V2AS问路
Java中对象池的本质是什么？（实战分析版）
阅读原文时间：2021年05月21日阅读：1

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。

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：键值对形式的对象池接口，使用场景很少

  • KeyedPooledObjectFactory：同上，为键值对对象池管理对象的工厂

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

public enum PooledObjectState {
//在空闲队列中,还未被使用
IDLE,
//使用中
ALLOCATED,
//在空闲队列中,当前正在测试是否满足被驱逐的条件
EVICTION,
//不在空闲队列中，目前正在测试是否可能被驱逐。因为在测试过程中，试图借用对象，并将其从队列中删除。
//回收测试完成后，它应该被返回到队列的头部。
EVICTION_RETURN_TO_HEAD,
//在队列中，正在被校验
VALIDATION,
//不在队列中，当前正在验证。该对象在验证时被借用，由于配置了testOnBorrow，
//所以将其从队列中删除并预先分配。一旦验证完成，就应该分配它。
VALIDATION_PREALLOCATED,
//不在队列中，当前正在验证。在之前测试是否将该对象从队列中移除时，曾尝试借用该对象。
//一旦验证完成，它应该被返回到队列的头部。
VALIDATION_RETURN_TO_HEAD,
//无效状态(如驱逐测试或验证)，并将/已被销毁
INVALID,
//判定为无效,将会被设置为废弃
ABANDONED,
//正在使用完毕,返回池中
RETURNING
}

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getRemoveAbandonedTimeout则被标记为废弃。

private void removeAbandoned(final AbandonedConfig abandonedConfig) {
// Generate a list of abandoned objects to remove
final long now = System.currentTimeMillis();
final long timeout =
now - (abandonedConfig.getRemoveAbandonedTimeout() * 1000L);
final ArrayList> remove = new ArrayList<>();
final Iterator> it = allObjects.values().iterator();
while (it.hasNext()) {
final PooledObject pooledObject = it.next();
synchronized (pooledObject) {
if (pooledObject.getState() == PooledObjectState.ALLOCATED &&
pooledObject.getLastUsedTime() <= timeout) {
pooledObject.markAbandoned();
remove.add(pooledObject);
}
}
}

1.对象真实是存储在哪里？

private PooledObject create() throws Exception {
…..
final PooledObject p;
try {
p = factory.makeObject();
…..
allObjects.put(new IdentityWrapper<>(p.getObject()), p);
return p;
}

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

/*
* All of the objects currently associated with this pool in any state. It
* excludes objects that have been destroyed. The size of
* {@link #allObjects} will always be less than or equal to {@link
* #_maxActive}. Map keys are pooled objects, values are the PooledObject
* wrappers used internally by the pool.
*/
private final Map, PooledObject> allObjects =
new ConcurrentHashMap<>();

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)对对象进行校验，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

//….
private final LinkedBlockingDeque> idleObjects;
//….
public T borrowObject(final long borrowMaxWaitMillis) throws Exception {
assertOpen();
final AbandonedConfig ac = this.abandonedConfig;
if (ac != null && ac.getRemoveAbandonedOnBorrow() &&
(getNumIdle() < 2) && (getNumActive() > getMaxTotal() - 3) ) {
removeAbandoned(ac);
}
PooledObject p = null;
// Get local copy of current config so it is consistent for entire
// method execution
final boolean blockWhenExhausted = getBlockWhenExhausted();
boolean create;
final long waitTime = System.currentTimeMillis();
while (p == null) {
create = false;
p = idleObjects.pollFirst();
if (p == null) {
p = create();
if (p != null) {
create = true;
}
}
if (blockWhenExhausted) {
if (p == null) {
if (borrowMaxWaitMillis < 0) {
p = idleObjects.takeFirst();
} else {
p = idleObjects.pollFirst(borrowMaxWaitMillis,
TimeUnit.MILLISECONDS);
}
}
if (p == null) {
throw new NoSuchElementException(
"Timeout waiting for idle object");
}
} else {
if (p == null) {
throw new NoSuchElementException("Pool exhausted");
}
}
if (!p.allocate()) {
p = null;
}
if (p != null) {
try {
factory.activateObject(p);
} catch (final Exception e) {
try {
destroy(p, DestroyMode.NORMAL);
} catch (final Exception e1) {
// Ignore - activation failure is more important
}
p = null;
if (create) {
final NoSuchElementException nsee = new NoSuchElementException(
"Unable to activate object");
nsee.initCause(e);
throw nsee;
}
}
if (p != null && getTestOnBorrow()) {
boolean validate = false;
Throwable validationThrowable = null;
try {
validate = factory.validateObject(p);
} catch (final Throwable t) {
PoolUtils.checkRethrow(t);
validationThrowable = t;
}
if (!validate) {
try {
destroy(p, DestroyMode.NORMAL);
destroyedByBorrowValidationCount.incrementAndGet();
} catch (final Exception e) {
// Ignore - validation failure is more important
}
p = null;
if (create) {
final NoSuchElementException nsee = new NoSuchElementException(
"Unable to validate object");
nsee.initCause(validationThrowable);
throw nsee;
}
}
}
}
}
updateStatsBorrow(p, System.currentTimeMillis() - waitTime);
return p.getObject();
}

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，我们则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。

public void returnObject(final T obj) {
final PooledObject p = allObjects.get(new IdentityWrapper<>(obj));
//….
//校验失败直接销毁 return
//…
try {
factory.passivateObject(p);
} catch (final Exception e1) {
swallowException(e1);
try {
destroy(p, DestroyMode.NORMAL);
} catch (final Exception e) {
swallowException(e);
}
try {
ensureIdle(1, false);
} catch (final Exception e) {
swallowException(e);
}
updateStatsReturn(activeTime);
return;
}
//……
//返回空闲队列
}

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

  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。

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

private volatile int maxIdle = GenericObjectPoolConfig.DEFAULT_MAX_IDLE;
private volatile int minIdle = GenericObjectPoolConfig.DEFAULT_MIN_IDLE;
public static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
public static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;

  • 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

public T borrowObject() throws Exception {
return borrowObject(getMaxWaitMillis());
}

可以看到默认的最大等待时间为-1L

private volatile long maxWaitMillis =
BaseObjectPoolConfig.DEFAULT_MAX_WAIT_MILLIS;
//….
public static final long DEFAULT_MAX_WAIT_MILLIS = -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()

public T borrowObject(final long borrowMaxWaitMillis) throws Exception {
//…….
final boolean blockWhenExhausted = getBlockWhenExhausted();
boolean create;
final long waitTime = System.currentTimeMillis();
while (p == null) {
//…….
if (blockWhenExhausted) {
if (p == null) {
if (borrowMaxWaitMillis < 0) {
p = idleObjects.takeFirst();
} else {
p = idleObjects.pollFirst(borrowMaxWaitMillis,
TimeUnit.MILLISECONDS);
}
}
}
}
}

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

public E takeFirst() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
E x;
while ( (x = unlinkFirst()) == null) {
notEmpty.await();
}
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}

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：

try{
item = pool.borrowObject();
} catch(Exception e) {
log.error("….");
} finally {
pool.returnObject(item);
}

实例1：实现一个简单的字符串池

创建字符串工厂

package com.anqi.demo.demopool2.pool.fac;

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

/**
* 字符串池工厂
*/
public class StringPoolFac extends BasePooledObjectFactory {
public StringPoolFac() {
super();
}

@Override  
public String create() throws Exception {  
    return "str-val-";  
}

@Override  
public PooledObject<String> wrap(String s) {  
    return new DefaultPooledObject<>(s);  
}

@Override  
public void destroyObject(PooledObject<String> p) throws Exception {  
}

@Override  
public boolean validateObject(PooledObject<String> p) {  
    return super.validateObject(p);  
}

@Override  
public void activateObject(PooledObject<String> p) throws Exception {  
    super.activateObject(p);  
}

@Override  
public void passivateObject(PooledObject<String> p) throws Exception {  
    super.passivateObject(p);  
}

}

创建字符串池

package com.anqi.demo.demopool2.pool;

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

/**
* 字符串池
*/
public class StringPool extends GenericObjectPool {
public StringPool(PooledObjectFactory factory) {
super(factory);
}

public StringPool(PooledObjectFactory<String> factory, GenericObjectPoolConfig<String> config) {  
    super(factory, config);  
}

}

测试主类

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

import com.anqi.demo.demopool2.pool.fac.StringPoolFac;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class StringPoolTest {
private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(StringPoolTest.class);

public static void main(String\[\] args) {  
    StringPoolFac fac = new StringPoolFac();  
    GenericObjectPoolConfig<String> config = new GenericObjectPoolConfig<>();  
    config.setMaxTotal(2);  
    config.setMinIdle(1);  
    config.setMaxWaitMillis(3000);  
    StringPool pool = new StringPool(fac, config);  
    for (int i = 0; i < 3; i++) {  
        String s = "";  
        try {  
            s = pool.borrowObject();  
            LOG.info("str:{}", s);  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {

// if (!s.equals("")) {
// pool.returnObject(s);
// }
}
}
}
}

结果如下,在两次成功调用之后，阻塞3S，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3S，之后报错取用失败。

16:18:42.499 [main] INFO com.anqi.demo.demopool2.pool.StringPoolTest - str:str-val-
16:18:42.505 [main] INFO com.anqi.demo.demopool2.pool.StringPoolTest - str:str-val-
java.util.NoSuchElementException: Timeout waiting for idle object

我们放开注释，释放资源后得到正常执行结果

16:20:52.384 [main] INFO com.anqi.demo.demopool2.pool.StringPoolTest - str:str-val-
16:20:52.388 [main] INFO com.anqi.demo.demopool2.pool.StringPoolTest - str:str-val-
16:20:52.388 [main] INFO com.anqi.demo.demopool2.pool.StringPoolTest - str:str-val-

全部代码地址

https://github.com/Motianshi/alldemo/tree/master/demo-pool2

手机扫一扫

移动阅读更方便

阿里云服务器
腾讯云服务器
七牛云服务器

你可能感兴趣的文章

JDK中「SPI」原理分析
手写RPC框架之泛化调用
cephadm快速部署指定版本ceph集群及生产问题处理

4

杰哥教你面试之一百问系列:java中高级多线程concurrent的使用

5

ShardingSphere实战

6

elasticsearch wildcard 慢查询原因分析(深入到源码!!!)

7

jdk17下netty导致堆内存疯涨原因排查

8

原来你是这样的JAVA[05]--String

9

对象存储？CRUD Boy实现对文件的增删改查

10

杰哥教你面试之一百问系列:java多线程