Java对象池示例

单例模式是限制了一个类只能有一个实例,对象池模式则是限制一个类实例的个数。对象池类就像是一个对象管理员,它以Static列表(也就是装对象的池子)的形式存存储某个实例数受限的类的实例,每一个实例还要加一个标记,标记该实例是否被占用。当类初始化的时候,这个对象池就被初始化了,实例就被创建出来。然后,用户可以向这个类索取实例,如果池中所有的实例都已经被占用了,那么抛出异常。用户用完以后,还要把实例“还”回来,即释放占用。对象池类的成员应该都是静态的。用户也不应该能访问池子里装着的对象的构造函数,以防用户绕开对象池创建实例。书上说这个模式会用在数据库连接的管理上。比如,每个用户的连接数是有限的,这样每个连接就是一个池子里的一个对象,“连接池”类就可以控制连接数了。

 

Java对象的生命周期分析

Java对象的生命周期大致包括三个阶段:对象的创建,对象的使用,对象的清除。因此,对象的生命周期长度可用如下的表达式表示:T = T1 + T2 +T3。其中T1表示对象的创建时间,T2表示对象的使用时间,而T3则表示其清除时间。由此,我们可以看出,只有T2是真正有效的时间,而T1、T3则是对象本身的开销。下面再看看T1、T3在对象的整个生命周期中所占的比例。

我们知道,Java对象是通过构造函数来创建的,在这一过程中,该构造函数链中的所有构造函数也都会被自动调用。另外,默认情况下,调用类的构造函数时,Java会把变量初始化成确定的值:所有的对象被设置成null,整数变量(byte、short、int、long)设置成0,float和double变量设置成0.0,逻辑值设置成false。所以用new关键字来新建一个对象的时间开销是很大的,如表1所示。

表1 一些操作所耗费时间的对照表

运算操作 示例 标准化时间
本地赋值 i = n 1.0
实例赋值 this.i = n 1.2
方法调用 Funct() 5.9
新建对象 New Object() 980
新建数组 New int[10] 3100

从表1可以看出,新建一个对象需要980个单位的时间,是本地赋值时间的980倍,是方法调用时间的166倍,而若新建一个数组所花费的时间就更多了。

再看清除对象的过程。我们知道,Java语言的一个优势,就是Java程序员勿需再像C/C++程序员那样,显式地释放对象,而由称为垃圾收集器(Garbage Collector)的自动内存管理系统,定时或在内存凸现出不足时,自动回收垃圾对象所占的内存。凡事有利总也有弊,这虽然为Java程序设计者提供了极大的方便,但同时它也带来了较大的性能开销。这种开销包括两方面,首先是对象管理开销,GC为了能够正确释放对象,它必须监控每一个对象的运行状态,包括对象的申请、引用、被引用、赋值等。其次,在GC开始回收“垃圾”对象时,系统会暂停应用程序的执行,而独自占用CPU。

因此,如果要改善应用程序的性能,一方面应尽量减少创建新对象的次数;同时,还应尽量减少T1、T3的时间,而这些均可以通过对象池技术来实现。

对象池技术的基本原理

对象池技术基本原理的核心有两点:缓存和共享,即对于那些被频繁使用的对象,在使用完后,不立即将它们释放,而是将它们缓存起来,以供后续的应用程序重复使用,从而减少创建对象和释放对象的次数,进而改善应用程序的性能。事实上,由于对象池技术将对象限制在一定的数量,也有效地减少了应用程序内存上的开销。

对象池使用的基本思路是:

将用过的对象保存起来,等下一次需要这种对象的时候,再拿出来重复使用,从而在一定程度上减少频繁创建对象所造成的开销。 并非所有对象都适合拿来池化――因为维护对象池也要造成一定开销。对生成时开销不大的对象进行池化,反而可能会出现“维护对象池的开销”大于“生成新对象的开销”,从而使性能降低的情况。但是对于生成时开销可观的对象,池化技术就是提高性能的有效策略了。下面是构建对象池的一个例子:

 

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  1. public class ObjectPool {
  2.     private int numObjects = 10; // 对象池的大小
  3.     private int maxObjects = 50; // 对象池最大的大小
  4.     private Vector objects = null; //存放对象池中对象的向量( PooledObject类型)
  5.     public ObjectPool() {
  6.     }
  7.     /*** 创建一个对象池***/
  8.     public synchronized void createPool(){
  9.         // 确保对象池没有创建。如果创建了,保存对象的向量 objects 不会为空
  10.         if (objects != null) {
  11.             return; // 如果己经创建,则返回
  12.         }
  13.         // 创建保存对象的向量 , 初始时有 0 个元素
  14.         objects = new Vector();
  15.         // 根据 numObjects 中设置的值,循环创建指定数目的对象
  16.         for (int x = 0; x < numObjects; x++) {
  17.            if ((objects.size() == 0)&&this.objects.size() <this.maxObjects) {
  18.               Object obj = new Obj();
  19.               objects.addElement(new PooledObject(obj));
  20.       }
  21.     }
  22.     }
  23.     public synchronized Object getObject(){
  24.         // 确保对象池己被创建
  25.         if (objects == null) {
  26.             return null; // 对象池还没创建,则返回 null
  27.         }
  28.         Object conn = getFreeObject(); // 获得一个可用的对象
  29.         // 如果目前没有可以使用的对象,即所有的对象都在使用中
  30.         while (conn == null) {
  31.             wait(250);
  32.             conn = getFreeObject(); // 重新再试,直到获得可用的对象,如果
  33.             // getFreeObject() 返回的为 null,则表明创建一批对象后也不可获得可用对象
  34.         }
  35.         return conn;// 返回获得的可用的对象
  36.     }
  37.     /**
  38.      * 本函数从对象池对象 objects 中返回一个可用的的对象,如果
  39.      * 当前没有可用的对象,则创建几个对象,并放入对象池中。
  40.      * 如果创建后,所有的对象都在使用中,则返回 null
  41.      */
  42.     private Object getFreeObject(){
  43.         // 从对象池中获得一个可用的对象
  44.         Object obj = findFreeObject();
  45.         if (obj == null) {
  46.             createObjects(incrementalObjects);     //如果目前对象池中没有可用的对象,创建一些对象
  47.             // 重新从池中查找是否有可用对象
  48.             obj = findFreeObject();
  49.            // 如果创建对象后仍获得不到可用的对象,则返回 null
  50.             if (obj == null) {
  51.                 return null;
  52.             }
  53.         }
  54.         return obj;
  55.     }
  56.     /**
  57.      * 查找对象池中所有的对象,查找一个可用的对象,
  58.      * 如果没有可用的对象,返回 null
  59.      */
  60.     private Object findFreeObject(){
  61.         Object obj = null;
  62.         PooledObject pObj = null;
  63.         // 获得对象池向量中所有的对象
  64.         Enumeration enumerate = objects.elements();
  65.         // 遍历所有的对象,看是否有可用的对象
  66.         while (enumerate.hasMoreElements()) {
  67.             pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
  68.            // 如果此对象不忙,则获得它的对象并把它设为忙
  69.             if (!pObj.isBusy()) {
  70.                 obj = pObj.getObject();
  71.                 pObj.setBusy(true);
  72.            }
  73.         return obj;// 返回找到到的可用对象
  74.     }
  75.     /**
  76.      * 此函数返回一个对象到对象池中,并把此对象置为空闲。
  77.      * 所有使用对象池获得的对象均应在不使用此对象时返回它。
  78.      */
  79.     public void returnObject(Object obj) {
  80.         // 确保对象池存在,如果对象没有创建(不存在),直接返回
  81.         if (objects == null) {
  82.             return;
  83.         }
  84.         PooledObject pObj = null;
  85.         Enumeration enumerate = objects.elements();
  86.         // 遍历对象池中的所有对象,找到这个要返回的对象对象
  87.         while (enumerate.hasMoreElements()) {
  88.             pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
  89.             // 先找到对象池中的要返回的对象对象
  90.             if (obj == pObj.getObject()) {
  91.                 // 找到了 , 设置此对象为空闲状态
  92.                 pObj.setBusy(false);
  93.                 break;
  94.             }
  95.         }
  96.     }
  97.     /**
  98.      * 关闭对象池中所有的对象,并清空对象池。
  99.      */
  100.     public synchronized void closeObjectPool() {
  101.         // 确保对象池存在,如果不存在,返回
  102.         if (objects == null) {
  103.             return;
  104.         }
  105.         PooledObject pObj = null;
  106.         Enumeration enumerate = objects.elements();
  107.         while (enumerate.hasMoreElements()) {
  108.             pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
  109.             // 如果忙,等 5 秒
  110.             if (pObj.isBusy()) {
  111.                 wait(5000); // 等 5 秒
  112.             }
  113.             // 从对象池向量中删除它
  114.             objects.removeElement(pObj);
  115.         }
  116.         // 置对象池为空
  117.         objects = null;
  118.     }
  119.     /**
  120.      * 使程序等待给定的毫秒数
  121.      */
  122.     private void wait(int mSeconds) {
  123.         try {
  124.             Thread.sleep(mSeconds);
  125.         }
  126.        catch (InterruptedException e) {
  127.         }
  128.     }
  129.     /**
  130.      * 内部使用的用于保存对象池中对象的类。
  131.      * 此类中有两个成员,一个是对象,另一个是指示此对象是否正在使用的标志 。
  132.      */
  133.     class PooledObject {
  134.         Object objection = null;// 对象
  135.         boolean busy = false; // 此对象是否正在使用的标志,默认没有正在使用
  136.         // 构造函数,根据一个 Object 构告一个 PooledObject 对象
  137.         public PooledObject(Object objection) {
  138.             this.objection = objection;
  139.         }
  140.         // 返回此对象中的对象
  141.         public Object getObject() {
  142.             return objection;
  143.         }
  144.         // 设置此对象的,对象
  145.         public void setObject(Object objection) {
  146.             this.objection = objection;
  147.         }
  148.         // 获得对象对象是否忙
  149.         public boolean isBusy() {
  150.             return busy;
  151.         }
  152.         // 设置对象的对象正在忙
  153.         public void setBusy(boolean busy) {
  154.             this.busy = busy;
  155.         }
  156.     }
  157. }
  158. 测试类:
  159. 代码如下:
  160. public class ObjectPoolTest {
  161.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  162.         ObjectPool objPool = new ObjectPool();
  163.         objPool.createPool();
  164.         Object obj = objPool.getObject();
  165.         returnObject(obj);
  166.         objPool.closeObjectPool();
  167.     }
  168. }

commons-pool提供了一套很好用的对象池组件。使用也很简单,不过对一些简单的对象使用对象池就没必要了。

ObjectPool定义了一个简单的池化接口,有三个对应实现
GenericObjectPool:实现了可配置的后进先出或先进先出(LIFO/FIFO)行为,默认是作为一个后进先出队列,这意味当对象池中有可用的空闲对象时,borrowObject 将返回最近的对象实例,如果将lifo 属性设置为false,则按FIFO行为返回对象实例。
StackObjectPool :实现了后进先出(LIFO)行为。
SoftReferenceObjectPool: 实现了后进先出(LIFO)行为。另外,对象池还在SoftReference 中保存了每个对象引用,允许垃圾收集器针对内存需要回收对象。

KeyedObjectPool定义了一个以任意的key访问对象的接口(可以池化对种对象),有两种对应实现。
GenericKeyedObjectPool :实现了先进先出(FIFO)行为。
StackKeyedObjectPool : 实现了后进先出(LIFO)行为。

PoolableObjectFactory 定义了池化对象的生命周期方法,我们可以使用它分离被池化的不同对象和管理对象的创建,持久,销毁。
BasePoolableObjectFactory这个实现PoolableObjectFactory 接口的一个抽象类,我们可用扩展它实现自己的池化工厂。

一个对象池使用的简单例子:

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  1. package tf;
  2. import org.apache.commons.pool.BasePoolableObjectFactory;
  3. import org.apache.commons.pool.ObjectPool;
  4. import org.apache.commons.pool.impl.StackObjectPool;
  5. public class Pool {
  6.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  7.         ObjectPool pool = new StackObjectPool(new UserFactory());
  8.         User u = (User) pool.borrowObject(); // 从池中借出一个对象
  9.         u.setName(“me”);
  10.         u.sayHello();
  11.         pool.returnObject(u); // 归还对象
  12.     }
  13.     static class UserFactory extends BasePoolableObjectFactory {
  14.         /**
  15.          * 产生一个新对象
  16.          */
  17.         public Object makeObject() {
  18.             return new User();
  19.         }
  20.         /**
  21.          * 还原对象状态
  22.          */
  23.         public void passivateObject(Object obj) {
  24.             User u = (User) obj;
  25.             u.clear();
  26.         }
  27.     }
  28.     static class User {
  29.         String name;
  30.         void setName(String name) {
  31.             this.name = name;
  32.         }
  33.         void sayHello() {
  34.             System.out.println(“hello, ” + name);
  35.         }
  36.         void clear() {
  37.             name = “”;
  38.         }
  39.     }
  40. }

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