Java对象池技术的原理和实现

1、前言

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。

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。

2、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，如表所示。

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

从上表可以看出，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。

3、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。

4、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, StringBuffer.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。

5、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)) {
　　　. . .
　　}
}

6、Java对象池示例

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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import java.util.Enumeration;
import java.util.Vector;
  
  
/**
* Copyright@www.jrliu.com.
* Author:jrliu
* Date:2020/10/30
* Description:对象池实现
*/
public class Objectpool {
    /**
     * 内部使用的用于保存对象池中对象的类。
     * 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 。
     */
    class PooledObject {
        Object object = null;// 对象
        boolean busy = false; // 此对象是否正在使用的标志，默认没有正在使用
        // 构造函数，根据一个 Object 构告一个 PooledObject 对象
        public PooledObject(Object object) {
            this.object = object;
        }
        public Object getObject(){
            return object;
        }
        // 设置此对象的，对象
        public void setObject(Object object) {
            this.object = object;
        }
        // 获得对象对象是否忙
        public boolean isBusy() {
            return busy;
        }
  
        // 设置对象的对象正在忙
        public void setBusy(boolean busy) {
            this.busy = busy;
        }
    }
  
    private int numObjects = 10; // 对象池的大小
    private int maxObjects = 50; // 对象池最大的大小
    private Vector<PooledObject> objects = null; //存放对象池中对象的向量( PooledObject类型)
  
    public Objectpool() {
    }
  
    /*** 创建一个对象池***/
    public synchronized void createPool() {
        // 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
        if (objects != null) {
            return; // 如果己经创建，则返回
        }
        // 创建保存对象的向量 , 初始时有 0 个元素
        objects = new Vector();
        // 根据 numObjects 中设置的值，循环创建指定数目的对象
        for (int x = 0; x < numObjects; x++) {
            if ((objects.size() == 0) && this.objects.size() < this.maxObjects) {
                Object obj = new Object();
                objects.addElement(new PooledObject(obj));
            }
        }
    }<br>
    public synchronized Object getObject() {
        // 确保对象池己被创建
        if (objects == null) {
            return null; // 对象池还没创建，则返回 null
        }
        Object conn = getFreeObject(); // 获得一个可用的对象
        // 如果目前没有可以使用的对象，即所有的对象都在使用中
        while (conn == null) {
            wait(250);
            conn = getFreeObject(); // 重新再试，直到获得可用的对象，如果
            // 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
        }
        return conn;// 返回获得的可用的对象
    }
  
    /**
     * 本函数从对象池对象 objects 中返回一个可用的的对象，如果
     * 当前没有可用的对象，则创建几个对象，并放入对象池中。
     * 如果创建后，所有的对象都在使用中，则返回 null
     */
    private Object getFreeObject() {
        // 从对象池中获得一个可用的对象
        Object obj = findFreeObject();
        if (obj == null) {
            //如果目前对象池中没有可用的对象，创建一些对象
            createObjects();
            // 重新从池中查找是否有可用对象
            obj = findFreeObject();
            // 如果创建对象后仍获得不到可用的对象，则返回 null
            if (obj == null) {
                return null;
            }
        }
        return obj;
    }
  
    private void  createObjects(){
        Object obj = new Object();
        PooledObject pooledObject  = new PooledObject(obj);
        objects.add(pooledObject);
    }
    /**
     * 查找对象池中所有的对象，查找一个可用的对象，
     * 如果没有可用的对象，返回 null
     */
    private Object findFreeObject() {
        Object obj = null;
        PooledObject pObj = null;
        // 获得对象池向量中所有的对象
        Enumeration enumerate = objects.elements();
        // 遍历所有的对象，看是否有可用的对象
        while (enumerate.hasMoreElements()) {
            pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
  
  
            // 如果此对象不忙，则获得它的对象并把它设为忙
            if (!pObj.isBusy()) {
                obj = pObj.getObject();
                pObj.setBusy(true);
            }
        }
        return obj;// 返回找到到的可用对象
    }
  
    /**
     * 此函数返回一个对象到对象池中，并把此对象置为空闲。
     * 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。
     */
    public void returnObject(Object obj) {
        // 确保对象池存在，如果对象没有创建（不存在），直接返回
        if (objects == null) {
            return;
        }
        PooledObject pObj = null;
        Enumeration enumerate = objects.elements();
        // 遍历对象池中的所有对象，找到这个要返回的对象对象
        while (enumerate.hasMoreElements()) {
            pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
            // 先找到对象池中的要返回的对象对象
            if (obj == pObj.getObject()) {
                // 找到了 , 设置此对象为空闲状态
                pObj.setBusy(false);
                break;
            }
        }
    }
    /**
     * 关闭对象池中所有的对象，并清空对象池。
     */
    public synchronized void closeObjectPool() {
        // 确保对象池存在，如果不存在，返回
        if (objects == null) {
            return;
        }
        PooledObject pObj = null;
        Enumeration enumerate = objects.elements();
  
  
        while (enumerate.hasMoreElements()) {
            pObj = (PooledObject) enumerate.nextElement();
            // 如果忙，等 5 秒
            if (pObj.isBusy()) {
                wait(5000); // 等 5 秒
            }
            // 从对象池向量中删除它
            objects.removeElement(pObj);
        }
        // 置对象池为空
        objects = null;
    }
  
    /**
     * 使程序等待给定的毫秒数
     */
    private void wait(int mSeconds) {
        try {
            Thread.sleep(mSeconds);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Objectpool objPool = new Objectpool();
  
  
        objPool.createPool();
        Object obj = objPool.getObject();
        objPool.returnObject(obj);
        objPool.closeObjectPool();
    }
}