對象池技術原理分析論文

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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

1Java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

運算操作示例標準化時間

本地賦值i=n1.0

實例賦值this.i=n1.2

方法調用Funct()5.9

新建對象NewObject()980

新建數組Newint[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（GarbageCollector）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。

2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，即對于那些被頻繁使用的對象，在使用完后，不立即將它們釋放，而是將它們緩存起來，以供后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，由于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

該類主要用于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：用于創建特定類型和設置的對象池；

·destroyPool：用于釋放指定的對象池；

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：

publicstaticObjectPoolFactorygetInstance(){

if(poolFactory==null){

poolFactory=newObjectPoolFactory();

}

returnpoolFactory;

}

2）參數對象（ParameterObject）類

該類主要用于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

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

·getObject：用于從池中借出對象；

·returnObject：將池化對象返回到池中，并通知所有處于等待狀態的線程；

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。

3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：

...

publicObjectPoolcreatePool(ParameterObjectparaObj,

ClassclsType){

returnnewObjectPool(paraObj,clsType);

}

...

其中，paraObj參數用于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）創建以后，下面就是利用它來管理對象了，具體實現如下：

publicclassObjectPool{

privateParameterObjectparaObj;//該對象池的屬性參數對象

privateClassclsType;//該對象池中所存放對象的類型

privateintcurrentNum=0;//該對象池當前已創建的對象數目

privateObjectcurrentObj;//該對象池當前可以借出的對象

privateVectorpool;//用于存放對象的池

publicObjectPool(ParameterObjectparaObj,ClassclsType){

this.paraObj=paraObj;

this.clsType=clsType;

pool=newVector();

}

publicObjectgetObject(){

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于所限制的最大值，就利用

//PoolObjectFactory創建一個新的對象

PoolableObjectFactoryobjFactory=

PoolableObjectFactory.getInstance();

currentObj=objFactory.createObject(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(InterruptedExceptione){

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();

}

returncurrentObj;

}

publicvoidreturnObject(Objectobj){

//確保對象具有正確的類型

if(obj.isInstance(clsType)){

pool.addElement(obj);

synchronized(this){

notifyAll();

}

}else{

thrownewIllegalArgumentException("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，并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。當對象池里不再有可用對象時，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，新對象實例的創建并不在ObjectPool類中，而是由PoolableObjectFactory類的createObject方法來完成的，具體實現如下：

...

publicObjectcreateObject(ClassclsType){

Objectobj=null;

try{

obj=clsType.newInstance();

}catch(Exceptione){

e.printStackTrace();

}

returnobj;

}

...

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

ObjectPoolFactorypoolFactory=ObjectPoolFactory.getInstance();

//定義所創建對象池的屬性

ParameterObjectparaObj=newParameterObject(2,1);

//利用對象池工廠,創建一個存放StringBuffer類型對象的對象池

ObjectPoolpool=poolFactory.createPool(paraObj,StringBuffer.class);

//從池中取出一個StringBuffer對象

StringBufferbuffer=(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，由于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。

4專用對象池的實現

由于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）：

publicclassObjectPool{

privateParameterObjectparaObj;//該對象池的屬性參數對象

privateintcurrentNum=0;//該對象池當前已創建的對象數目

privateStringBuffercurrentObj;//該對象池當前可以借出的對象

privateVectorpool;//用于存放對象的池

publicObjectPool(ParameterObjectparaObj){

this.paraObj=paraObj;

pool=newVector();

}

publicStringBuffergetObject(){

if(pool.size()<=paraObj.getMinCount()){

if(currentNum<=paraObj.getMaxCount()){

currentObj=newStringBuffer();

currentNum++;

}

...

}

returncurrentObj;

}

publicvoidreturnObject(Objectobj){

//確保對象具有正確的類型

if(StringBuffer.isInstance(obj)){

...

}

}

5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，如對于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：

·并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并不重要的話，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。

參考文獻

[1]BruceEckel著，京京工作室譯，Java編程思想【M】，機械工業出版社，2003年1月