■Java中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,对象的清除.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

运算操作|示例|标准化时间

本地赋值|i = n |1.0

实例赋值|this.i = n|1.2

方法调用|Funct()|5.9

新建对象|New Object() |980

新建数组|New int[10] |3100

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:

public static ObjectPoolFactory getInstance() {
if (poolFactory == null) {
poolFactory = new ObjectPoolFactory();
}
return poolFactory;
}

2)参数对象(ParameterObject)类

该类主要用于封装所创建对象池的一些属性参数,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:

•getObject:用于从池中借出对象;

•returnObject:将池化对象返回到池中,并通知所有处于等待状态的线程;

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)) {
. . .
}
}

结束语

1.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:

2.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.

3.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.