Go语言 | 基于 Channel 实现的并发安全的字节池-go语言channel 原理

字节切片[]byte是我们在编码中经常使用到的，比如要读取文件的内容，或者从io.Reader获取数据等，都需要[]byte做缓冲。

func ReadFull(r Reader, buf []byte) (n int, err error)
func (f *File) Read(b []byte) (n int, err error)

以上是两个使用到[]byte作为缓冲区的方法。那么现在问题来了，如果对于以上方法我们有大量的调用，那么就要声明很多个[]byte，这需要太多的内存的申请和释放，也就会有太多的GC。

MinIO 的字节池

这个时候，我们需要重用已经创建好的[]byte来提高对象的使用率，降低内存的申请和GC。这时候我们可以使用sync.Pool来实现，不过最近我在研究开源项目MinIO的时候，发现他们使用channel的方式实现字节池。

type BytePoolCap struct {
    c    chan []byte
    w    int
    wcap int
}

BytePoolCap结构体的定义比较简单，共有三个字段：

c是一个chan，用于充当字节缓存池
w是指使用make函数创建[]byte时候的len参数
wcap指使用make函数创建[]byte时候的cap参数

有了BytePoolCap结构体，就可以为其定义Get方法，用于获取一个缓存的[]byte了。

func (bp *BytePoolCap) Get() (b []byte) {
    select {
    case b = <-bp.c:
    // reuse existing buffer
    default:
        // create new buffer
        if bp.wcap > 0 {
            b = make([]byte, bp.w, bp.wcap)
        } else {
            b = make([]byte, bp.w)
        }
    }
    return
}

以上是采用经典的select+chan的方式，能获取到[]byte缓存则获取，获取不到就执行default分支，使用make函数生成一个[]byte。

从这里也可以看到，结构体中定义的w和wcap字段，用于make函数的len和cap参数。

有了Get方法，还要有Put方法，这样就可以把使用过的[]byte放回字节池，便于重用。

func (bp *BytePoolCap) Put(b []byte) {
    select {
    case bp.c <- b:
        // buffer went back into pool
    default:
        // buffer didn't go back into pool, just discard
    }
}

Put方法也是采用select+chan，能放则放，不能放就丢弃这个[]byte。

使用BytePoolCap

已经定义好了Get和Put就可以使用了，在使用前，BytePoolCap还定义了一个工厂函数，用于生成*BytePoolCap，比较方便。

func NewBytePoolCap(maxSize int, width int, capwidth int) (bp *BytePoolCap) {
    return &BytePoolCap{
        c:    make(chan []byte, maxSize),
        w:    width,
        wcap: capwidth,
    }
}

把相关的参数暴露出去，可以让调用者自己定制。这里的maxSize表示要创建的chan有多大，也就是字节池的大小，最大存放数量。

bp := bpool.NewBytePoolCap(500, 1024, 1024)
buf:=bp.Get()
defer bp.Put(buf)

//使用buf,不再举例

以上就是使用字节池的一般套路，使用后记得放回以便复用。

和sync.Pool对比

两者原理基本上差不多，都多协程安全。sync.Pool可以存放任何对象，BytePoolCap只能存放[]byte，不过也正因为其自定义，存放的对象类型明确，不用经过一层类型断言转换，同时也可以自己定制对象池的大小等。

关于二者的性能，我做了下Benchmark测试，整体看MinIO的BytePoolCap更好一些。

var bp = bpool.NewBytePoolCap(500, 1024, 1024)
var sp = &sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        return make([]byte, 1024, 1024)
    },
}

模拟的两个字节池，[]byte的长度和容量都是1024。然后是两个模拟使用字节池，这里我启动500协程，模拟并发，使用不模拟并发的话，BytePoolCap完全是一个[]byte的分配，完全秒杀sync.Pool，对sync.Pool不公平。

func opBytePool(bp *bpool.BytePoolCap) {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(500)
    for i := 0; i < 500; i++ {
        go func(bp *bpool.BytePoolCap) {
            buffer := bp.Get()
            defer bp.Put(buffer)
            mockReadFile(buffer)
            wg.Done()
        }(bp)
    }
    wg.Wait()
}

func opSyncPool(sp *sync.Pool) {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(500)
    for i := 0; i < 500; i++ {
        go func(sp *sync.Pool) {
            buffer := sp.Get().([]byte)
            defer sp.Put(buffer)
            mockReadFile(buffer)
            wg.Done()
        }(sp)
    }
    wg.Wait()
}

接下来就是我模拟的读取我本机文件的一个函数mockReadFile(buffer)：

func mockReadFile(b []byte) {
    f, _ := os.Open("water")
    for {
        n, err := io.ReadFull(f, b)
        if n == 0 || err == io.EOF {
            break
        }
    }
}

然后运行go test -bench=. -benchmem -run=none 查看测试结果：

pkg: flysnow.org/hello
BenchmarkBytePool-8         1489            979113 ns/op           36504 B/op       1152 allocs/op
BenchmarkSyncPool-8         1008           1172429 ns/op           57788 B/op       1744 allocs/op

从测试结果看BytePoolCap在内存分配，每次操作分配字节，每次操作耗时来看，都比sync.Pool更有优势。

小结

很多优秀的开源项目，可以看到很多优秀的源代码实现，并且会根据自己的业务场景，做出更好的优化。

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