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Java 中对象池的本质是什么?

对象池顾名思义就是存放对象的池,与我们常听到的线程池、数据库连接池、HTTP 连接池等一样,都是典型的池化设计思想。

对象池的优点就是可以集中管理池中对象,减少频繁创建和销毁长期使用的对象,从而提升复用性,以节约资源的消耗,可以有效避免频繁为对象分配内存和释放堆中内存,进而减轻 JVM 垃圾收集器的负担,避免内存抖动。

Apache Common Pool2 是 Apache 提供的一个通用对象池技术实现,可以方便定制化自己需要的对象池,大名鼎鼎的 Redis 客户端 Jedis 内部连接池就是基于它来实现的。

1 核心接口

Apache Common Pool2 的核心内部类如下:

  • ObjectPool:对象池接口,对象池实体,取用对象的地方。
    • 对象的提供与归还(工厂来操作):borrowObject returnObject
    • 创建对象(使用工厂来创建):addObject
    • 销毁对象(使用工厂来销毁):invalidateObject
    • 池中空闲对象数量、被使用对象数量:getNumActive getNumIdle
  • PooledObject:被包装的对象,是池中的对象,除了对象本身之外包含了创建时间、上次被调用时间等众多信息;
  • PooledObjectFactory:对象工厂,管理对象的生命周期,提供了对象创建、销毁、验证、钝化、激活等一系列功能;
  • BaseObjectPoolConfig:提供一些必要的配置,例如空闲队列是否先进先出、工厂创建对象前是否需要测试、对象从对象池取出时是否测试等基础属性,GenericObjectPoolConfig继承了本类做了默认配置,我们在实际使用中继承它即可,可以结合业务情况扩展对象池配置,例如数据库连接池线程前缀、字符串池长度或名称规则等;
  • KeyedObjectPool<K,V>:键值对形式的对象池接口,使用场景很少;
  • KeyedPooledObjectFactory<K,V>:同上,为键值对对象池管理对象的工厂。

2 池对象的状态

查看源码 PooledObjectState 枚举下列出了池对象所有可能处于的状态。

状态理解

  • abandoned :被借出后,长时间未被使用则被标记为该状态。如代码所示,当该对象处于 ALLOCATED 状态,即被借出使用中,距离上次被使用的时间超过了设置的 getRemoveAbandonedTimeou t则被标记为废弃。

3 流程理解

1. 对象真实是存储在哪里?

我们查看 allObjects,所有对象都存储于 ConcurrentHashMap,除了被杀掉的对象。

2. 取用对象的逻辑

归纳如下:

  • 首先,根据 AbandonedConfig 配置判断是否取用对象前执行清理操作;
  • 再从 idleObject 中尝试获取对象,获取不到就创建新的对象
    • 判断 blockWhenExhausted 是否设置为 true。这个配置的意思是,当对象池的 active 状态的对象数量已经达到最大值 maxinum 时,是否进行阻塞直到有空闲对象;
    • 是的话按照设置的 borrowMaxWaitMillis 属性等待可用对象。
  • 有可用对象后,调用工厂的 factory.activateObject 方法激活对象;
  • 当 getTestOnBorrow 设置为 true 时,调用 factory.validateObject(p) 为对象进行校验,通过校验后执行下一步;
  • 调用 updateStatsBorrow 方法,在对象被成功借出后更新一些统计项,例如返回对象池的对象个数等。

3. 工厂的 passivateObject(PooledObject<T> p) 和 passivateObject(PooledObject<T> p) 即对象的激活和钝化方法有什么用?

如以下源码所示,在对象使用完被返回对象池时,如果校验失败直接销毁,如果校验通过需要先钝化对象再存入空闲队列。至于激活对象的方法在上述取用对象时也会先激活再被取出。

因此我们可以发现处于空闲和使用中的对象他们除了状态不一致,我们也可以通过激活和钝化的方式在他们之间增加新的差异。

例如我们要做一个 Elasticsearch 连接池,每个对象就是一个带有 IP 和端口的连接实例。很显然访问 es 集群是多个不同的 IP,所以每次访问的ip不一定相同。我们可以在激活操作为对象赋值 IP 和端口,钝化操作中将 IP 和端口归为默认值或者空,这样流程更为标准。

4 对象池相关配置项

对象池提供了许多配置项,在我们使用的 GenericObjectPool 默认基础对象池中可以通过构造方法传参传入 GenericObjectPoolConfig。

当然,我们也可以看 GenericObjectPoolConfig 底层实现的基础类 BaseObjectPoolConfig,具体包含如下配置:

  • maxTotal:对象池中最大使用数量,默认为 8;
  • maxIdle:对象中空闲对象最大数量,默认为 8;
  • minIdle:对象池中空闲对象最小数量,默认为 8;
  • lifo:当去获取对象池中的空闲实例时,是否需要遵循后进先出的原则,默认为 true;
  • blockWhenExhausted:当对象池处于 exhausted 状态,即可用实例为空时,是否阻塞来获取实例的线程,默认 true;
  • fairness:当对象池处于 exhausted 状态,即可用实例为空时,大量线程在同时阻塞等待获取可用的实例,fairness 配置来控制是否启用公平锁算法,即先到先得,默认为 false。这一项的前提是 blockWhenExhausted 配置为 true;
  • maxWaitMillis:最大阻塞时间,当对象池处于 exhausted 状态,即可用实例为空时,大量线程在同时阻塞等待获取可用的实例,如果阻塞时间超过了 maxWaitMillis 将会抛出异常。当此值为负数时,代表无限期阻塞直到可用。默认为 -1;
  • testOnCreate:创建对象前是否校验(即调用工厂的 validateObject() 方法),如果检验失败,那么 borrowObject() 返回将失败,默认为 false;
  • testOnBorrow:取用对象前是否检验,默认为 false;
  • testOnReturn:返回对象池前是否检验,即调用工厂的 returnObject()。若检验失败会销毁对象而不是返回池中,默认为 false;
  • timeBetweenEvictionRunsMillis:驱逐周期,默认为 -1。代表不进行驱逐测试;
  • testWhileIdle:处于 idle 队列中即闲置的对象是否被驱逐器进行驱逐验证,当该对象上次运行时间距当前超过了 setTimeBetweenEvictionRunsMillis(long)) 设置的值,将会被驱逐验证,调用 validateObject() 方法,若验证成功,对象将会销毁。默认为 false。

5 使用步骤

  1. 创建工厂类:通过继承 BaseGenericObjectPool 或者实现基础接口 PooledObjectFactory,并按照业务需求重写对象的创建、销毁、校验、激活、钝化方法,其中销毁多为连接的关闭、置空等;
  2. 创建池:通过继承 GenericObjectPool 或者实现基础接口 ObjectPool,建议使用前者。它为我们提供了空闲对象驱逐检测机制(即将空闲队列中长时间未使用的对象销毁,降低内存占用),以及提供了很多对象的基本信息,例如对象最后被使用的时间、使用对象前是否检验等;
  3. 创建池相关配置(可选):通过继承 GenericObjectPoolConfig 或者继承 BaseObjectPoolConfig,来增加对线程池的配置控制,建议使用前者。它为我们实现了基本方法,只需要自己添加需要的属性即可;
  4. 创建包装类(可选):即要存在于对象池中的对象,在实际对象之外添加许多基础属性,便于了解对象池中对象的实时状态。

6 注意事项

我们虽然使用了默认实现,但是也应该结合实际生产情况进行优化,不能使用了线程池而性能却更低了。在使用中我们应注意以下事项:

  • 要为对象池设置空闲队列最大最小值,默认最大最小值。默认最大为 8 往往不能满足需要。
  • 对象池设置 maxWaitMillis 属性,即取用对象最大等待时间;
  • 使用完对象及时释放对象,将对象返回池中。特别是发生了异常也要通过 try..chatch..finally 的方式确保释放,避免占用资源。

我们展开讲讲注意事项。

首先,为什么要设置 maxWaitMillis?我们取用对象使用的如下方法:

可以看到默认的最大等待时间为 -1L。

我们再来查看取用对象逻辑:blockWhenExhausted 默认为 true。意思是当池中不存在空闲对象时,又来取用对象,线程将会被阻塞直到有新的可用对象。从上我们得知 -1L 将会执行 idleObjects.takeFirst()。

如下,阻塞队列将会一直阻塞,直到有了空闲对象才停止阻塞。这样的设定将会在吞吐提高时造成大面积阻塞影响。

还有一个注意事项就是要记得回收资源,即调用 public void returnObject(final T obj)方法。原因显而易见,对象池对我们是否使用完了对象是无感知的,需要我们调用该方法回收对象,特别是发生异常也要保证回收,因此最佳实践如下:

7 实例使用

7.1 实现一个简单的字符串池

创建字符串工厂

创建字符串池

测试主类

首先,我们设置 setMaxTotal 为 2,即最多有两个对象被取出使用。设置 setMaxWaitMillis 为 3 秒,即最多被阻塞 3 秒,我们循环取用3次,并不释放资源。

在两次成功调用之后,阻塞 3 秒,接着程序报错停止。这是因为可用资源最多为 2,若不释放将会无资源可用,新来的调用者会被阻塞 3 秒,之后报错取用失败。

结果如下:

我们放开注释,释放资源后得到正常执行结果:

全部代码地址:github.com/Motianshi/alldemo/tree/master/demo-pool2

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本文分享自微信公众号 - java一日一条(mjx_java)

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原始发表时间:2021-05-31

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