Java對象池技術的原理及其實現

2019-11-18 11:02:04

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　　摘要 本文在分析對象池技術基本原理的基礎上，給出了對象池技術的兩種實現方式。還指出了使用對象池技術時所應注重的問題。

　　要害詞 對象池；對象池技術；java 對象；性能

　　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要害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 = n1.0 實例賦值this.i = n1.2 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）的自動內存治理系統，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，首先是對象治理開銷，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，假如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

　　該類主要用于治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

　　用于治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

　　該類主要負責治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

　　對象池的構造和治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，下面就是利用它來治理對象了，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()) {
　　　　//假如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 {
　　　　//假如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 {
　　　//假如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：

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