Java中对象池的本质是什么?(实战分析版)

>>强大,10k+点赞的 SpringBoot 后台管理系统竟然出了详细教程!

Java中对象池的本质是什么?(实战分析版)

简介

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。

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

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。

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<PooledObject<T>> remove = new ArrayList<>();
    final Iterator<PooledObject<T>> it = allObjects.values().iterator();
    while (it.hasNext()) {
        final PooledObject<T> pooledObject = it.next();
        synchronized (pooledObject) {
            if (pooledObject.getState() == PooledObjectState.ALLOCATED &&
                    pooledObject.getLastUsedTime() <= timeout) {
                pooledObject.markAbandoned();
                remove.add(pooledObject);
            }
        }
    }

流程理解

1.对象真实是存储在哪里?

 private PooledObject<T> create() throws Exception {
    .....
   final PooledObject<T> 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<IdentityWrapper<T>, PooledObject<T>> 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
  • 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<PooledObject<T>> 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<T> 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)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<T> 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(1false);
            } catch (final Exception e) {
                swallowException(e);
            }
            updateStatsReturn(activeTime);
            return;
        }
      //......
      //返回空闲队列
    }

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

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。

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
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);
 }

实例使用

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<String{
    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<String{
    public StringPool(PooledObjectFactory<String> 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

推荐好文

>>【练手项目】基于SpringBoot的ERP系统,自带进销存+财务+生产功能

>>分享一套基于SpringBoot和Vue的企业级中后台开源项目,代码很规范!

>>能挣钱的,开源 SpringBoot 商城系统,功能超全,超漂亮!

Java中对象池的本质是什么?(实战分析版)

原文始发于微信公众号(Java知音):Java中对象池的本质是什么?(实战分析版)