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
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。
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。
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。
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)) { . . . } } |
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。
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