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Java對象池技術的原理及其實現

編輯:關於JAVA
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意的問題。

  關鍵詞 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 標准化時間 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,即對於那些被頻繁使用的對象,在使用完後,不立即將它們釋放,而是將它們緩存起來,以供後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,由於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

  該類主要用於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:用於創建特定類型和設置的對象池;

  ·destroyPool:用於釋放指定的對象池;

  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

  該類主要用於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

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

   ·getObject:用於從池中借出對象;
   ·returnObject:將池化對象返回到池中,並通知所有處於等待狀態的線程;

  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參數用於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)創建以後,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;//用於存放對象的池
 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於所限制的最大值,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,並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。當對象池裡不再有可用對象時,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,新對象實例的創建並不在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,由於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     

  由於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;//用於存放對象的池
 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,如對於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: 

  ·並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並不重要的話,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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