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.NET Core 中对象池(Object Pool)的使用

对象 系统
2023-03-15 22:02:38 时间

一、什么是对象池

对象池简单来说就是一种为对象提供可复用能力的软件设计思路。我们常说有借有还，再借不难，而对象池就是通过借和还这样两个动作来保证对象可以被重复使用，从而节省频繁创建对象的性能开销。对象池最常用的场景是游戏设计，因为在游戏中大量存在着可复用的对象，源源不断的子弹出现并不是循环再生的。在数据库中存在着被称为连接池的东西，每当出现数据库无法连接的情况时，经验丰富的开发人员往往会先检查连接池是否满了，这其实就是对象池模式在特定领域的具体实现。因此对象池本质上就是负责一组对象创建和销毁的容器。 对象池最大的优势是可以自主地管理池子内的每个对象，决定它们是需要被回收还是可以重复使用。我们都知道创建一个新对象需要消耗一定的系统资源，一旦这些对象可以重复地使用就可以节省系统资源开销，这对提高系统性能会非常有帮助。下面的代码实微软官方文档实现的一个简单的对象池：

public class ObjectPool<T> : IObjectPool<T>
{
	private Func<T> _instanceFactory;
	private ConcurrentBag<T> _instanceItems;
	public ObjectPool(Func<T> instanceFactory)
	{
		_instanceFactory = instanceFactory ?? 
		throw new ArgumentNullException(nameof(instanceFactory));
		_instanceItems = new ConcurrentBag<T>();
	}
	public T Get()
	{
		T item;
		if (_instanceItems.TryTake(out item)) return item;
		return _instanceFactory();
	}
	public void Return(T item)
	{
		_instanceItems.Add(item);
	}
}

二、.NET Core 中的对象池

在.NET Core 中微软已经为我们提供了对象池的实现，即Microsoft.Extensions.ObjectPool。它主要提供了三个核心的组件，分别是ObjectPool、ObjectPoolProvider和IPooledObjectPolicy。ObjectPool是一个抽象类，对外提供了Get和Return两个方法，这就是所谓的有借有还。ObjectPoolProvider同样是一个抽象类，它的职责就是创建ObjectPool，它提供了两个Create方法，两者的区别是无参数版本本质上使用的是DefaultPooledObjectPolicy。它和DefaultObjectPool、DefaultObjectPoolProvider都是微软提供的默认实现，IPooledObjectPolicy可以为不同的对象池定义不同的策略，来决定对象如何借、是否可以还。DefaultObjectPool内部使用ObjectWrapper[]来管理对象，ObjectWrapper[]的大小等于 maximumRetained-1，默认情况下maximumRetained等于Environment.ProcessorCount * 2，这里主要用到了Interlocked.CompareExchange()方法，具体代码如下：

public override T Get()
{
  var item = _firstItem;
  if (item == null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, null, item) != item)
  {
    var items = _items;
    for (var i = 0; i < items.Length; i++)
    {
      item = items[i].Element;
      if (item != null && Interlocked.CompareExchange(ref items[i].Element, null, item) == item)
      {
        return item;
      }
    }
    item = Create();
  }
  return item;
}
// Non-inline to improve its code quality as uncommon path
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private T Create() => _fastPolicy?.Create() ?? _policy.Create();

public override void Return(T obj)
{
  if (_isDefaultPolicy || (_fastPolicy?.Return(obj) ?? _policy.Return(obj)))
  {
    if (_firstItem != null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, obj, null) != null)
    {
      var items = _items;
      for (var i = 0; i < items.Length && Interlocked.CompareExchange(ref items[i].Element, obj, null) != null; ++i)
      {

      }
    }
  }
}

这里用到Interlocked.CompareExchange()方法，Get()方法将items[i].Element和null进行交换，将指定元素设为 null 并返回原始值。Return()方法将items[i].Element和obj交换后的值不为 null，表示指定元素已经归还，这个方法只有在第一个参数和第三个参数相等时才会发生交换。 说了这么多，我们来看一下对象池具体的用法：

var service = new ServiceCollection();

//使用DefaultObjectPoolProvider
service.AddSingleton<ObjectPoolProvider, DefaultObjectPoolProvider>();
//使用默认策略
service.AddSingleton<ObjectPool<Foo>>(serviceProvider =>
{
  var objectPoolProvider = serviceProvider.GetRequiredService<ObjectPoolProvider>();
  return objectPoolProvider.Create<Foo>();
});
//使用自定义策略
service.AddSingleton<ObjectPool<Foo>>(serviceProvider =>
{
  var objectPoolProvider = serviceProvider.GetRequiredService<ObjectPoolProvider>();
  return objectPoolProvider.Create(new FooObjectPoolPolicy());
});

var serviceProvider = _service.BuildServiceProvider();

var objectPool = _serviceProvider.GetService<ObjectPool<Foo>>();

//有借有还，两次是同一个对象
var item1 = objectPool.Get();
objectPool.Return(item1);
var item2 = objectPool.Get();
Assert.AreEqual(item1, item2);//true

//有借无还，两次是不同的对象
var item3 = objectPool.Get();
var item4 = objectPool.Get();
Assert.AreEqual(item3, item4);//false

上面的代码中Foo和FooObjectPoolPolicy是两个工具类：

public class Foo
{
  public string Id { get; set; }
  public DateTime? CreatedAt { get; set; }
  public string CreatedBy { get; set; }
}

public class FooObjectPoolPolicy : IPooledObjectPolicy<Foo>
{
  public Foo Create()
  {
    return new Foo()
    {
      Id = Guid.NewGuid().ToString("N"),
      CreatedAt = DateTime.Now,
      CreatedBy = "zs"
    };
  }

  public bool Return(Foo obj)
  {
    return true;
  }
}

TIP：当你需要控制对象池内的对象如何被创建的时候，你可以考虑实现自定义的IPooledObjectPolicy，反之DefaultPooledObjectPolicy实现完全可以满足你的使用。

三、本文小结

实现对象池可以考虑ConcurrentBag、Stack、Queue以及BlockingCollection等多种数据结构，而微软在.NET Core 中已经为我们实现了一个简单的对象池，大多数情况下，我们只需要定义自己的IPooledObjectPolicy去决定对象应该怎么样借、怎么样还。总之游戏世界里的 GameObject、数据库里的连接池，都是对象池模式在各自领域中的具体实现。

TIP：对象池是一种通过复用对象来减少资源开销进而实现提高系统性能的软件设计模式，其核心是控制容器内对象的生命周期来规避系统的主动回收，从对象池中借出的对象必须要及时归还，否则会造成对象池中没有可用资源。

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