.NET Core 3.0之深入源码理解ObjectPool（一）

写在前面

对象池是一种比较常用的提高系统性能的软件设计模式，它维护了一系列相关对象列表的容器对象，这些对象可以随时重复使用，对象池节省了频繁创建对象的开销。

它使用取用/归还-重复取用的操作模式，如下图所示：

本文将主要介绍对象池的基本概念、对象池的优势及其工作机制，下一篇文档将从源码角度介绍.NET Core 3.0是如何实现对象池的。

对象池基础

对象池的基本概念

对象池的核心概念是容器，其表示形式可以认为是列表。每当有新的对象创建请求进入时，都会通过从池中分配一个对象来满足该请求。当我们需要获取某个对象时，可以从池中获取。既然有了对象池，那么也就很方便我们就很容易建立起对象的管理与追踪了了。

对象池的优势

我们知道一旦应用程序启动并运行，内存使用就会受到系统所需对象的数量和大小的影响。

我们知道创建一个对象的实例，是需要消耗一定的系统资源，尤其是该对象的构造十分复杂的时候，再加上需要频繁创建的时候，其实例化所消耗的资源更加昂贵。如果我们能有一种办法减少这种昂贵的系统开销，这对系统性能的提升是十分有帮助的。

对象池理念的出现，有助于我们解决复杂对象的重复创建所引发的资源开销问题。对象存储在某种类型的列表或者说数组中，我们可以和获取数组中的子项一样获取已经存在在对象池中的对象。

对象池的最大优点是，它可以自主管理内部已经创建的对象，包括回收和重复使用对象。程序在使用完某个对象后，会将其发还至对象池，而不是在内存中销毁他们。

对象池通过资源的分配，因而也就减少了应用程序所需的垃圾回收数量。这对于需要频繁创建同一对象的功能来说，对象池最大程度地减少了系统资源的消耗。

简单来说，对象池的设计目标就是要使对象可以得到重复使用，而不是被垃圾回收器回收。

对象池的工作机制

当客户端程序需要某个对象时，对象池首先尝试提供一个已经创建的对象。如果没有可用的对象，则会创建一个新对象。这类似于一个GetOrAdd的操作​。同时对象池中对象的数量就会减少，直到该对象已经使用完，那么它就会被放回到对象池池中以等待使用。这就是为什么对象池有助于重用性、并减少了在获取对象时创建对象所涉及的开销的原因。

另外，需要注意的是，只要池中至少有一个对象，该池就会一直保留在内存中。只要对象池还在，里面的对象也会一直存在。

当对象池用于并发操作时，需要确保对象池是线程安全的，而且其本身还要有很高的性能。

ConcurrentBag对象池解决方案

这个解决方案来自于MSDN，ConcurrentBag <T>用于存储对象，因为它支持快速插入和删除，尤其是在同一线程同时添加和删除项目时。该示例可以进一步扩展为围绕IProducerConsumerCollection <T>构建，该数据由bag数据结构实现，ConcurrentQueue <T>和ConcurrentStack <T>也是如此。

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;


namespace ObjectPoolExample
{
    public class ObjectPool<T>
    {
        private ConcurrentBag<T> _objects;
        private Func<T> _objectGenerator;

        public ObjectPool(Func<T> objectGenerator)
        {
            if (objectGenerator == null) throw new ArgumentNullException("objectGenerator");
            _objects = new ConcurrentBag<T>();
            _objectGenerator = objectGenerator;
        }

        public T GetObject()
        {
            T item;
            if (_objects.TryTake(out item)) return item;
            return _objectGenerator();
        }

        public void PutObject(T item)
        {
            _objects.Add(item);
        }
    }

    class Program
    {
       static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            // Create an opportunity for the user to cancel.
            Task.Run(() =>
                {
                    if (Console.ReadKey().KeyChar == 'c' || Console.ReadKey().KeyChar == 'C')
                        cts.Cancel();
                });

            ObjectPool<MyClass> pool = new ObjectPool<MyClass> (() => new MyClass());

            // Create a high demand for MyClass objects.
            Parallel.For(0, 1000000, (i, loopState) =>
                {
                    MyClass mc = pool.GetObject();
                    Console.CursorLeft = 0;
                    // This is the bottleneck in our application. All threads in this loop
                    // must serialize their access to the static Console class.
                    Console.WriteLine("{0:####.####}", mc.GetValue(i));

                    pool.PutObject(mc);
                    if (cts.Token.IsCancellationRequested)
                        loopState.Stop();

                });
            Console.WriteLine("Press the Enter key to exit.");
            Console.ReadLine();
            cts.Dispose();
        }

    }

    // A toy class that requires some resources to create.
    // You can experiment here to measure the performance of the
    // object pool vs. ordinary instantiation.
    class MyClass
    {
        public int[] Nums {get; set;}
        public double GetValue(long i)
        {
            return Math.Sqrt(Nums[i]);
        }
        public MyClass()
        {
            Nums = new int[1000000];
            Random rand = new Random();
            for (int i = 0; i < Nums.Length; i++)
                Nums[i] = rand.Next();
        }
    }
}

参考链接：https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/collections/thread-safe/how-to-create-an-object-pool