = false
    p.fmt.init(&p.buf)
    return p
}

// free saves used pp structs in ppFree; avoids an allocation per invocation.
func (p *pp) free() {
    if cap(p.buf) > 64<<10 {
        return
    }

    p.buf = p.buf[:0]
    p.arg = nil
    p.value = reflect.Value{}
    p.wrappedErr = nil
    ppFree.Put(p)
}

func Fprintf(w io.Writer, format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
    p := newPrinter()
    p.doPrintf(format, a)
    n, err = w.Write(p.buf)
    p.free()
    return
}

// Printf formats according to a format specifier and writes to standard output.
// It returns the number of bytes written and any write error encountered.
func Printf(format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
    return Fprintf(os.Stdout, format, a...)
}

fmt.Printf 的调用是非常频繁的，利用 sync.Pool 复用 pp 对象能够极大地提升性能，减少内存占用，同时降低 GC 压力。