对象池模式

一个对象池包含一组已经初始化过且可以使用的对象，而可以在有需求时创建和销毁对象。池的用户可以从池子中取得对象，对其进行操作处理，并在不需要时归还给池子而非直接销毁它。这是一种特殊的工厂对象。

优点

复用池中对象,消除创建对象、回收对象 所产生的内存开销、cpu开销以及(若跨网络)产生的网络开销。

常见的使用对象池有：在使用socket时(包括各种连接池)、线程、数据库连接池等。

缺点

  1. 现在Java的对象分配操作不比c语言的malloc调用慢, 对于轻中量级的对象, 分配/释放对象的开销可以忽略不计;
  2. 并发环境中, 多个线程可能(同时)需要获取池中对象, 进而需要在堆数据结构上进行同步或者因为锁竞争而产生阻塞, 这种开销要比创建销毁对象的开销高数百倍;
  3. 由于池中对象的数量有限, 势必成为一个可伸缩性瓶颈;
  4. 很难正确的设定对象池的大小, 如果太小则起不到作用, 如果过大, 则占用内存资源高。

场景

  1. 资源受限的, 不需要可伸缩性的环境(cpu\内存等物理资源有限): cpu性能不够强劲, 内存比较紧张, 垃圾收集, 内存抖动会造成比较大的影响, 需要提高内存管理效率, 响应性比吞吐量更为重要;
  2. 数量受限的, 比如数据库连接;
  3. 创建成本高的对象, 可以考虑是否池化, 比较常见的有线程池（ThreadPoolExecutor）, 字节数组池等。

使用

Apache 提供了一个通用的对象池技术的实现: Common Pool2，可以很方便的实现自己需要的对象池，而不需要自己实现一个对象池。

核心接口

  • ObjectPool：对象池，持有对象并提供取/还等方法；
  • PooledObjectFactory：对象工厂，提供对象的创建、初始化、销毁等操作，由 Pool 调用。一般需要使用者自己实现这些操作；
  • PooledObject：池化对象，对池中对象的封装，封装对象的状态和一些其他信息。
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Common Pool2 提供的最基本的实现就是由 Factory 创建对象并使用PooledObject 封装对象放入 Pool 中。

对象池实现

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对象池有两个基础的接口 ObjectPool 和 KeyedObjectPool, 持有的对象都是由 PooledObject 封装的池化对象。 KeyedObjectPool 的区别在于其是用键值对的方式维护对象。

ObjectPool 和 KeyedObjectPool 分别有一个默认的实现类GenericObjectPool 和 GenericKeyedObjectPool 可以直接使用，他们的公共部分和配置被抽取到了 BaseGenericObjectPool 中。

SoftReferenceObjectPool 是一个比较特殊的实现，在这个对象池实现中，每个对象都会被包装到一个SoftReference中。SoftReference允许垃圾回收机制在需要释放内存时回收对象池中的对象，可以避免一些内存泄露的问题。

ObjectPool

public interface ObjectPool<T> {
    // 从池中获取一个对象，客户端在使用完对象后必须使用 returnObject 方法返还获取的对象
    T borrowObject() throws Exception, NoSuchElementException,
            IllegalStateException;

    // 将对象返还到池中。对象必须是从 borrowObject 方法获取到的
    void returnObject(T obj) throws Exception;

    // 使池中的对象失效，当获取到的对象被确定无效时（由于异常或其他问题），应该调用该方法
    void invalidateObject(T obj) throws Exception;

    // 池中当前闲置的对象数量
    int getNumIdle();

    // 当前从池中借出的对象的数量
    int getNumActive();

    // 清除池中闲置的对象
    void clear() throws Exception, UnsupportedOperationException;

    // 关闭这个池，并释放与之相关的资源
    void close();

    ...
}

PooledObjectFactory

对象工厂，负责对象的创建、初始化、销毁和验证等工作。Factory 对象由ObjectPool持有并使用

public interface PooledObjectFactory<T> {
    // 创建一个池对象
    PooledObject<T> makeObject() throws Exception;

    // 销毁对象
    void destroyObject(PooledObject<T> p) throws Exception;

    // 验证对象是否可用
    boolean validateObject(PooledObject<T> p);

    // 激活对象，从池中取对象时会调用此方法
    void activateObject(PooledObject<T> p) throws Exception;

    // 钝化对象，向池中返还对象时会调用此方法
    void passivateObject(PooledObject<T> p) throws Exception;
}

Common Pool2 并没有提供 PooledObjectFactory 可以直接使用的子类实现，因为对象的创建、初始化、销毁和验证的工作无法通用化，需要由使用方自己实现。不过它提供了一个抽象子类 BasePooledObjectFactory，实现自己的工厂时可以继承BasePooledObjectFactory，就只需要实现 create 和 wrap 两个方法了。

PooledObject

public interface PooledObject<T> extends Comparable<PooledObject<T>> {
    // 获取封装的对象
    T getObject();

    // 对象创建的时间
    long getCreateTime();

    // 对象上次处于活动状态的时间
    long getActiveTimeMillis();

    // 对象上次处于空闲状态的时间
    long getIdleTimeMillis();

    // 对象上次被借出的时间
    long getLastBorrowTime();

    // 对象上次返还的时间
    long getLastReturnTime();

    // 对象上次使用的时间
    long getLastUsedTime();

    // 将状态置为 PooledObjectState.INVALID
    void invalidate();

    // 更新 lastUseTime
    void use();

    // 获取对象状态
    PooledObjectState getState();

    // 将状态置为 PooledObjectState.ABANDONED
    void markAbandoned();

    // 将状态置为 PooledObjectState.RETURNING
    void markReturning();
}

对象池配置

对象池配置提供了对象池初始化所需要的参数，Common Pool2 中的基础配置类是BaseObjectPoolConfig。其有两个实现类分别为 GenericObjectPoolConfig和 GenericKeyedObjectPoolConfig，分别为 GenericObjectPool 和GenericKeyedObjectPool 所使用。

下面是一些重要的配置项：

  • lifo 连接池放池对象的方式，true：放在空闲队列最前面，false：放在空闲队列最后面，默认为 true
  • fairness 从池中获取/返还对象时是否使用公平锁机制，默认为 false
  • maxWaitMillis 获取资源的等待时间。blockWhenExhausted 为 true 时有效。-1 代表无时间限制，一直阻塞直到有可用的资源
  • minEvictableIdleTimeMillis 对象空闲的最小时间，达到此值后空闲对象将可能会被移除。-1 表示不移除；默认 30 分钟
  • softMinEvictableIdleTimeMillis 同上，额外的条件是池中至少保留有 minIdle 所指定的个数的对象
  • numTestsPerEvictionRun 资源回收线程执行一次回收操作，回收资源的数量。默认 3
  • evictionPolicyClassName 资源回收策略，默认值 org.apache.commons.pool2.impl.DefaultEvictionPolicy
  • testOnCreate 创建对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false
  • testOnBorrow 取对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false
  • testOnReturn 返还对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false
  • testWhileIdle 池中的闲置对象是否由逐出器验证。无法验证的对象将从池中删除销毁。默认 false
  • timeBetweenEvictionRunsMillis 回收资源线程的执行周期，默认 -1 表示不启用回收资源线程
  • blockWhenExhausted 资源耗尽时，是否阻塞等待获取资源，默认 true

池化对象的状态

池化对象的状态定义在 PooledObjectState 枚举中，有以下值：

  • IDLE 在池中，处于空闲状态
  • ALLOCATED 被使用中
  • EVICTION 正在被逐出器验证
  • VALIDATION 正在验证
  • INVALID 驱逐测试或验证失败并将被销毁
  • ABANDONED 对象被客户端拿出后，长时间未返回池中，或没有调用 use 方法，即被标记为抛弃的

例子

// 资源类
public class Resource {

    private static int id;
    private int rid;

    public Resource() {
        synchronized (this) {
            this.rid = id++;
        }
    }

    public int getRid() {
        return this.rid;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "id:" + this.rid;
    }

}

import org.apache.commons.pool2.BasePooledObjectFactory;
import org.apache.commons.pool2.PooledObject;
import org.apache.commons.pool2.impl.DefaultPooledObject;

// 工厂类
public class ResourcePoolableObjectFactory extends BasePooledObjectFactory<Resource>{
    
    /**
     * 创建一个对象实例
     */
    @Override
    public Resource create() throws Exception {
        return new Resource();
    }
    
    /**
     * 包裹创建的对象实例，返回一个pooledobject
     */
    @Override
    public PooledObject<Resource> wrap(Resource obj) {
        return new DefaultPooledObject<Resource>(obj);
    }
    
}

import org.apache.commons.pool2.PooledObjectFactory;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建池对象工厂
        PooledObjectFactory<Resource> factory = new ResourcePoolableObjectFactory();
        
        GenericObjectPoolConfig poolConfig = new GenericObjectPoolConfig();
        // 最大空闲数
        poolConfig.setMaxIdle(5);
        // 最小空闲数, 池中只有一个空闲对象的时候，池会在创建一个对象，并借出一个对象，从而保证池中最小空闲数为1
        poolConfig.setMinIdle(1);
        // 最大池对象总数
        poolConfig.setMaxTotal(20);
        // 逐出连接的最小空闲时间 默认1800000毫秒(30分钟)
        poolConfig.setMinEvictableIdleTimeMillis(1800000);
        // 逐出扫描的时间间隔(毫秒) 如果为负数,则不运行逐出线程, 默认-1
        poolConfig.setTimeBetweenEvictionRunsMillis(1800000 * 2L);
        // 在获取对象的时候检查有效性, 默认false
        poolConfig.setTestOnBorrow(true);
        // 在归还对象的时候检查有效性, 默认false
        poolConfig.setTestOnReturn(false);
        // 在空闲时检查有效性, 默认false
        poolConfig.setTestWhileIdle(false);
        // 最大等待时间， 默认的值为-1，表示无限等待。
        poolConfig.setMaxWaitMillis(5000);
        // 是否启用后进先出, 默认true
        poolConfig.setLifo(true);
        // 连接耗尽时是否阻塞, false报异常,ture阻塞直到超时, 默认true
        poolConfig.setBlockWhenExhausted(true);
        // 每次逐出检查时 逐出的最大数目 默认3
        poolConfig.setNumTestsPerEvictionRun(3);
        
        // 创建对象池
        final GenericObjectPool<Resource> pool = new GenericObjectPool<Resource>(factory, poolConfig);  
        
        for (int i = 0; i < 40; i++) {  
            new Thread(new Runnable() {  
                @Override  
                public void run() {  
                    try {  
                        Resource resource = pool.borrowObject();// 注意，如果对象池没有空余的对象，那么这里会block，可以设置block的超时时间  
                        System.out.println(resource);  
                        Thread.sleep(1000);  
                        pool.returnObject(resource);// 申请的资源用完了记得归还，不然其他人要申请时可能就没有资源用了  
                    } catch (Exception e) {  
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                }  
            }).start();  
        }  
    }
    
}

参考

一个广为人知但鲜有人用的技巧：对象池
Apache Common Pool2 对象池应用浅析

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