从ObjectPool到CAS指令

相信最近看过我的文章的朋友对于Microsoft.Extensions.ObjectPool不陌生；复用、池化是在很多高性能场景的优化技巧，它能减少内存占用率、降低GC频率、提升系统TPS和降低请求时延。

那么池化和复用对象意味着同一时间会有多个线程访问池，去获取和归还对象，那么这肯定就有并发问题。那ObjectPool在涉及多线程访问资源应该怎么做到线程安全呢？

今天就带大家通过学习ObjectPool的源码聊一聊它是如何实现线程安全的。

源码解析

ObjectPool的关键就在于两个方法，一个是Get用于获取池中的对象，另外就是Return用于归还已经使用完的对象。我们先来简单的看看ObjectPool的默认实现DefaultObjectPool.cs类的内容。

私有字段

先从它的私有变量开始，下面代码中给出，并且注释了其作用：

// 用于存放池化对象的包装数组 长度为构造函数传入的max - 1
// 为什么 -1 是因为性能考虑把第一个元素放到 _firstItem中
private protected readonly ObjectWrapper[] _items;

// 池化策略 创建对象 和 回收对象的防范
private protected readonly IPooledObjectPolicy<T> _policy;

// 是否默认的策略 是一个IL优化 使编译器生成call 而不是 callvirt
private protected readonly bool _isDefaultPolicy;

// 因为池化大多数场景只会获取一个对象 为了性能考虑 单独整一个对象不放在数组中
// 避免数组遍历
private protected T? _firstItem;

// 这个类是在2.1中引入的，以尽可能地避免接口调用 也就是去虚拟化 callvirt
private protected readonly PooledObjectPolicy<T>? _fastPolicy;

构造方法

另外就是它的构造方法，默认实现DefaultObjectPool有两个构造函数，代码如下所示：

/// <summary>
/// Creates an instance of <see cref="DefaultObjectPool{T}"/>.
/// </summary>
/// <param name="policy">The pooling policy to use.</param>
public DefaultObjectPool(IPooledObjectPolicy<T> policy)
    : this(policy, Environment.ProcessorCount * 2)
{
    // 从这个构造方法可以看出，如果我们不指定ObjectPool的池大小
    // 那么池大小会是当前可用的CPU核心数*2
}

/// <summary>
/// Creates an instance of <see cref="DefaultObjectPool{T}"/>.
/// </summary>
/// <param name="policy">The pooling policy to use.</param>
/// <param name="maximumRetained">The maximum number of objects to retain in the pool.</param>
public DefaultObjectPool(IPooledObjectPolicy<T> policy, int maximumRetained)
{
    _policy = policy ?? throw new ArgumentNullException(nameof(policy));

    // 是否为可以消除callvirt的策略
    _fastPolicy = policy as PooleObjectPolicy<T>;
    // 如上面备注所说 是否为默认策略 可以消除callvirt
    _isDefaultPolicy = IsDefaultPolicy();

    // 初始化_items数组 容量还剩一个在 _firstItem中
    _items = new ObjectWrapper[maximumRetained - 1];

    bool IsDefaultPolicy()
    {
        var type = policy.GetType();

        return type.IsGenericType && type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(DefaultPooledObjectPolicy<>);
    }
}

Get 方法

如上文所说，Get()方法是ObjectPool中最重要的两个方法之一，它的作用就是从池中获取一个对象，它使用了CAS近似无锁的指令来解决多线程资源争用的问题，代码如下所示：

public override T Get()
{
    // 先看_firstItem是否有值
    // 这里使用了 Interlocked.CompareExchange这个方法
    // 原子性的判断 _firstItem是否等于item
    // 如果等于那把null赋值给_firstItem
    // 然后返回_firstItem对象原始的值  反之就是什么也不做
    var item = _firstItem;
    if (item == null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, null, item) != item)
    {

        var items = _items;
        // 遍历整个数组
        for (var i = 0; i < items.Length; i++)
        {
            item = items[i].Element;
            // 通过原子性的Interlocked.CompareExchange尝试读取一个元素
            // 读取成功则返回
            if (item != null && Interlocked.CompareExchange(ref items[i].Element, null, item) == item)
            {
                return item;
            }
        }

        // 如果遍历整个没有获取到元素
        // 那么走创建方法，创建一个
        item = Create();
    }

    return item;
}

上面代码中，有一个点解释一下Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, null, item) != item，其中!=item，如果其等于item就说明交换成功了，当前线程获取到_firstItem元素的期间没有其它线程修改_firstItem的值。

Return 方法

Retrun(T obj)方法是ObjectPool另外一个重要的方法，它的作用就是当程序代码把从池中获取的对象使用完以后，将其归还到池中。同样，它也使用CAS指令来解决多线程资源争用的问题，代码如下所示：

public override void Return(T obj)
{
    // 使用策略的Return方法对元素进行处理
    // 比如 List<T> 需要调用Claer方法清除集合内元素
    // StringBuilder之类的也需要调用Claer方法清除缓存的字符
    if (_isDefaultPolicy || (_fastPolicy?.Return(obj) ?? _policy.Return(obj)))
    {
        // 先尝试将归还的元素赋值到 _firstItem中
        if (_firstItem != null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, obj, null) != null)
        {
            var items = _items;
            // 如果 _firstItem已经存在元素
            // 那么遍历整个数组空间 找一个存储为null的空位将对象存储起来
            for (var i = 0; i < items.Length && Interlocked.CompareExchange(ref items[i].Element, obj, null) != null; ++i)
            {
            }
        }
    }
}

从核心的Get()和Set()方法来看，其实整个代码是比较简单的，除了有一个_firstItem有一个简单的优化，其余没有什么特别的复杂的逻辑。

主要的关键就在Interlocked.CompareExchange方法上，我们在下文来仔细研究一下这个方法。

关于 Interlocked.CompareExchange

Interlocked.CompareExchange它实际上是一个CAS的实现，也就是Compare And Swap，从名字就可以看出来，它就是比较然后交换的意思。

从下面的代码段我们也可以看出来，它总共需要三个参数。其特性就是只有当localtion1 == comparand的时候才会将value赋值给localtion1，另外吧localtion1的原始值返回出来，这些操作都是原子性的。

// localtion1 需要比较的引用A
// value 计划给引用A 赋的值
// comparand 和引用A比较的引用
public static T CompareExchange<T> (ref T location1, T value, T comparand)
where T : class;

一个简单的流程如下所示：



简单的使用代码如下所示：

var a = 1;
// a == 1的话就将其置为0
// 判断是否成功就看返回的值是否为a的原始值
if(Interlocked.CompareExchange(ref a, 0, 1) == 1)
	Console.WriteLine("1.成功");

// 现在a已经变为0 这个交换不会成功
if(Interlocked.CompareExchange(ref a, 0, 1) == 1)
	Console.WriteLine("2.成功");

结果如下所示，只有当a的原始值为1的时候，才会交换成功：

那么Interlocked.CompareExchange是如何做到原子性的？在多核CPU中，数据可能在内存或者L1、L2、L3中(如下图所示)，我们如何保证能原子性的对某个数据进行操作？

实际上这是CPU提供的功能，如果查看过JIT编译的结果，可以看到CompareExchange是由一条叫lock cmpxchgl的汇编指令支撑的。

其中lock是一个指令前缀，汇编指令被lock修饰后会成为"原子的"，lock指令有两种实现方法：

• 早期 - Pentium时代（锁总线），在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存，很显然，这个开销很大。
• 现在 - P6以后时代（锁缓存），在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性，缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。

现在这里的锁缓存（Cache Locking）就是用了Ringbus + MESI协议。

MESI协议是 Cacheline 四种状态的首字母的缩写，分别是修改（Modified）态、独占（Exclusive）态、共享（Shared）态和失效（Invalid）态。 Cache 中缓存的每个 Cache Line 都必须是这四种状态中的一种。

修改态（Modified），如果该 Cache Line 在多个 Cache 中都有备份，那么只有一个备份能处于这种状态，并且“dirty”标志位被置上。拥有修改态 Cache Line 的 Cache 需要在某个合适的时候把该 Cache Line 写回到内存中。但是在写回之前，任何处理器对该 Cache Line在内存中相对应的内存块都不能进行读操作。 Cache Line 被写回到内存中之后，其状态就由修改态变为共享态。

独占态（Exclusive），和修改状态一样，如果该 Cache Line 在多个 Cache 中都有备份，那么只有一个备份能处于这种状态，但是“dirty”标志位没有置上，因为它是和主内存内容保持一致的一份拷贝。如果产生一个读请求，它就可以在任何时候变成共享态。相应地，如果产生了一个写请求，它就可以在任何时候变成修改态。

共享态（Shared），意味着该 Cache Line 可能在多个 Cache 中都有备份，并且是相同的状态，它是和内存内容保持一致的一份拷贝，而且可以在任何时候都变成其他三种状态。

失效态（Invalid），该 Cache Line 要么已经不在 Cache 中，要么它的内容已经过时。一旦某个Cache Line 被标记为失效，那它就被当作从来没被加载到 Cache 中。

总得来说，若干个CPU核心通过Ringbus连到一起。每个核心都维护自己的Cache的状态。如果对于同一份内存数据在多个核里都有Cache，则状态都为S（Shared）。

一旦有一核心改了这个数据（状态变成了M），其他核心就能瞬间通过Ringbus感知到这个修改，从而把自己的Cache状态变成I（Invalid），并且从标记为M的Cache中读过来。同时，这个数据会被原子的写回到主存。最终，Cache的状态又会变为S。

关于MESI协议更详细的信息就不在本文中介绍了，在计算机操作系统和体系结构相关书籍和资料中有更详细的介绍。

然后compxchg这个指令就很简单了，和我们之前提到的一样，比较两个地址中的值是否相等，如果相等的话那么就修改。

Interlocked类中的其它方法也是同样的原理，我们可以看看Add之类的方法，同样是在对应的操作指令前加了lock指令。

总结

本文主要是带大家看了下ObjectPool的源码，然后看了看ObjectPool能实现无锁线程安全的最大功臣Interlocked.CompareExchange方法；然后通过汇编代码了解了一下Interlocked类中的一些方法是如何做到原子性的。

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