ArrayPool源码解读之byte[]也能池化？

一：背景

1. 讲故事

最近在分析一个 dump 的过程中发现其在 gen2 和 LOH 上有不少size较大的free，仔细看了下，这些free生前大多都是模板引擎生成的html片段的byte[]数组，当然这篇我不是来分析dump的，而是来聊一下，当托管堆有很多length较大的 byte[] 数组时，如何让内存利用更高效，如何让gc老先生压力更小。

不知道大家有没有发现在 .netcore 中增加了不少池化对象的东西，比如：ArrayPool，ObjectPool 等等，确实在某些场景下还是特别实用的，所以有必要对其进行较深入的理解。

二：ArrayPool 源码分析

1. 一图胜千言

在我花了将近一个小时的源码阅读之后，我画了一张 ArrayPool 的池化图，所谓：一图在手,天下我有。

有了这张图，接下来再聊几个概念并配上相应源码，我觉得应该就差不多了。

2. 池化的架构分级是什么样的？

ArrayPool 是由若干个 Bucket 组成，而 Bucket 又由若干个 buffer[] 数组组成, 有了这个概念之后，再配一下代码。

public abstract class ArrayPool
{
    public static ArrayPool Create()
    {
        return new ConfigurableArrayPool();
    }
}

internal sealed class ConfigurableArrayPool : ArrayPool
{
    private sealed class Bucket
    {
        internal readonly int _bufferLength;
        private readonly T[][] _buffers;
        private int _index;
    }

    private readonly Bucket[] _buckets;     //bucket数组
}

3. 为什么每一个 bucket 里都有 50 个 buffer[]

这个问题很好回答，初始化时做了 maxArraysPerBucket=50 设定，当然你也可以自定义，具体参考如下代码：

internal sealed class ConfigurableArrayPool : ArrayPool
{
    internal ConfigurableArrayPool() : this(1048576, 50)
    {
    }

    internal ConfigurableArrayPool(int maxArrayLength, int maxArraysPerBucket)
    {
        int num = Utilities.SelectBucketIndex(maxArrayLength);
        Bucket[] array = new Bucket[num + 1];
        for (int i = 0; i < array.Length; i++)
        {
            array[i] = new Bucket(Utilities.GetMaxSizeForBucket(i), maxArraysPerBucket, id);
        }
        _buckets = array;
    }
}

4. bucket 中 buffer[].length 为什么依次是 16，32，64 ...

框架做了默认假定，第一个bucket中的 buffer[].length=16, 后续 bucket 中的 buffer[].length 都是 x2 累计，涉及到代码就是 GetMaxSizeForBucket() 方法，参考如下：

internal ConfigurableArrayPool(int maxArrayLength, int maxArraysPerBucket)
{
    Bucket[] array = new Bucket[num + 1];
    for (int i = 0; i < array.Length; i++)
    {
        array[i] = new Bucket(Utilities.GetMaxSizeForBucket(i), maxArraysPerBucket, id);
    }
}

internal static int GetMaxSizeForBucket(int binIndex)
{
    return 16 << binIndex;
}

5. 初始化时 bucket 到底有多少个？

其实在上图中我也没有给出 bucket 到底有多少个，那到底是多少个呢？，当我阅读完源码之后，这算法还挺有意思的。

先说一下结果吧，默认 17 个 bucket，你肯定会好奇怎么算的？先说下两个变量：

maxArrayLength=1048576 = 2的20次方
buffer.length= 16 = 2的4次方

最后的算法就是取次方的差值：bucket[].length= 20 - 4 + 1 = 17，换句话说最后一个 bucket 下的 buffer[].length=1048576，详细代码请参考 SelectBucketIndex() 方法。

internal sealed class ConfigurableArrayPool : ArrayPool
{
    internal ConfigurableArrayPool(): this(1048576, 50)
    { }

    internal ConfigurableArrayPool(int maxArrayLength, int maxArraysPerBucket)
    {
        int num = Utilities.SelectBucketIndex(maxArrayLength);
        Bucket[] array = new Bucket[num + 1];
        for (int i = 0; i < array.Length; i++)
        {
            array[i] = new Bucket(Utilities.GetMaxSizeForBucket(i), maxArraysPerBucket, id);
        }
        _buckets = array;
    }

    internal static int SelectBucketIndex(int bufferSize)
    {
        return BitOperations.Log2((uint)(bufferSize - 1) | 0xFu) - 3;
    }
}

到这里我相信你对 ArrayPool 的池化架构思路已经搞明白了，接下来看下如何申请和归还 buffer[]。

三：如何申请和归还

既然 buffer[] 做了颗粒化，那就应该好借好还，反应到代码上就是 Rent() 和 Return() 方法，为了方便理解，上代码说话：

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var arrayPool = ArrayPool.Create();

            var bytes = arrayPool.Rent(10);

            for (int i = 0; i < bytes.Length; i++) bytes[i] = 10;

            arrayPool.Return(bytes);

            Console.ReadLine();
        }
    }

图片

有了代码和图之后，再稍微捋一下流程。

从 ArrayPool 中借一个 byte[10] 大小的数组，为了节省内存，先不备货，临时生成一个 byte[].size=16 的数组出来，简化后的代码如下，参考 if (flag) 处：

internal T[] Rent()
    {
        T[][] buffers = _buffers;
        T[] array = null;
        bool lockTaken = false;
        bool flag = false;
        try
        {
            if (_index < buffers.Length)
            {
                array = buffers[_index];
                buffers[_index++] = null;
                flag = array == null;
            }
        }
        if (flag)
        {
            array = new T[_bufferLength];
        }
        return array;
    }

这里有一个坑，那就是你以为借了 byte[10]，现实给你的是 byte[16]，这里稍微注意一下。

当用 ArrayPool.Return 归还 byte[16] 时, 很明显看到它落到了第一个bucket的第一个buffer[]上，参考如下简化后的代码：

internal void Return(T[] array)
    {
        if (_index != 0)
        {
            _buffers[--_index] = array;
        }
    }

这里也有一个值得注意的坑，那就是还回去的 byte[16] 里面的数据默认是不会清掉的，从上面的代码也是可以看出来的，要想做清理，需要在 Return 方法中指定 clearArray=true，参考如下代码：

public override void Return(T[] array, bool clearArray = false)
    {
        int num = Utilities.SelectBucketIndex(array.Length);

        if (num < _buckets.Length)
        {
            if (clearArray)
            {
                Array.Clear(array, 0, array.Length);
            }
            _buckets[num].Return(array);
        }
    }

四：总结

学习这其中的池化架构思想，对平时项目开发还是能提供一些灵感的，其次对那些一次性使用 byte[] 的场景，用池化是个非常不错的方法，这也是我对朋友dump分析后提出的一个优化思路。

新闻名称：ArrayPool源码解读之byte[]也能池化？
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