对象池技术的原理及其实现

邱培呸呸呸

摘  要 本文在分析对象池技术基本原理的基础上，给出了对象池技术的两种实现方式。还指出了使用对象池技术时所应注意的问题。
    关键词  对象池；对象池技术；Java 对象；性能


1  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。
2  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。
    实现一个对象池，一般会涉及到如下的类：
    1）对象池工厂（ObjectPoolFactory）类
该类主要用于管理相同类型和设置的对象池（ObjectPool），它一般包含如下两个方法：
    ·createPool：用于创建特定类型和设置的对象池；
    ·destroyPool：用于释放指定的对象池；
    同时为保证ObjectPoolFactory的单一实例，可以采用Singleton设计模式，见下述getInstance方法的实现：
         public static ObjectPoolFactory getInstance() {
                   if (poolFactory == null) {
                            poolFactory = new ObjectPoolFactory();
                   }
                   return poolFactory;
}
     2）参数对象（ParameterObject）类
    该类主要用于封装所创建对象池的一些属性参数，如池中可存放对象的数目的最大值（maxCount）、最小值（minCount）等。
     3）对象池（ObjectPool）类
    用于管理要被池化对象的借出和归还，并通知PoolableObjectFactory完成相应的工作。它一般包含如下两个方法：
    ·getObject：用于从池中借出对象；
    ·returnObject：将池化对象返回到池中，并通知所有处于等待状态的线程；
    4）池化对象工厂（PoolableObjectFactory）类
该类主要负责管理池化对象的生命周期，就简单来说，一般包括对象的创建及销毁。该类同ObjectPoolFactory一样，也可将其实现为单实例。
3  通用对象池的实现
    对象池的构造和管理可以按照多种方式实现。最灵活的方式是将池化对象的Class类型在对象池之外指定，即在ObjectPoolFactory类创建对象池时，动态指定该对象池所池化对象的Class类型，其实现代码如下：
. . .
public ObjectPool createPool(ParameterObject paraObj,
                                             Class clsType) {
                   return new ObjectPool(paraObj, clsType);
         }
. . .
    其中，paraObj参数用于指定对象池的特征属性，clsType参数则指定了该对象池所存放对象的类型。对象池（ObjectPool）创建以后，下面就是利用它来管理对象了，具体实现如下：
public class ObjectPool {
  private ParameterObject paraObj;//该对象池的属性参数对象
  private Class clsType;//该对象池中所存放对象的类型
  private int currentNum = 0; //该对象池当前已创建的对象数目
  private Object currentObj;//该对象池当前可以借出的对象
  private Vector pool;//用于存放对象的池
  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()) {
                              //如果当前池中无对象可用，而且已创建的对象数目小于所限制的最大值，就利用
                              //PoolObjectFactory创建一个新的对象
                              PoolableObjectFactory objFactory =
                                        PoolableObjectFactory.getInstance();
                              currentObj = objFactory.create Object (clsType);
                              currentNum++;
                     } else {
                              //如果当前池中无对象可用，而且所创建的对象数目已达到所限制的最大值，
                              //就只能等待其它线程返回对象到池中
                              synchronized (this) {
                                        try {
                                                 wait();
                                        } catch (InterruptedException e) {
                                        System.out.println(e.getMessage());    e.printStackTrace();
                                        }
                                        currentObj = pool.firstElement();
                              }
                     }
            } else {
                     //如果当前池中有可用的对象，就直接从池中取出对象
                     currentObj = pool.firstElement();
            }
            return currentObj;
  }
  public void returnObject(Object obj) {
            // 确保对象具有正确的类型
          if (obj.isInstance(clsType)) {
              pool.addElement(obj);
            synchronized (this) {
                     notifyAll();
            }
          } else {
        throw new IllegalArgumentException("该对象池不能存放指定的对象类型");
          }
       }
}
    从上述代码可以看出，ObjectPool利用一个java.util.Vector作为可扩展的对象池，并通过它的构造函数来指定池化对象的Class类型及对象池的一些属性。在有对象返回到对象池时，它将检查对象的类型是否正确。当对象池里不再有可用对象时，它或者等待已被使用的池化对象返回池中，或者创建一个新的对象实例。不过，新对象实例的创建并不在ObjectPool类中，而是由PoolableObjectFactory类的createObject方法来完成的，具体实现如下：
. . .
         public Object createObject(Class clsType) {
                   Object obj = null;
                   try {
                            obj = clsType.newInstance();
                   } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                   }
                   return obj;
         }
. . .
    这样，通用对象池的实现就算完成了，下面再看看客户端（Client）如何来使用它，假定池化对象的Class类型为StringBuffer：
. . .
//创建对象池工厂
         ObjectPoolFactory poolFactory = ObjectPoolFactory. getInstance ();
         //定义所创建对象池的属性
         ParameterObject paraObj = new ParameterObject(2,1);
         //利用对象池工厂,创建一个存放StringBuffer类型对象的对象池
         ObjectPool pool = poolFactory.createPool(paraObj,String Buffer.class);
         //从池中取出一个StringBuffer对象
         StringBuffer buffer = (StringBuffer)pool.getObject();
         //使用从池中取出的StringBuffer对象
         buffer.append("hello");
         System.out.println(buffer.toString());     
. . .
     可以看出，通用对象池使用起来还是很方便的，不仅可以方便地避免频繁创建对象的开销，而且通用程度高。但遗憾的是，由于需要使用大量的类型定型（cast）操作，再加上一些对Vector类的同步操作，使得它在某些情况下对性能的改进非常有限，尤其对那些创建周期比较短的对象。
4  专用对象池的实现
    由于通用对象池的管理开销比较大，某种程度上抵消了重用对象所带来的大部分优势。为解决该问题，可以采用专用对象池的方法。即对象池所池化对象的Class类型不是动态指定的，而是预先就已指定。这样，它在实现上也会较通用对象池简单些，可以不要ObjectPoolFactory和PoolableObjectFactory类，而将它们的功能直接融合到ObjectPool类，具体如下（假定被池化对象的Class类型仍为StringBuffer，而用省略号表示的地方，表示代码同通用对象池的实现）：
public class ObjectPool {
         private ParameterObject paraObj;//该对象池的属性参数对象
         private int currentNum = 0; //该对象池当前已创建的对象数目
         private StringBuffer currentObj;//该对象池当前可以借出的对象
         private Vector pool;//用于存放对象的池
         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) {
                   // 确保对象具有正确的类型
          if (StringBuffer.isInstance(obj)) {
              . . .
       }
}
5  结束语
    恰当地使用对象池技术，能有效地改善应用程序的性能。目前，对象池技术已得到广泛的应用，如对于网络和数据库连接这类重量级的对象，一般都会采用对象池技术。但在使用对象池技术时也要注意如下问题：
    ·并非任何情况下都适合采用对象池技术。基本上，只在重复生成某种对象的操作成为影响性能的关键因素的时候，才适合采用对象池技术。而如果进行池化所能带来的性能提高并不重要的话，还是不采用对象池化技术为佳，以保持代码的简明。
    ·要根据具体情况正确选择对象池的实现方式。如果是创建一个公用的对象池技术实现包，或需要在程序中动态指定所池化对象的Class类型时，才选择通用对象池。而大部分情况下，采用专用对象池就可以了。
参考文献
    [1]  Bruce Eckel著，京京工作室译，Java编程思想【M】，机械工业出版社，2003年1月