.NET性能优化-ArrayPool同时复用数组和对象

前两天在微信后台收到了读者的私信，问了一个这样的问题，由于私信回复有字数和篇幅限制，我在这里统一回复一下。读者的问题是这样的：

大佬您好，之前读了您的文章受益匪浅，我们有一个项目经常占用 7-8GB 的内存，使用了您推荐的ArrayPool以后降低到 4GB 左右，我还想着能不能继续优化，于是 dump 看了一下，发现是ArrayPool对应的一个数组有几万个对象，这个类有 100 多个属性。我想问有没有方法能复用这些对象？感谢！

根据读者的问题，我们摘抄出重点，现在他的数组已经得到池化，但是数组里面存的对象很大，从而导致内存很大。

我觉得一个类有 100 多个属性应该是不太正常的，当然也可能是报表导出之类的需求，如果是普通类有 100 多个属性，那应该做一些抽象和拆分了。

如果是少部分的大对象需要重用，那其实可以使用ObjectPool，如果是数万个对象要重用，那么ObjectPool里面的 CAS 算法会成为瓶颈，那有没有更好的方式呢？其实解决方案就在ArrayPool类本身，可能大家平时没有注意过。

再聊 ArrayPool

我们再来回顾一下ArrayPool的用法，它的用法很简单，核心就是Rent和Return两个方法，演示代码如下所示：

using System.Buffers;

namespace BenchmarkPooledList;

public class ArrayPoolDemo
{
    public void Demo()
    {
        // get array from pool
        var pool = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(10);
        try
        {
            // do something
        }
        finally
        {
            // return
            ArrayPool<byte>.Shared.Return(pool);
        }
    }
}

其实对于上面的这个问题，ArrayPool已经有了解决方案，不知道大家有没有注意Return方法有一个默认参数clearArray=false.

public abstract void Return (T[] array, bool clearArray = false);

其中clearArray的含义就是当数组被归还到池时，是不是清空数组，也就是会不会将数组的所有元素重置为null，看下面的例子就明白了。

可以发现只要在归还到数组时不清空，那么第二次拿到的数组还是会保留值，基于这样一个设计，我们就可以在复用数组的同时复用对应的元素对象。

性能比较

那么这样是否能解决之前提到的问题呢？我们很简单就可以构建一个测试用例，一个在代码里面使用new每次创建对象，另外一个尽量复用对象，为null时才创建。

// 定义一个大对象，放了40个属性
public class BigObject
{
    public string P1 { get; set; }
    public string P2 { get; set; }
    public string P3 { get; set; }
    .....
}

然后创建一个数据集，生成1000条数据，使用默认的方式，每次都new对象。

private static readonly string[] Datas = Enumerable.Range(0, 1000).Select(c => c.ToString()).ToArray();

[Benchmark(Baseline = true)]
public long UseArrayPool()
{
    var pool = ArrayPool<BigObject?>.Shared.Rent(Datas.Length);
    try
    {
        for (int i = 0; i < Datas.Length; i++)
        {
            pool[i] = new BigObject
            {
                P1 = Datas[i],
                P2 = Datas[i],
                P3 = Datas[i]
                // .... 省略赋值代码
            };
        }

        return pool.Length;
    }
    finally
    {
        ArrayPool<BigObject?>.Shared.Return(pool);
    }
}

另外一种方式就是复用对象池的对象，只有为null时才创建：

[Benchmark]
public long UseArrayPoolNeverClear()
{
    var pool = ArrayPool<BigObject?>.Shared.Rent(Datas.Length);
    try
    {
        for (int i = 0; i < Datas.Length; i++)
        {
            // 复用obj 为null时才创建
            var obj = pool[i] ?? (pool[i] = new BigObject());
            obj.P1 = Datas[i];
            obj.P2 = Datas[i];
            obj.P3 = Datas[i];
            // .... 省略赋值代码
        }

        return pool.Length;
    }
    finally
    {
        ArrayPool<BigObject?>.Shared.Return(pool, false);
    }
}

可以看一下 Benchmark 的结果：

复用大对象的场景下，在没有造成性能的下降的情况下，内存分配几乎为0。

ArrayObjectPool

之前笔者实现了一个类，优化了一下上面代码的性能，但是之前换了电脑，没有备份一些杂乱数据，现在找不到了。

具体优化原理是每一次都要进行null比较还是比较麻烦，而且如果能确定其数组不变的话，这些 null 判断是可以移除的。

凭借记忆写了一个 Demo，主要是确立在池里的数组是私有的，初始化一次以后就不需要再初始化，所以只要检测第一个元素是否为null就行，实现如下所示：

// 应该要实现IList<T>接口 和 ICollection<T> 等等的接口
// 不过这只是简单的demo  各位可以自行实现
public class ArrayObjectPool<T> : IDisposable // , IList<T>
    where T : new()
{
    // 创建一个独享的池
    private static ArrayPool<T> _pool = ArrayPool<T>.Create();

    private readonly T[] _items;
    public ArrayObjectPool(int size)
    {
        Length = size;
        _items = _pool.Rent(size);
        if (_items[0] is not null) return;
        // 如果第一个元素为null 说明是没初始化的
        // 那么需要初始化
        for (int i = 0; i < _items.Length; i++)
        {
            _items[i] = new T();
        }
    }

    // 为了安全只实现get
    public T this[int index]
    {
        get
        {
            if (index < 0 || index > Length)
                throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
            return _items[index];
        }
        set => throw new NotSupportedException();
    }

    public int Length { get; }

    // 释放时返回数据
    public void Dispose()
    {
        _pool.Return(_items);
    }

    /// <summary>
    /// 当ArrayPool过大时  可以重新创建
    /// 旧的池就会被GC 回收
    /// </summary>
    public static void Flush()
    {
        _pool = ArrayPool<T>.Create();
    }
}

同样的，对比了一下性能，因为会创建一个对象，所以内存占用比直接使用ArrayPool要高几十个字节，但是由于不用比较null，是实现里面最快的（当然也快不了多少，就 2%）：

总结

我相信这个应该已经能回答提出的问题，我们可以在复用数组的时候复用数组所对应的对象，当然你必须确保复用对象没有副作用，比如复用了旧的脏数据。

如果不是经常写这样的代码，像笔者一样封装一个ArrayObjectPool也没有必要，笔者本人也就写过那么一次，如果经常有这样的场景，那可以封装一个安全的ArrayObjectPool，想必也不是什么困难的事情。

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