Go 并发控制：sync.Pool 详解

sync.Pool 是 Go 并发原语中用于对象池化的工具，主要用于缓存和复用临时对象，以减少内存分配和垃圾回收的压力。

本文将带大家一起来深入探讨 sync.Pool，包括使用示例和源码解读，让你彻底理解 sync.Pool 的设计。

简介

sync.Pool 核心功能是能够缓存对象，避免其缓存的对象在一定时间内被垃圾回收掉。

因此 sync.Pool 的主要作用也就体现了出来：减少内存分配和回收压力。

如果一个对象被频繁的创建和删除，那么对内存分配和 GC 压力就会比较大，使用 sync.Pool 能够将对象缓存到池中，避免频繁创建和删除对象。

sync.Pool 是一个结构体，其全部公开属性如下：

type Pool
    New func() any
    func (p *Pool) Get() any
    func (p *Pool) Put(x any)

每个属性含义如下：

• New 字段：当池中没有可用对象时，调用 New 函数创建一个新对象。
• Get 方法：从池中获取一个对象。如果池为空，则调用 New 创建新对象。
• Put 方法：将对象放回池中，以便复用。

接下来我们一起来看下 sync.Pool 如何使用。

使用示例

sync.Pool 使用示例如下：

package main

import (
	"bytes"
	"io"
	"os"
	"sync"
	"time"
)

var bufPool = sync.Pool{
	New: func() any {
		// The Pool's New function should generally only return pointer
		// types, since a pointer can be put into the return interface
		// value without an allocation:
		return new(bytes.Buffer)
	},
}

// timeNow is a fake version of time.Now for tests.
func timeNow() time.Time {
	return time.Unix(1136214245, 0)
}

func Log(w io.Writer, key, val string) {
	b := bufPool.Get().(*bytes.Buffer)
	b.Reset()
	// Replace this with time.Now() in a real logger.
	b.WriteString(timeNow().UTC().Format(time.RFC3339))
	b.WriteByte(' ')
	b.WriteString(key)
	b.WriteByte('=')
	b.WriteString(val)
	w.Write(b.Bytes())
	bufPool.Put(b)
}

func main() {
	Log(os.Stdout, "path", "/search?q=flowers")
}

这是 sync.Pool 官方文档中示例代码。

首先，在第 11 行直接通过 sync.Pool{} 语法实例化一个 Pool 对象 bufPool，并且这里还初始化了 New 函数，其返回一个 *bytes.Buffer 对象。

接着，在第 25 行的 Log 函数内部使用了 bufPool，通过 Get 方法得到一个 *bytes.Buffer 类型的对象 b，然后向 b 中写入数据，最后别忘了使用 Put 方法将 *bytes.Buffer 对象“还回去”，将其缓存在池中，以便下次使用。

最后，在 main 函数中调用 Log 函数，并将结果写入标准输出。

执行示例代码，得到输出如下：

$ go run main.go
2006-01-02T15:04:05Z path=/search?q=flowers

根据以上使用示例，我们可以总结 sync.Pool 使用套路：

1. 实例化一个 sync.Pool 对象，并且赋值 New 属性，用户构造缓存对象。
2. 通过 p.Get() 取出对象 obj 使用。
   1. 如果池中有，就直接返回。
   2. 如果没有，调用 New 属性构造函数，构造一个新的对象并返回（如果没有 New 属性，则返回 nil）。
3. 对象使用完成后记得调用 p.Put(obj) 重新放入池中，以便下次使用。

由此可见，sync.Pool 适用于以下场景：

• 频繁创建和销毁的对象：如临时缓冲区。
• 减少内存分配：通过复用对象，减少 GC 压力。
• 无状态对象：池中的对象不应包含与特定上下文相关的状态。

此外，在使用 sync.Pool 时有两点需要我们特别注意：

• 对象重置：从池中获取的对象可能包含之前的状态，使用前需要重置。
• 对象生命周期：池中的对象可能会被 GC 回收，因此不能依赖池中的对象长期存在。

sync.Pool 的设计中有一个比较有意思的点，一个对象被放入池中以后，如果没被使用，则连续两次 GC 后，这个对象一定会被释放。

那么，你是否好奇，sync.Pool 内部是如何实现这一机制的呢？咱们接着往下看，我们一起通过源码来揭开 sync.Pool 的神秘面纱。

实现原理

学习了 sync.Pool 如何使用，接下来我们一起通过阅读源码的方式来深入到 sync.Pool 的原理学习。

sync.Pool 结构体

sync.Pool 是一个结构体，其定义如下：

type Pool struct {
	// 禁止复制
	noCopy noCopy

	// 空闲对象，poolLocal 指针类型
	local unsafe.Pointer
	// 数组大小
	localSize uintptr

	// 回收站
	victim unsafe.Pointer
	// 数组大小
	victimSize uintptr

	// New 是一个可选的函数，调用 Get 方法时，如果缓存池中没有可用对象，则调用此方法生成一个新的值并返回，否则返回 nil
	// 该函数不能在并发调用 Get 时被修改
	New func() any
}

其中 New 属性我们已经使用过了，调用 Get 方法时，如果缓存池中没有可用对象，则调用此方法生成一个新的值并返回。

noCopy 属性用来标记禁止复制，所以我们在拿到 sync.Pool 实例化对象后，记得一定不要让其产生复制操作。

sync.Pool 有两个核心字段分别是 local 和 victim，二者都是 poolLocal 指针类型，用来存储缓存对象。local 是当前 P 本地缓存的对象，而 victim 则可以理解为 Windows 操作系统的“回收站”。

Go 在触发垃圾回收时，sync.Pool 会做两件事：

1. 将所有缓存的 victim 中的对象移除。
2. 把所有缓存的 local 中对象移动到 victim。

进入到 victim 中的对象最终会有两种结果：

1. 当发生 GC 时，对象会被移除。
2. 如果还未发生 GC，而是优先调用了 Get 方法，那么这个对象就会被重新使用。

所以说，victim 就是 Windows 电脑中的“回收站”，我们在电脑中删除文件时，先到回收站，然后在回收站里可以彻底删除。

poolLocal 同样是一个结构体，其定义如下：

type poolLocalInternal struct {
	// 私有对象
	private any
	// 共享队列，这是一个 lock-free 双向队列
	shared poolChain // Local P can pushHead/popHead; any P can popTail.
}

type poolLocal struct {
	poolLocalInternal

	// Prevents false sharing on widespread platforms with
	// 128 mod (cache line size) = 0 .
	pad [128 - unsafe.Sizeof(poolLocalInternal{})%128]byte
}

poolLocal 中包含了 poolLocalInternal 和 pad 两个属性。

其中 pad 属性并不是用来存放数据的，而是用于将 poolLocal 结构体所占用的内存对齐到 128 的整数倍。这是为了解决伪共享（false sharing）问题，以此来独占 CPU 高速缓存的 CacheLine。

而 poolLocalInternal 结构体内部，才是用来存储缓存数据的。其中 private 是一个私有对象，用于记录当前 P 下缓存的对象，shared 是一个双向队列（一个 lock-free 的双向链表结构），用于记录多个 P 中共享的缓存对象，当前 P 能够进行 pushHead/popHead 操作，其他 P 能够进行 popTail 操作，从而在当前 P 中窃取缓存对象。

这里所说的 P 是指 Go GMP 模型中的处理器（P），之所以设计为当前 P 从队头进行读写，其他 P 从队尾进行获取操作，目的是在不加锁的情况下保证并发安全。

sync.Pool 为每个处理器（P）维护一个本地的 poolLocal 结构，其中包含一个 shared 队列。这个 shared 队列的类型是 poolChain，它是一个由多个 poolDequeue 节点组成的双向链表结构。每个 poolDequeue 都是一个固定大小的环形队列（ring buffer），并且每个新节点的容量通常是前一个节点的两倍。

poolDequeue 被设计为一个单生产者（single-producer）/多消费者（multi-consumer） 的无锁队列（lock-free）：

• 生产者：即当前 P，可以执行 pushHead（在头部添加）和 popHead（从头部弹出）操作。
• 消费者：包括当前 P（也可以消费）和其他 P。其他 P只能执行 popTail（从尾部弹出）操作。

对于 poolChain 的介绍就到这里，不再继续深入，避免陷入其中，我们应该继续回到 sync.Pool 本身方法的学习。

Put 方法

Put 方法用于添加一个对象到池中，其实现如下：

// Put 添加一个元素到池中
func (p *Pool) Put(x any) {
	if x == nil { // x 为 nil 直接返回
		return
	}

	// pin() 把当前 goroutine 固定在当前的 P 上
	// 同时返回 local 对象（*poolLocal）和当前 P id
	l, _ := p.pin()

	if l.private == nil {
		l.private = x // 如果 private 为 nil，则直接将 x 赋值给它
	} else {
		l.shared.pushHead(x) // 否则，将 x push 到共享队列队头
	}

	// 将当前 goroutine 从当前 P 上解除固定
	runtime_procUnpin()
}

可以发现，Put 方法实现逻辑相当简单。

其中 p.pin() 和 runtime_procUnpin() 是必须成对出现的调用，有点类似互斥锁的加锁/解锁操作，并且同样是用来解决并发问题的。不同的是，pin 操作更加轻量，p.pin() 能够将当前 goroutine 固定在当前的 P 上。因为在一个 P 上，同一时刻只会运行一个 goroutine，所以，接下来在当前 goroutine 中操作当前 P 上的任何对象都无需加锁，从而避免的并发问题。

调用 p.pin() 能够拿到存储在当前 P 中的 *poolLocal 对象和当前 P ID，有了 *poolLocal 对象，就可以判断 l.private 是否为空，如果值为 nil，那么直接将对象 x 赋值到 private 属性中缓存起来。否则，将对象 x 存储到共享队列 l.shared 中。

最后，记得调用 runtime_procUnpin() 解除 goroutine 和 P 的绑定。

Get 方法

Get 方法用于从池中获取一个对象，其实现如下：

// Get 从 [Pool] 中选择一个任意项，将其从 Pool 中移除，然后返回给调用者。
// Get 可以选择忽略池并将其视为空。
// 调用者不应假设传递给 [Pool.Put] 的值与 Get 返回的值之间存在任何关系。
//
// 如果 Get 返回 nil 且 p.New 非零，则 Get 返回调用 p.New 的结果。
func (p *Pool) Get() any {
	// 把当前 goroutine 固定在当前的 P 上
	// 拿到 local 对象（*poolLocal，该 P 的本地池）和当前 P id
	l, pid := p.pin()

	// 获取当前 P 中的 private
	x := l.private
	l.private = nil
	if x == nil { // private 不存在
		// 尝试从当前 P 的共享队列中弹出空闲对象
		// 因为 shared 队列只有所属的 P 会操作头部（生产者），所以 popHead 操作也无需加锁
		x, _ = l.shared.popHead()
		if x == nil { // 触发慢路径
			// 当前 P 的本地池为空，则尝试从其他 P 窃取或从 victim 缓存获取
			x = p.getSlow(pid)
		}
	}

	// 解除 pin
	runtime_procUnpin()

	if x == nil && p.New != nil {
		x = p.New() // 如果所有缓存都未找到对象，且用户提供了 New 函数，则创建一个新对象
	}
	return x
}

与 Put 方法一样，Get 方法的逻辑也通过 p.pin() 和 runtime_procUnpin() 进行保护。

Get 方法在缓存中获取空闲对象的搜索路径如下：

1. 从 l.private 中获取对象。
2. 从本地共享队列 l.shared 中获取对象。
3. 慢路径（尝试从其他 P 窃取或从 victim 回收站中获取）。

慢路径源码实现如下：

func (p *Pool) getSlow(pid int) any {
	// See the comment in pin regarding ordering of the loads.
	size := runtime_LoadAcquintptr(&p.localSize) // load-acquire
	locals := p.local                            // load-consume

	// 尝试从其他进 P 的共享队列中窃取一个元素
	for i := 0; i < int(size); i++ {
		l := indexLocal(locals, (pid+i+1)%int(size)) // 计算其他 P 的索引
		if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {    // 从尾部窃取
			return x
		}
	}

	// 如果窃取也失败了，则转而检查 victim 缓存
	size = atomic.LoadUintptr(&p.victimSize) // 获取 victim 缓存大小
	if uintptr(pid) >= size {
		return nil
	}
	locals = p.victim
	l := indexLocal(locals, pid)
	if x := l.private; x != nil { // 先检查 victim 的 private
		l.private = nil // 从 victim 中移除后再返回
		return x
	}
	for i := 0; i < int(size); i++ { // 再检查 victim 的 shared
		l := indexLocal(locals, (pid+i)%int(size))
		if x, _ := l.shared.popTail(); x != nil {
			return x
		}
	}

	atomic.StoreUintptr(&p.victimSize, 0) // 标记 victim 为空

	return nil
}

// 根据给定的索引 i，计算出指向 local 数组（[P]poolLocal）中第 i 个 poolLocal 元素的指针
func indexLocal(l unsafe.Pointer, i int) *poolLocal {
	lp := unsafe.Pointer(uintptr(l) + uintptr(i)*unsafe.Sizeof(poolLocal{}))
	return (*poolLocal)(lp)
}

可以发现，getSlow 方法内部会逐个计算其他 P 的索引，然后从对应 P 的共享队列尾部 l.shared.popTail() 窃取缓存对象。

如果遍历完所有 P 的共享缓存，都没能找到缓存对象，则继续检查 victim 中的缓存数据。

如果 victim 的 private 中有数据，则直接返回，否则继续检查 victim 的共享队列，如果 victim 的共享队列中没能找到数据，最终才会返回 nil。

现在 sync.Pool 实现缓存对象的主体逻辑已经串通了，但是还有一点没有串接起来，victim 是何时被赋值的？

pin 操作

要找到 victim 的赋值操作，还需要先理解 pin 方法的内部实现，其实现如下：

// 将当前 goroutine 固定（pin）到其运行的 P（逻辑处理器）上，并返回该 P 对应的本地缓存池 (*poolLocal) 和 P 的 id
// 调用方必须在使用完成后调用 runtime_procUnpin() 取消固定
func (p *Pool) pin() (*poolLocal, int) {
	if p == nil { // 空指针检查
		panic("nil Pool")
	}

	// 固定 P，调用 runtime 函数，禁止当前 G 被抢占，并将其固定到当前 P，同时返回 P 的 id
	// 这是后续无锁操作的基础
	pid := runtime_procPin()
	// 原子加载本地池信息
	s := runtime_LoadAcquintptr(&p.localSize) // load-acquire
	l := p.local                              // load-consume
	if uintptr(pid) < s {                     // 快速路径（常见情况）
		// 如果当前 P 的 id 在 local 数组的有效大小范围内，则通过 indexLocal 函数计算地址，直接返回对应的 poolLocal 和 pid
		return indexLocal(l, pid), pid
	}

	// 慢路径（初始化或扩容）
	return p.pinSlow()
}

// pin 方法的“慢路径”（slow path）
// 负责在特定情况下初始化或重新分配 Pool 的本地存储数组 (local)，
// 并确保该 Pool 被注册到全局的 allPools 列表中以便垃圾回收 (GC) 时进行清理
func (p *Pool) pinSlow() (*poolLocal, int) {
	// Retry under the mutex.
	// Can not lock the mutex while pinned.
	runtime_procUnpin() // 解除当前 G 与 P 的绑定，为获取全局锁做准备

	allPoolsMu.Lock() // 加全局互斥锁，保护对 allPools 和 Pool 的 local 等字段的并发访问
	defer allPoolsMu.Unlock()

	pid := runtime_procPin() // 重新固定 G 到 P
	// poolCleanup won't be called while we are pinned.
	s := p.localSize
	l := p.local
	if uintptr(pid) < s { // 在锁保护下再次检查 local 数组是否已由其他 goroutine 初始化（双重检查锁定模式）
		return indexLocal(l, pid), pid
	}

	// 如果 Pool 尚未注册，则将其添加到 allPools 全局切片中，以便后续 GC 时能执行 poolCleanup 清理其缓存
	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) // 根据当前的 GOMAXPROCS（即 P 的数量）创建一个新的 poolLocal 数组
	// 记录初始化的 poolLocal 数组
	atomic.StorePointer(&p.local, unsafe.Pointer(&local[0])) // store-release
	runtime_StoreReluintptr(&p.localSize, uintptr(size))     // store-release
	return &local[pid], pid                                  // 返回新创建的、当前 P 对应的 *poolLocal 和 P 的 id
}

可以看到，pin 操作也有快慢路径之分，慢路径 p.pinSlow() 一般出现在初始化场景中。

这里，我们需要重点关注的是如下这段代码：

if p.local == nil {
    allPools = append(allPools, p)
}

如果 Pool 尚未注册，即 p.local == nil，则将其添加到 allPools 全局切片变量中，以便后续 GC 时能执行 poolCleanup 操作清理其缓存。

那么这个 allPools 是干什么的？我们接着往下看与 GC 相关的代码。

GC 垃圾回收

sync.Pool 中与 GC 相关的代码实现如下：

//go:linkname poolCleanup
func poolCleanup() {
	// 此函数在垃圾回收（GC）开始，程序暂停（STW）时被调用
	// 它自身一定不能分配内存，并且很可能不应调用任何运行时函数（runtime functions）

	// Drop victim caches from all pools.
	for _, p := range oldPools {
		p.victim = nil // 清空回收站
		p.victimSize = 0
	}

	// Move primary cache to victim cache.
	for _, p := range allPools {
		p.victim = p.local // 从主缓存移到回收站
		p.victimSize = p.localSize
		p.local = nil // 主缓存置空
		p.localSize = 0
	}

	oldPools, allPools = allPools, nil
}

var (
	// 保护 allPools 的互斥锁
	allPoolsMu Mutex

	// allPools 是拥有非空主缓存（non-empty primary caches）的 pool 的集合
	// 保证并发安全的机制有两种：1) 通过 allPoolsMu 互斥锁和 pinning（固定）机制；2) 通过垃圾回收时的程序暂停 STW（Stop-The-World）
	allPools []*Pool

	// oldPools 是可能拥有非空 victim 缓存（non-empty victim caches）的 pool 的集合
	// 保证并发安全机制为 STW（Stop-The-World）
	oldPools []*Pool
)

func init() {
	// 将 poolCleanup 注册到 runtime，确保每次 GC 开始时自动被调用
	runtime_registerPoolCleanup(poolCleanup)
}

这段代码要从下往上解读。

首先在 init 函数中 将 poolCleanup 注册到 runtime，这样 poolCleanup 函数会在每次 GC 开始时自动被调用。

poolCleanup 函数内部会操作 allPools 和 oldPools 两个全局变量，因为是在 GC STW 时执行，不会存在并发问题，所以无需加锁。

而 poolCleanup 函数内的源码实现，正是我们在前文中所讲的，Go 在触发垃圾回收时，sync.Pool 会做两件事：

1. 将所有缓存的 victim 中的对象移除。
2. 把所有缓存的 local 中对象移动到 victim。

现在 victim 的赋值操作也找到了。当然，sync.Pool 的核心源码也随之解读完了。

sync.Pool 执行流

通过以上源码的分析，你可能还有些发懵，没关系，这是正常现象，我也是阅读了好几遍 sync.Pool 源码，才搞清楚其逻辑的。

如果你坚持阅读到这里，那么恭喜你，离真正理解 sync.Pool 更近了一步。

我们可以通过几张流程图，再来梳理一下 sync.Pool 的执行流，以此来加深对 sync.Pool 源码的理解。

Put 操作执行流程如下：

Get 操作执行流程如下：

至此，sync.Pool 原理就解读完了。

总结

本文带大家一起学习了 Go 并发原语 sync.Pool，这是一个在并发场景下非常有效的解决对象复用的手段。

通过源码解读，我们知道 sync.Pool 默认缓存数据会存储在 local 中，在触发 GC 时则被移动到 victim,victim 就像一个回收站，其内部的数据要被重新利用，要么被彻底删除。

你有没有想过，sync.Pool 为什么要设计成调用两次 GC 才会回收对象呢？

其实这是为了防止 GC 引起的性能抖动。如果只调用一次 GC，就回收对象，则可能导致对象被频繁的创建和回收，并不能有效起到缓存的作用。那如果调用 3 次 GC 再回收行不行呢？理论上可以，但不建议这样做，其实这是一个内存和性能之间的取舍问题，如果缓存数据没有被使用，还长期存放在内存中，则势必会造成内存的浪费。两次 GC 才回收对象，应该是一个比较合理的经验值。

本文示例源码我都放在了 GitHub 中，欢迎点击查看。

希望此文能对你有所启发。

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