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
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
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。
- 对象池创建(参考GenericObjectPool):
public GenericObjectPool(PoolableObjectFactory factory, GenericObjectPool.Config config)
此方法创建一个GenericObjectPool实例,GenericObjectPool类已经实现了和对象池有关的所有核心操作,开发者可以通过继承或者封装的方式来使用它.通过此构造函数,我们能够清晰的看到,一个Pool中需要指定PoolableObjectFactory 实例,以及此对象池的Config信息.PoolableObjectFactory主要用来"创建新对象",比如当对象池中的对象不足时,可以使用PoolableObjectFactory.makeObject()方法来创建对象,并交付给Pool管理.
此构造函数实例化了一个LinkedList作为"对象池"容器,用来存取"对象".此外还会根据timeBetweenEvictionRunsMillis的值来决定是否启动一个后台线程,此线程用来周期性扫描pool中的对象列表,已检测"对象池中的对象"空闲(idle)的时间是否达到了阀值,如果是,则移除此对象.
2）参数对象（ParameterObject）类
该类主要用于封装所创建对象池的对象存取机制，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：
- Object borrowObject() : 从Pool获取一个对象,此操作将导致一个"对象"从Pool移除(脱离Pool管理),调用者可以在获得"对象"引用后即可使用,且需要在使用结束后"归还".
public Object borrowObject() throws Exception {
Object value = null;
synchronized (this) {
if(!_pool.isEmpty()){
value = _pool.remove();
}
}
for(;;) {
//如果Pool中没有"对象",则根据相应的"耗尽"策略
if(value == null) {
switch(whenExhaustedAction) {
//如果耗尽,仍继续创建新"对象"
case WHEN_EXHAUSTED_GROW:
value = _factory.makeObject();
break;
//如果耗尽,则终止,此时以异常的方式退出.
case WHEN_EXHAUSTED_FAIL:
throw new NoSuchElementException("Pool exhausted");
//如果耗尽,则阻塞,直到有"对象"归还
case WHEN_EXHAUSTED_BLOCK:
try {
synchronized (value) {
if (value == null) {
//maxWait为Config中指定的"最大等待时间"
if(maxWait <= 0) {
latch.wait();
} else {
latch.wait(waitTime);
}
} else {
break;
}
}
} catch(InterruptedException e) {
//
break;
}
default://
}
}
try {
_factory.activateObject(latch.getPair().value);
if(_testOnBorrow &&
!_factory.validateObject(latch.getPair().value)) {
throw new Exception("ValidateObject failed");
}
return value;
}
catch (Throwable e) {
try {
_factory.destroyObject(latch.getPair().value);
} catch (Throwable e2) {
//
}
}
}
}
- void returnObject(Object obj) : "归还"对象,当"对象"使用结束后,需要归还到Pool中,才能维持Pool中对象的数量可控,如果不归还到Pool,那么将意味着在Pool之外,将有大量的"对象"存在,那么就使用了"对象池"的意义.如下为伪代码:
public void returnObject(Object obj) throws Exception {
try {
boolean success = true;//
if(_testOnReturn && !(_factory.validateObject(obj))) {
success = false;
} else {
_factory.passivateObject(obj);
}
synchronized (this) {
//检测pool中已经空闲的对象个数是否达到阀值.
if((_maxIdle >= 0) && (_pool.size() >= _maxIdle)) {
success = false;
} else if(success) {
_pool.addFirst(new ObjectTimestampPair(obj));
}
}
// Destroy the instance if necessary
if(!success) {
try {
_factory.destroyObject(obj);
} catch(Exception e) {
// ignored
}
}
} catch (Exception e) {
//
}
}
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。
通过使用ObjectFactory(工厂模式)的方式将"对象池中的对象"的创建/检测/销毁等特性解耦出来,这是一个非常良好的设计思想.此接口有一个抽象类BasePoolableObjectFactory,可供开发者继承和实现.
- Object makeObject() : 创建一个新对象;当对象池中的对象个数不足时,将会使用此方法来"输出"一个新的"对象",并交付给对象池管理.
- void destroyObject(Object obj) : 销毁对象,如果对象池中检测到某个"对象"idle的时间超时,或者操作者向对象池"归还对象"时检测到"对象"已经无效,那么此时将会导致"对象销毁";"销毁对象"的操作设计相差甚远,但是必须明确:当调用此方法时,"对象"的生命周期必须结束.如果object是线程,那么此时线程必须退出;如果object是socket操作,那么此时socket必须关闭;如果object是文件流操作,那么此时"数据flush"且正常关闭.
- boolean validateObject(Object obj) : 检测对象是否"有效";Pool中不能保存无效的"对象",因此"后台检测线程"会周期性的检测Pool中"对象"的有效性,如果对象无效则会导致此对象从Pool中移除,并destroy;此外在调用者从Pool获取一个"对象"时,也会检测"对象"的有效性,确保不能讲"无效"的对象输出给调用者;当调用者使用完毕将"对象归还"到Pool时,仍然会检测对象的有效性.所谓有效性,就是此"对象"的状态是否符合预期,是否可以对调用者直接使用;如果对象是Socket,那么它的有效性就是socket的通道是否畅通/阻塞是否超时等.
- void activateObject(Object obj) : "激活"对象,当Pool中决定移除一个对象交付给调用者时额外的"激活"操作,比如可以在activateObject方法中"重置"参数列表让调用者使用时感觉像一个"新创建"的对象一样;如果object是一个线程,可以在"激活"操作中重置"线程中断标记",或者让线程从阻塞中唤醒等;如果object是一个socket,那么可以在"激活操作"中刷新通道,或者对socket进行链接重建(假如socket意外关闭)等.
- void void passivateObject(Object obj) : "钝化"对象,当调用者"归还对象"时,Pool将会"钝化对象";钝化的言外之意,就是此"对象"暂且需要"休息"一下.如果object是一个socket,那么可以passivateObject中清除buffer,将socket阻塞;如果object是一个线程,可以在"钝化"操作中将线程sleep或者将线程中的某个对象wait.需要注意的时,activateObject和passivateObject两个方法需要对应,避免死锁或者"对象"状态的混乱.
首选需要声明,不同的"对象池"(或者连接池)在设计上可能存在很大的区别,但是在思想上大同小异
基本对象获取与归还原理
管理控制策略PoolConfig
- maxActive: 链接池中最大连接数,默认为8.
- maxIdle: 链接池中最大空闲的连接数,默认为8.
- minIdle: 连接池中最少空闲的连接数,默认为0.
- maxWait: 当连接池资源耗尽时，调用者最大阻塞的时间，超时将跑出异常。单位，毫秒数;默认为-1.表示永不超时.
- minEvictableIdleTimeMillis: 连接空闲的最小时间，达到此值后空闲连接将可能会被移除。负值(-1)表示不移除。
- softMinEvictableIdleTimeMillis: 连接空闲的最小时间，达到此值后空闲链接将会被移除，且保留“minIdle”个空闲连接数。默认为-1.
- numTestsPerEvictionRun: 对于“空闲链接”检测线程而言，每次检测的链接资源的个数。默认为3.
- testOnBorrow: 向调用者输出“链接”资源时，是否检测是有有效，如果无效则从连接池中移除，并尝试获取继续获取。默认为false。建议保持默认值.
- testOnReturn: 向连接池“归还”链接时，是否检测“链接”对象的有效性。默认为false。建议保持默认值.
- testWhileIdle: 向调用者输出“链接”对象时，是否检测它的空闲超时；默认为false。如果“链接”空闲超时，将会被移除。建议保持默认值.
- timeBetweenEvictionRunsMillis: “空闲链接”检测线程，检测的周期，毫秒数。如果为负值，表示不运行“检测线程”。默认为-1.
- whenExhaustedAction: 当“连接池”中active数量达到阀值时，即“链接”资源耗尽时，连接池需要采取的手段, 默认为1：
-> 0 : 抛出异常，
-> 1 : 阻塞，直到有可用链接资源
-> 2 : 强制创建新的链接资源
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)) {
. . .
}
}
小结
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。
代码实例
本实例主要用来演示一个"TCP连接池".
1) ConnectionPoolFactory.java:
public class ConnectionPoolFactory {
private GenericObjectPool pool;
public ConnectionPoolFactory(Config config,String ip,int port){
ConnectionFactory factory = new ConnectionFactory(ip, port);
pool = new GenericObjectPool(factory, config);
}
public Socket getConnection() throws Exception{
return (Socket)pool.borrowObject();
}
public void releaseConnection(Socket socket){
try{
pool.returnObject(socket);
}catch(Exception e){
if(socket != null){
try{
socket.close();
}catch(Exception ex){
//
}
}
}
}
/**
* inner
* @author qing
*
*/
class ConnectionFactory extends BasePoolableObjectFactory {
private InetSocketAddress address;
public ConnectionFactory(String ip,int port){
address = new InetSocketAddress(ip, port);
}
@Override
public Object makeObject() throws Exception {
Socket socket = new Socket();
socket.connect(address);
return socket;
}
public void destroyObject(Object obj) throws Exception {
if(obj instanceof Socket){
((Socket)obj).close();
}
}
public boolean validateObject(Object obj) {
if(obj instanceof Socket){
Socket socket = ((Socket)obj);
if(!socket.isConnected()){
return false;
}
if(socket.isClosed()){
return false;
}
return true;
}
return false;
}
}
}