.NET Core 對象池的使用

昨天在『.NET 大牛之路』技術羣和大家聊到了對象池的話題，今天展開詳細講講這個知識點。

池這個概念大家都很熟悉，比如我們經常聽到數據庫連接池和線程池。它是一種基於使用預先分配資源集合的性能優化思想。

簡單說，對象池就是對象的容器，旨在優化資源的使用，通過在一個容器中池化對象，並根據需要重複使用這些池化對象來滿足性能上的需求。當一個對象被激活時，便被從池中取出。當對象被停用時，它又被放回池中，等待下一個請求。對象池一般用於對象的初始化過程代價較大或使用頻率較高的場景。

那在 .NET 中如何實現或使用對象池呢？

在 ASP.NET Core 框架裏已經內置了一個對象池功能的實現：Microsoft.Extensions.ObjectPool。如果是控制檯應用程序，可以單獨安裝這個擴展庫。

池化策略

首先，要使用 ObjectPool，需要創建一個池化策略，告訴對象池你將如何創建對象，以及如何歸還對象。

該策略通過實現接口 IPooledObjectPolicy 來定義，下面是一個最簡單的策略實現：

public class FooPooledObjectPolicy : IPooledObjectPolicy<Foo>
{
    public Foo Create()
    {
        return new Foo();
    }

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

如果每次編碼都要定義這樣的策略，會比較麻煩，可以自己定義一個通用的泛型實現。Microsoft.Extensions.ObjectPool 中也提供了一個默認的泛型實現：DefaultPooledObjectPolicy<T>。如果不需要定義複雜的構造邏輯，使用默認的就行。下面我們來看看怎麼使用。

對象池的使用

對象池使用的原則是：有借有還，再借不難。

當對象池中沒有實例時，則創建實例並返回給調用組件；當對象池中已有實例時，則直接取一個現有實例返回給調用組件。而且這個過程是線程安全的。

Microsoft.Extensions.ObjectPool 提供了默認的對象池實現：DefaultObjectPool<T>，它提供了借 Get 和還 Return 操作接口。創建對象池時需要提供池化策略 IPooledObjectPolicy<T> 作爲其構造參數。

var policy = new DefaultPooledObjectPolicy<Foo>();
var pool = new DefaultObjectPool<Foo>(policy);

我們來看一個常規示例(C# 9.0 單文件完整代碼)：

using Microsoft.Extensions.ObjectPool;
using System;

var policy = new DefaultPooledObjectPolicy<Foo>();
var pool = new DefaultObjectPool<Foo>(policy);

// 借
var item1 = pool.Get();
// 還
pool.Return(item1);
Console.WriteLine("item 1: {0}", item1.Id);

// 借
var item2 = pool.Get();
// 還
pool.Return(item2);
Console.WriteLine("item 2: {0}", item2.Id);

Console.ReadKey();

public class Foo
{
    public string Id { get; set; } = Guid.NewGuid().ToString("N");
}

打印結果：

通過打印的 Id 知道，item1 和 item2 是同一樣對象。

我們再來看看只借不還會是什麼樣子：

// ...

// 借
var item1 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 1: {0}", item1.Id);

// 再借
var item2 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 2: {0}", item2.Id);

// ...

打印結果：

可以看到，兩個對象是不同的實例。所以，當調用組件從對象池中借走一個對象實例，使用完後應立即歸還給對象池，以便重複使用，避免因構造新對象消耗過多資源。

指定對象池容量

在創建 DefaultObjectPool<T> 時，還可以指定第二個參數：對象池的容量。它表示最大可從該對象池取出的對象數量，指定數量以外的被取走的對象將不會被池化。我來演示一下，大家就知道什麼意思了，請看示例：

using Microsoft.Extensions.ObjectPool;
using System;

var policy = new DefaultPooledObjectPolicy<Foo>();

// 指定容量爲 2。
var pool = new DefaultObjectPool<Foo>(policy, 2);

// 借走 3 個
var item1 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 1: {0}", item1.Id);
var item2 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 2: {0}", item2.Id);
var item3 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 3: {0}", item3.Id);

// 再還會 3 個
pool.Return(item1);
pool.Return(item2);
pool.Return(item3);


// 再借走 3 個
var item4 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 4: {0}", item4.Id);
var item5 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 5: {0}", item5.Id);
var item6 = pool.Get();
Console.WriteLine("item 6: {0}", item6.Id);

Console.ReadKey();

注意示例代碼中我給對象池指定了容量爲 2，然後借走 3 個再歸還 3 個，後面再借走 3 個。來看看打印結果：

我們看到，item1 與 item4 是同一個對象，item2 與 item5 是同一個對象。item3 與 item6 卻不是同一個對象。

也就是說，當對象從池中取出超過指定容量的對象數量，雖然歸還了相同數量的對象，但對象池只允許容納 2 個對象，第三個對象不會被池化。

在 ASP.NET Core 中使用

ASP.NET Core 框架內置好了 Microsoft.Extensions.ObjectPool，不需要單獨安裝。官方文檔有個基於 ASP.NET Core 的使用示例：

https://docs.microsoft.com/en-us/aspnet/core/performance/objectpool

這個例子把 StringBuilder 做了池化。我這裏就直接貼官方的例子了，爲了更直觀些，我把無關的代碼簡化掉了。

先定義一箇中間件：

public class BirthdayMiddleware
{
    private readonly RequestDelegate _next;

    public BirthdayMiddleware(RequestDelegate next)
    {
        _next = next;
    }

    public async Task InvokeAsync(HttpContext context, ObjectPool<StringBuilder> builderPool)
    {
        var stringBuilder = builderPool.Get();
        try
        {
            stringBuilder.Append("Hi");
            // 其它處理
            await context.Response.WriteAsync(stringBuilder.ToString());
        }
        finally // 即使出錯也要保證歸還對象
        {
            builderPool.Return(stringBuilder);
        }
    }
}

在 Startup 中註冊相應的服務和中間件：

public class Startup
{
    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
        services.TryAddSingleton<ObjectPoolProvider, DefaultObjectPoolProvider>();

        services.TryAddSingleton<ObjectPool<StringBuilder>>(serviceProvider =>
        {
            var provider = serviceProvider.GetRequiredService<ObjectPoolProvider>();
            var policy = new StringBuilderPooledObjectPolicy();
            return provider.Create(policy);
        });
    }

    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env)
    {
        app.UseMiddleware<BirthdayMiddleware>();
    }
}

這個示例用了 DefaultObjectPoolProvider，它是默認的對象池 Provider，所以你也可以自定義自己的對象池 Provider。

總結

Microsoft.Extensions.ObjectPool 提供的對象池功能還是挺靈活的。普通場景使用使用默認的池化策略、默認的對象池和默認的對象池提供者就可以滿足需求，也可以自定義其中任意某部件來實現比較特殊或複雜的需求。

對象池的使用原則是：有借有還，再借不難。當調用組件從對象池中借走一個對象實例，使用完後應立即歸還給對象池，以便重複利用，避免因過多的對象初始化影響系統性能。