Java對象池技術的原理及其實現

作者：zxfxingkong 2011-03-18 10:26:47

Java對象的生命周期大致包括三個階段：對象的創建，對象的使用，對象的清除。

Java對象的生命周期分析

　　Java對象的生命周期大致包括三個階段：對象的創建，對象的使用，對象的清除。因此，對象的生命周期長度可用如下的表達式表示：T = T1 + T2 +T3。其中T1表示對象的創建時間，T2表示對象的使用時間，而T3則表示其清除時間。由此，我們可以看出，只有T2是真正有效的時間，而T1、T3則是對象本身的開銷。下面再看看T1、T3在對象的整個生命周期中所占的比例。

　　我們知道，Java對象是通過構造函數來創建的，在這一過程中，該構造函數鏈中的所有構造函數也都會被自動調用。另外，默認情況下，調用類的構造函數時，Java會把變量初始化成確定的值：所有的對象被設置成 null，整數變量（byte、short、int、long）設置成0，float和double變量設置成0.0，邏輯值設置成false。所以用 new關鍵字來新建一個對象的時間開銷是很大的，如表1所示。

　　表1 一些操作所耗費時間的對照表

運算操作 示例 標準化時間   
本地賦值 i = n 1.0   
實例賦值 this.i = n 1.2   
方法調用 Funct() 5.9   
新建對象 New Object() 980   
新建數組 New int[10] 3100

　從表1可以看出，新建一個對象需要980個單位的時間，是本地賦值時間的980倍，是方法調用時間的166倍，而若新建一個數組所花費的時間就更多了。

　　再看清除對象的過程。我們知道，Java語言的一個優勢，就是Java程序員勿需再像C/C++程序員那樣，顯式地釋放對象，而由稱為垃圾收集器（Garbage Collector）的自動內存管理系統，定時或在內存凸現出不足時，自動回收垃圾對象所占的內存。凡事有利總也有弊，這雖然為Java程序設計者提供了極大的方便，但同時它也帶來了較大的性能開銷。這種開銷包括兩方面，首先是對象管理開銷，GC為了能夠正確釋放對象，它必須監控每一個對象的運行狀態，包括對象的申請、引用、被引用、賦值等。其次，在GC開始回收“垃圾”對象時，系統會暫停應用程序的執行，而獨自占用CPU。

　　因此，如果要改善應用程序的性能，一方面應盡量減少創建新對象的次數；同時，還應盡量減少T1、T3的時間，而這些均可以通過對象池技術來實現。

　　對象池技術的基本原理

　　對象池技術基本原理的核心有兩點：緩存和共享，即對于那些被頻繁使用的對象，在使用完后，不立即將它們釋放，而是將它們緩存起來，以供后續的應用程序重復使用，從而減少創建對象和釋放對象的次數，進而改善應用程序的性能。事實上，由于對象池技術將對象限制在一定的數量，也有效地減少了應用程序內存上的開銷。

　　實現一個對象池，一般會涉及到如下的類：

　　1）對象池工廠（ObjectPoolFactory）類

　　該類主要用于管理相同類型和設置的對象池（ObjectPool），它一般包含如下兩個方法：

　　·createPool：用于創建特定類型和設置的對象池；

　　·destroyPool：用于釋放指定的對象池；

　　同時為保證ObjectPoolFactory的單一實例，可以采用Singleton設計模式，見下述getInstance方法的實現：

public static ObjectPoolFactory getInstance() {   
　if (poolFactory == null) {   
　　poolFactory = new ObjectPoolFactory();   
　}   
　return poolFactory;   
}

　　2）參數對象（ParameterObject）類

　　該類主要用于封裝所創建對象池的一些屬性參數，如池中可存放對象的數目的最大值（maxCount）、最小值（minCount）等。

　　3）對象池（ObjectPool）類

　　用于管理要被池化對象的借出和歸還，并通知PoolableObjectFactory完成相應的工作。它一般包含如下兩個方法：

　　　·getObject：用于從池中借出對象；
　　　·returnObject：將池化對象返回到池中，并通知所有處于等待狀態的線程；

　　4）池化對象工廠（PoolableObjectFactory）類

　　該類主要負責管理池化對象的生命周期，就簡單來說，一般包括對象的創建及銷毀。該類同ObjectPoolFactory一樣，也可將其實現為單實例。
　通用對象池的實現

　　對象池的構造和管理可以按照多種方式實現。最靈活的方式是將池化對象的Class類型在對象池之外指定，即在ObjectPoolFactory類創建對象池時，動態指定該對象池所池化對象的Class類型，其實現代碼如下：

. . .   
public ObjectPool createPool(ParameterObject paraObj,Class clsType) {   
　return new ObjectPool(paraObj, clsType);   
}   
. . .

　　其中，paraObj參數用于指定對象池的特征屬性，clsType參數則指定了該對象池所存放對象的類型。對象池（ObjectPool）創建以后，下面就是利用它來管理對象了，具體實現如下：

public class ObjectPool {   
　private ParameterObject paraObj;//該對象池的屬性參數對象   
　private Class clsType;//該對象池中所存放對象的類型   
　private int currentNum = 0; //該對象池當前已創建的對象數目   
　private Object currentObj;//該對象池當前可以借出的對象   
　private Vector pool;//用于存放對象的池   
　public ObjectPool(ParameterObject paraObj, Class clsType) {   
　　this.paraObj = paraObj;   
　　this.clsType = clsType;   
　　pool = new Vector();   
　}   
　public Object getObject() {   
　　if (pool.size() <= paraObj.getMinCount()) {   
　　　if (currentNum <= paraObj.getMaxCount()) {   
　　　　//如果當前池中無對象可用，而且已創建的對象數目小于所限制的最大值，就利用   
　　　　//PoolObjectFactory創建一個新的對象   
　　　　PoolableObjectFactory objFactory =PoolableObjectFactory.getInstance();   
　　　　currentObj = objFactory.create Object (clsType);   
　　　　currentNum++;   
　　　} else {   
　　　　//如果當前池中無對象可用，而且所創建的對象數目已達到所限制的最大值，   
　　　　//就只能等待其它線程返回對象到池中   
　　　　synchronized (this) {   
　　　　　try {   
　　　　　　wait();   
　　　　　} catch (InterruptedException e) {   
　　　　　　System.out.println(e.getMessage());   
　　　　　　e.printStackTrace();   
　　　　　}   
　　　　　currentObj = pool.firstElement();   
　　　　}   
　　　}   
　　} else {   
　　　//如果當前池中有可用的對象，就直接從池中取出對象   
　　　currentObj = pool.firstElement();   
　　}   
　　return currentObj;   
}   
　　public void returnObject(Object obj) {   
　　　// 確保對象具有正確的類型   
　　　if (obj.isInstance(clsType)) {   
　　　　pool.addElement(obj);   
　　　　synchronized (this) {   
　　　　　notifyAll();   
　　　　}   
　　　} else {   
　　　　throw new IllegalArgumentException("該對象池不能存放指定的對象類型");   
　　　}   
　　}   
}

　　從上述代碼可以看出，ObjectPool利用一個java.util.Vector作為可擴展的對象池，并通過它的構造函數來指定池化對象的 Class類型及對象池的一些屬性。在有對象返回到對象池時，它將檢查對象的類型是否正確。當對象池里不再有可用對象時，它或者等待已被使用的池化對象返回池中，或者創建一個新的對象實例。不過，新對象實例的創建并不在ObjectPool類中，而是由PoolableObjectFactory類的 createObject方法來完成的，具體實現如下：

. . .   
public Object createObject(Class clsType) {   
　Object obj = null;   
　try {   
　　obj = clsType.newInstance();   
　} catch (Exception e) {   
　　e.printStackTrace();   
　}   
　return obj;   
}   
. . .

　　這樣，通用對象池的實現就算完成了，下面再看看客戶端（Client）如何來使用它，假定池化對象的Class類型為StringBuffer：

. . .   
//創建對象池工廠   
ObjectPoolFactory poolFactory = ObjectPoolFactory. getInstance ();   
//定義所創建對象池的屬性   
ParameterObject paraObj = new ParameterObject(2,1);   
//利用對象池工廠,創建一個存放StringBuffer類型對象的對象池   
ObjectPool pool = poolFactory.createPool(paraObj,String Buffer.class);   
//從池中取出一個StringBuffer對象   
StringBuffer buffer = (StringBuffer)pool.getObject();   
//使用從池中取出的StringBuffer對象   
buffer.append("hello");   
System.out.println(buffer.toString());   
. . .

　　可以看出，通用對象池使用起來還是很方便的，不僅可以方便地避免頻繁創建對象的開銷，而且通用程度高。但遺憾的是，由于需要使用大量的類型定型（cast）操作，再加上一些對Vector類的同步操作，使得它在某些情況下對性能的改進非常有限，尤其對那些創建周期比較短的對象。
專用對象池的實現　　　　　

　　由于通用對象池的管理開銷比較大，某種程度上抵消了重用對象所帶來的大部分優勢。為解決該問題，可以采用專用對象池的方法。即對象池所池化對象的Class類型不是動態指定的，而是預先就已指定。這樣，它在實現上也會較通用對象池簡單些，可以不要ObjectPoolFactory和PoolableObjectFactory類，而將它們的功能直接融合到ObjectPool類，具體如下（假定被池化對象的Class類型仍為StringBuffer，而用省略號表示的地方，表示代碼同通用對象池的實現）：

public class ObjectPool {   
　private ParameterObject paraObj;//該對象池的屬性參數對象   
　private int currentNum = 0; //該對象池當前已創建的對象數目   
　private StringBuffer currentObj;//該對象池當前可以借出的對象   
　private Vector pool;//用于存放對象的池   
　public ObjectPool(ParameterObject paraObj) {   
　　this.paraObj = paraObj;   
　　pool = new Vector();   
　}   
　public StringBuffer getObject() {   
　　if (pool.size() <= paraObj.getMinCount()) {   
　　　if (currentNum <= paraObj.getMaxCount()) {   
　　　　currentObj = new StringBuffer();   
　　　　currentNum++;   
　　　}   
　　　. . .   
　　}   
　　return currentObj;   
　}   
　public void returnObject(Object obj) {   
　　// 確保對象具有正確的類型   
　　if (StringBuffer.isInstance(obj)) {   
　　　. . .   
　　}   
　}

　　結束語

　　恰當地使用對象池技術，能有效地改善應用程序的性能。目前，對象池技術已得到廣泛的應用，如對于網絡和數據庫連接這類重量級的對象，一般都會采用對象池技術。但在使用對象池技術時也要注意如下問題：

　　并非任何情況下都適合采用對象池技術。基本上，只在重復生成某種對象的操作成為影響性能的關鍵因素的時候，才適合采用對象池技術。而如果進行池化所能帶來的性能提高并不重要的話，還是不采用對象池化技術為佳，以保持代碼的簡明。

　　要根據具體情況正確選擇對象池的實現方式。如果是創建一個公用的對象池技術實現包，或需要在程序中動態指定所池化對象的Class類型時，才選擇通用對象池。而大部分情況下，采用專用對象池就可以了。

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責任編輯：金賀來源： JavaEye博客

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