深度解析C#数组对象池ArrayPool<T>底层原理
这次我们先来介绍一下.NET的对象池化技术，对于C#中提供了的ArrayPool<T>，可能很多同学并不是特别的熟悉，尤其是其内部的实现原理和机制。在.NET以前的版本中是直接提供ObjectPool
类型进行对象的复用。对象池技术的产生背景主要是在编程中，由于需要频繁地分配和释放内存，可能导致性能下降，特别是在高负载和大规模数据处理的情况
下。
存而导致的性能开销。有以下几个具体的应用场景：
接下来我们就来具体看看ArrayPool的内部实现机制和原理是怎么样的，是如何高效的进行对象的管理和内存分配。在C#中ArrayPool的底层默认实现是
由ConfigurableArrayPool类型完成。
一、ArrayPool应用样例
1 usingSystem;2 usingSystem.Buffers;3
4 classArrayPoolExample5 {6 static voidMain()7 {8 //创建数组池实例
9 ArrayPool<int> arrayPool = ArrayPool<int>.Shared;10
11 //请求租借一个大小为 5 的数组
12 int[] rentedArray = arrayPool.Rent(5);13
14 try
15 {16 //使用租借的数组进行操作
17 for (int i = 0; i < rentedArray.Length; i++)18 {19 rentedArray[i] = i * 2;20 }21 }22 finally
23 {24 //使用完毕后归还数组到数组池
25 arrayPool.Return(rentedArray);26 }27 }28 }以上的样例比较简单，主要包含：创建数组池实例、租借一个大小为 5 的数组、使用租借的数组进行操作、使用完毕后归还数组到数组池。在实际的项目中，
我们可以对ArrayPool进行包装，创建我们需要的不同对象池的管理，这可以根据我们实际的项目需求进行开发。
实现内存使用较低的呢，那么我们就带着这几个问题往下看看。
二、ArrayPool的初始化
1 private static readonly SharedArrayPool<T> s_shared = new SharedArrayPool<T>();2
3 public static ArrayPool<T> Shared =>s_shared;4
5 public static ArrayPool<T> Create() => new ConfigurableArrayPool<T>();从以上ArrayPool的初始化代码可以发现，其数组对象池的创建是由ConfigurableArrayPool类完成的，那么我们继续看一下对应的初始化逻辑。部分代码已经
做过删减，我们只关注核心的实现逻辑，需要看全部的实现代码的同学，可以自行前往GitHub上查看。
1 private const int DefaultMaxArrayLength = 1024 * 1024;2 private const int DefaultMaxNumberOfArraysPerBucket = 50;3 private readonlyBucket[] _buckets;4 internal ConfigurableArrayPool() : this(DefaultMaxArrayLength, DefaultMaxNumberOfArraysPerBucket){ }5 internal ConfigurableArrayPool(int maxArrayLength, intmaxArraysPerBucket)6 {7 ...8
9 int maxBuckets =Utilities.SelectBucketIndex(maxArrayLength);10 var buckets = new Bucket[maxBuckets + 1];11 for (int i = 0; i < buckets.Length; i++)12 {13 buckets[i] = newBucket(Utilities.GetMaxSizeForBucket(i), maxArraysPerBucket, poolId);14 }15 _buckets =buckets;16 }我们从源码中可以看出几个比较重要的实现逻辑，ConfigurableArrayPool在初始化时，设置了默认的两个参数DefaultMaxArrayLength和
DefaultMaxNumberOfArraysPerBucket，分别用于设置默认的池中每个数组的默认最大长度(2^20)和设置每个桶默认可出租的最大数组数。根据传入的参数，对其调用
Utilities.SelectBucketIndex(maxArrayLength)进行计算，根据最大数组长度计算出桶的数量 maxBuckets，然后创建一个数组 buckets。
1 internal static int SelectBucketIndex(intbufferSize)2 {3 return BitOperations.Log2((uint)bufferSize - 1 | 15) - 3;4 }SelectBucketIndex使用位操作和数学运算来确定给定缓冲区大小应分配到哪个桶。该方法的目的是为了根据缓冲区的大小，有效地将缓冲区分配到适当大小的桶
中。在bufferSize大小介于 2^(n-1) + 1 和 2^n 之间时，分配大小为 2^n 的缓冲区。使用了BitOperations.Log2 方法，计算 (bufferSize - 1) | 15 的二进制对数（以 2 为
底）。由于要处理1到16字节之间的缓冲区，使用了|15 来确保范围内的所有值都会变成15。最后，通过-3进行调整，以满足桶索引的需求。针对零大小的缓冲区，将
其分配给最高的桶索引，以确保零长度的缓冲区不会由池保留。对于这些情况，池将返回 Array.Empty 单例。
所能容纳的缓冲区的最大大小。通过左移操作符，可以快速计算出适应桶索引的缓冲区大小。
1 internal static int GetMaxSizeForBucket(intbinIndex)2 {3 int maxSize = 16 <<binIndex;4 returnmaxSize;5 }GetMaxSizeForBucket将数字 16 左移 binIndex 位。因为左移是指数增长的，所以这样的计算方式确保了每个桶的大小是前一个桶大小的两倍。初始桶的索引
（binIndex 为 0）对应的最大大小为 16。这种是比较通用的内存管理的策略，按照一系列固定的大小划分内存空间，这样可以减少分配的次数。接下来我们看一下Bucket对象的初始化代码。
1 internal readonly int_bufferLength;2 private readonly T[]?[] _buffers;3 private readonly int_poolId;4 privateSpinLock _lock;5 internal Bucket(int bufferLength, int numberOfBuffers, intpoolId)6 {7 _lock = newSpinLock(Debugger.IsAttached);8 _buffers = newT[numberOfBuffers][];9 _bufferLength =bufferLength;10 _poolId =poolId;11 }SpinLock只有在附加调试器时才启用线程跟踪;它为Enter/Exit增加了不小的开销；numberOfBuffers表示可以租借的次数，只初始化定义个二维的泛型数组，未分
配内存空间；bufferLength每个缓冲区的大小。以上的逻辑大家可能不是很直观，我们用一个简单的图给大家展示一下。
1 ArrayPool2 |
3 +-- Bucket[0] (Buffer Size: 16)4 | +-- Buffer 1 (Size: 16)5 | +-- Buffer 2 (Size: 16)6 | +--...7 |
8 +-- Bucket[1] (Buffer Size: 32)9 | +-- Buffer 1 (Size: 32)10 | +-- Buffer 2 (Size: 32)11 | +--...12 |
13 ...14 默认会创建50个Buffer如果对C#的字典的结构比较了解的同学，可能很好理解，ArrayPool是由一个一维数组和一个二维泛型数组进行构建。无论是.NET 还是JAVA中，很多的复杂的
数据结构都是由多种简单结构进行组合，这样不仅一定程度上保证数据的取的效率，又可以考虑插入、删除的性能，也兼顾内存的占用情况。这里用一个简单的图
来说明一下二维数组的初始化时占用的内存的结构。(_buffers = new T[numberOfBuffers][])
1 +-----------+
2 | arrayInt |
3 +-----------+
4 | [0] | --> [ ] (Possibly nullor an actual array)5 +-----------+
6 | [1] | --> null
7 +-----------+
8 | [2] | --> null
9 +-----------+
10
11 +----------+
12 | arrInt1 |
13 +----------+
14 | | --> [ ] (Possibly nullor an actual array)15 +----------+三、ArrayPool的对象租借
只是进行了申明和设定了对应的大小。接下来我们来看看具体的租借实现逻辑。(部分代码已做删减，只关注核心逻辑)
1 public override T[] Rent(intminimumLength)2 {3 if (minimumLength == 0){ return Array.Empty<T>(); }4 T[]?buffer;5 int index =Utilities.SelectBucketIndex(minimumLength);6 if (index <_buckets.Length)7 {8 const int MaxBucketsToTry = 2;9 int i =index;10 do
11 {12 buffer =_buckets[i].Rent();13 if (buffer != null) { returnbuffer; }14 }15 while (++i < _buckets.Length && i != index +MaxBucketsToTry);16 buffer = newT[_buckets[index]._bufferLength];17 }18 else
19 {20 buffer = newT[minimumLength];21 }22 returnbuffer;23 }从源码中我们可以看到，如果请求的数组长度为零，直接返回一个空数组。允许请求零长度数组,因为它是一个有效的长度数组。因为在这种情况下，池的大小
没有限制，不需要进行事件记录，并且不会对池的状态产生影响。根据传入的minimumLength确定数组长度对应的池的桶的索引，在选定的桶中尝试租用数组，如果
找到可用的数组，记录相应的事件并返回该数组。如果未找到可用的数组，会尝试在相邻的几个桶中查找(MaxBucketsToTry=2)。buffer = new
T[_buckets[index]._bufferLength]表示如果池已耗尽，则分配一个具有相应大小的新缓冲区到合适的桶。buffer = new T[minimumLength]请求的大小对于池来说太大
了，分配一个完全符合所请求长度的数组。 当它返回到池中时，我们将直接扔掉它。
可用的，则分配一个新的缓冲区。租用的缓冲区将被从桶中移除。如果启用了事件记录，将记录缓冲区的租用事件。
1 internal T[]?Rent()2 {3 T[]?[] buffers =_buffers;4 T[]? buffer = null;5 bool lockTaken = false, allocateBuffer = false;6 try
7 {8 _lock.Enter(reflockTaken);9 if (_index <buffers.Length)10 {11 buffer =buffers[_index];12 buffers[_index++] = null;13 allocateBuffer = buffer == null;14 }15 }16 finally
17 {18 if (lockTaken) _lock.Exit(false);19 }20 if(allocateBuffer)21 {22 buffer = newT[_bufferLength];23 }24 returnbuffer;25 }我们来具体看一下这个方法的核心逻辑。T[]?[] buffers = _buffers通过获取 _buffers 字段的引用，获取桶中缓冲区数组的引用，并初始化一个用于保存租用的缓冲
区的变量 buffer。使用 SpinLock 进入临界区，在临界区中，检查 _index 是否小于缓冲区数组的长度buffers.Length。来判断桶是否还有缓冲区可以使用。我们从if
(allocateBuffer)可以看出，如果allocateBuffer==null时，则需要生成一个对应大小的缓冲区。可以明显的看到，具体的缓冲区对象都是在第一次使用的时候生成的，
未使用时并不初始化，不占据内存空间。
四、ArrayPool的对象归还
归还策略上，正是因为对象创建完毕之后，没有直接销毁掉，而是缓存在数组对象池中，所以下次才可以进行复用。
1 public override void Return(T[] array, bool clearArray = false)2 {3 if (array.Length == 0) { return; }4 int bucket =Utilities.SelectBucketIndex(array.Length);5 bool haveBucket = bucket <_buckets.Length;6 if(haveBucket)7 {8 if(clearArray) { Array.Clear(array); }9 _buckets[bucket].Return(array);10 }11 }首先是对归还的数组对象进行长度的判断，如果传入的数组长度为零，表示是一个空数组，直接返回，不进行任何处理。在池中，对于长度为零的数组，通常
不会真正从池中取出，而是返回一个单例，以提高效率。然后根据数组的长度计算确定传入数组的长度对应的桶的索引。bucket < _buckets.Lengt判断是否存在与
传入数组长度对应的桶，如果存在，表示该数组的长度在池的有效范围内。如果存在对应的桶，根据用户传入的 clearArray 参数，选择是否清空数组内容，然后
将数组返回给对应的桶。_buckets[bucket].Return(array)将缓冲区返回到它的bucket。将来，我们可能会考虑让Return返回false不掉一个桶，在这种情况下，我们可以
尝试返回到一个较小大小的桶，就像在Rent中，我们允许从更大的桶中租用。
1 internal voidReturn(T[] array)2 {3 if (array.Length !=_bufferLength)4 {5 throw newArgumentException(SR.ArgumentException_BufferNotFromPool, nameof(array));6 }7 boolreturned;8 bool lockTaken = false;9 try
10 {11 _lock.Enter(reflockTaken);12 returned = _index != 0;13 if (returned) { _buffers[--_index] =array; }14 }15 finally
16 {17 if (lockTaken) _lock.Exit(false);18 }19 }这一部分的实现逻辑相对较简单，首先判断归还的数组对象长度是否符合要求，在将缓冲区返回到桶之前，首先检查传入的缓冲区的长度是否与桶的期望长度
相匹配。 如果长度不匹配，抛出 ArgumentException，表示传入的缓冲区不是从该池中租用的。使用 SpinLock 进入临界区。在临界区中，检查是否有可用的空槽，
如果有，则将传入的缓冲区放入下一个可用槽，并将 _index 减小。如果没有可用槽，则不存储缓冲区。使用 try/finally 语句确保在退出临界区时正确释放锁，以处
理可能的线程中止。
五、ArrayPool的应用建议
虑实际数据量以及性能方面的需求。
回到池中，以便其他部分的代码可以重用它。
可能导致不可预测的行为。
要小心协调数组的分配和释放。
整 DefaultMaxArrayLength 和 DefaultMaxNumberOfArraysPerBucket。
们在实际的解决过程中，需要分析当前问题中最需要解决的点是什么，这就要分析问题中的背景和原因，最后再选择合适的方法进行处理。