Java對(duì)象的生命周期分析

　　Java對(duì)象的生命周期大致包括三個(gè)階段：對(duì)象的創(chuàng)建，對(duì)象的使用，對(duì)象的清除。因此，對(duì)象的生命周期長(zhǎng)度可用如下的表達(dá)式表示：T = T1 + T2 +T3。其中T1表示對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間，T2表示對(duì)象的使用時(shí)間，而T3則表示其清除時(shí)間。由此，我們可以看出，只有T2是真正有效的時(shí)間，而T1、T3則是對(duì)象本身的開(kāi)銷。下面再看看T1、T3在對(duì)象的整個(gè)生命周期中所占的比例。

　　我們知道，Java對(duì)象是通過(guò)構(gòu)造函數(shù)來(lái)創(chuàng)建的，在這一過(guò)程中，該構(gòu)造函數(shù)鏈中的所有構(gòu)造函數(shù)也都會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。另外，默認(rèn)情況下，調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，Java會(huì)把變量初始化成確定的值：所有的對(duì)象被設(shè)置成 null，整數(shù)變量（byte、short、int、long）設(shè)置成0，float和double變量設(shè)置成0.0，邏輯值設(shè)置成false。所以用 new關(guān)鍵字來(lái)新建一個(gè)對(duì)象的時(shí)間開(kāi)銷是很大的，如表1所示。

　　表1 一些操作所耗費(fèi)時(shí)間的對(duì)照表

運(yùn)算操作 示例 標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間   
本地賦值 i = n 1.0   
實(shí)例賦值 this.i = n 1.2   
方法調(diào)用 Funct() 5.9   
新建對(duì)象 New Object() 980   
新建數(shù)組 New int[10] 3100  

　從表1可以看出，新建一個(gè)對(duì)象需要980個(gè)單位的時(shí)間，是本地賦值時(shí)間的980倍，是方法調(diào)用時(shí)間的166倍，而若新建一個(gè)數(shù)組所花費(fèi)的時(shí)間就更多了。

　　再看清除對(duì)象的過(guò)程。我們知道，Java語(yǔ)言的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是Java程序員勿需再像C/C++程序員那樣，顯式地釋放對(duì)象，而由稱為垃圾收集器（Garbage Collector）的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)，定時(shí)或在內(nèi)存凸現(xiàn)出不足時(shí)，自動(dòng)回收垃圾對(duì)象所占的內(nèi)存。凡事有利總也有弊，這雖然為Java程序設(shè)計(jì)者提供了極大的方便，但同時(shí)它也帶來(lái)了較大的性能開(kāi)銷。這種開(kāi)銷包括兩方面，首先是對(duì)象管理開(kāi)銷，GC為了能夠正確釋放對(duì)象，它必須監(jiān)控每一個(gè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，包括對(duì)象的申請(qǐng)、引用、被引用、賦值等。其次，在GC開(kāi)始回收“垃圾”對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)暫停應(yīng)用程序的執(zhí)行，而獨(dú)自占用CPU。

　　因此，如果要改善應(yīng)用程序的性能，一方面應(yīng)盡量減少創(chuàng)建新對(duì)象的次數(shù)；同時(shí)，還應(yīng)盡量減少T1、T3的時(shí)間，而這些均可以通過(guò)對(duì)象池技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)象池技術(shù)的基本原理

　　對(duì)象池技術(shù)基本原理的核心有兩點(diǎn)：緩存和共享，即對(duì)于那些被頻繁使用的對(duì)象，在使用完后，不立即將它們釋放，而是將它們緩存起來(lái)，以供后續(xù)的應(yīng)用程序重復(fù)使用，從而減少創(chuàng)建對(duì)象和釋放對(duì)象的次數(shù)，進(jìn)而改善應(yīng)用程序的性能。事實(shí)上，由于對(duì)象池技術(shù)將對(duì)象限制在一定的數(shù)量，也有效地減少了應(yīng)用程序內(nèi)存上的開(kāi)銷。

　　實(shí)現(xiàn)一個(gè)對(duì)象池，一般會(huì)涉及到如下的類：

　　1）對(duì)象池工廠（ObjectPoolFactory）類

　　該類主要用于管理相同類型和設(shè)置的對(duì)象池（ObjectPool），它一般包含如下兩個(gè)方法：

　　·createPool：用于創(chuàng)建特定類型和設(shè)置的對(duì)象池；

　　·destroyPool：用于釋放指定的對(duì)象池；

　　同時(shí)為保證ObjectPoolFactory的單一實(shí)例，可以采用Singleton設(shè)計(jì)模式，見(jiàn)下述getInstance方法的實(shí)現(xiàn)：

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

　　2）參數(shù)對(duì)象（ParameterObject）類

　　該類主要用于封裝所創(chuàng)建對(duì)象池的一些屬性參數(shù)，如池中可存放對(duì)象的數(shù)目的最大值（maxCount）、最小值（minCount）等。

　　3）對(duì)象池（ObjectPool）類

　　用于管理要被池化對(duì)象的借出和歸還，并通知PoolableObjectFactory完成相應(yīng)的工作。它一般包含如下兩個(gè)方法：

　　　·getObject：用于從池中借出對(duì)象；
　　　·returnObject：將池化對(duì)象返回到池中，并通知所有處于等待狀態(tài)的線程；

　　4）池化對(duì)象工廠（PoolableObjectFactory）類

　　該類主要負(fù)責(zé)管理池化對(duì)象的生命周期，就簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一般包括對(duì)象的創(chuàng)建及銷毀。該類同ObjectPoolFactory一樣，也可將其實(shí)現(xiàn)為單實(shí)例。
　通用對(duì)象池的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)象池的構(gòu)造和管理可以按照多種方式實(shí)現(xiàn)。最靈活的方式是將池化對(duì)象的Class類型在對(duì)象池之外指定，即在ObjectPoolFactory類創(chuàng)建對(duì)象池時(shí)，動(dòng)態(tài)指定該對(duì)象池所池化對(duì)象的Class類型，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

. . .   
public ObjectPool createPool(ParameterObject paraObj,Class clsType) {   
　return new ObjectPool(paraObj, clsType);   
}   
. . .  

　　其中，paraObj參數(shù)用于指定對(duì)象池的特征屬性，clsType參數(shù)則指定了該對(duì)象池所存放對(duì)象的類型。對(duì)象池（ObjectPool）創(chuàng)建以后，下面就是利用它來(lái)管理對(duì)象了，具體實(shí)現(xiàn)如下：
 

public class ObjectPool {   
　private ParameterObject paraObj;//該對(duì)象池的屬性參數(shù)對(duì)象   
　private Class clsType;//該對(duì)象池中所存放對(duì)象的類型   
　private int currentNum = 0; //該對(duì)象池當(dāng)前已創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)目   
　private Object currentObj;//該對(duì)象池當(dāng)前可以借出的對(duì)象   
　private Vector pool;//用于存放對(duì)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()) {   
　　　　//如果當(dāng)前池中無(wú)對(duì)象可用，而且已創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)目小于所限制的最大值，就利用   
　　　　//PoolObjectFactory創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象   
　　　　PoolableObjectFactory objFactory =PoolableObjectFactory.getInstance();   
　　　　currentObj = objFactory.create Object (clsType);   
　　　　currentNum++;   
　　　} else {   
　　　　//如果當(dāng)前池中無(wú)對(duì)象可用，而且所創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)目已達(dá)到所限制的最大值，   
　　　　//就只能等待其它線程返回對(duì)象到池中   
　　　　synchronized (this) {   
　　　　　try {   
　　　　　　wait();   
　　　　　} catch (InterruptedException e) {   
　　　　　　System.out.println(e.getMessage());   
　　　　　　e.printStackTrace();   
　　　　　}   
　　　　　currentObj = pool.firstElement();   
　　　　}   
　　　}   
　　} else {   
　　　//如果當(dāng)前池中有可用的對(duì)象，就直接從池中取出對(duì)象   
　　　currentObj = pool.firstElement();   
　　}   
　　return currentObj;   
}   
　　public void returnObject(Object obj) {   
　　　// 確保對(duì)象具有正確的類型   
　　　if (obj.isInstance(clsType)) {   
　　　　pool.addElement(obj);   
　　　　synchronized (this) {   
　　　　　notifyAll();   
　　　　}   
　　　} else {   
　　　　throw new IllegalArgumentException("該對(duì)象池不能存放指定的對(duì)象類型");   
　　　}   
　　}   
}   

　　從上述代碼可以看出，ObjectPool利用一個(gè)java.util.Vector作為可擴(kuò)展的對(duì)象池，并通過(guò)它的構(gòu)造函數(shù)來(lái)指定池化對(duì)象的 Class類型及對(duì)象池的一些屬性。在有對(duì)象返回到對(duì)象池時(shí)，它將檢查對(duì)象的類型是否正確。當(dāng)對(duì)象池里不再有可用對(duì)象時(shí)，它或者等待已被使用的池化對(duì)象返回池中，或者創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象實(shí)例。不過(guò)，新對(duì)象實(shí)例的創(chuàng)建并不在ObjectPool類中，而是由PoolableObjectFactory類的 createObject方法來(lái)完成的，具體實(shí)現(xiàn)如下：

. . .   
public Object createObject(Class clsType) {   
　Object obj = null;   
　try {   
　　obj = clsType.newInstance();   
　} catch (Exception e) {   
　　e.printStackTrace();   
　}   
　return obj;   
}   
. . .   

　　這樣，通用對(duì)象池的實(shí)現(xiàn)就算完成了，下面再看看客戶端（Client）如何來(lái)使用它，假定池化對(duì)象的Class類型為StringBuffer：

 

. . .   
//創(chuàng)建對(duì)象池工廠   
ObjectPoolFactory poolFactory = ObjectPoolFactory. getInstance ();   
//定義所創(chuàng)建對(duì)象池的屬性   
ParameterObject paraObj = new ParameterObject(2,1);   
//利用對(duì)象池工廠,創(chuàng)建一個(gè)存放StringBuffer類型對(duì)象的對(duì)象池   
ObjectPool pool = poolFactory.createPool(paraObj,String Buffer.class);   
//從池中取出一個(gè)StringBuffer對(duì)象   
StringBuffer buffer = (StringBuffer)pool.getObject();   
//使用從池中取出的StringBuffer對(duì)象   
buffer.append("hello");   
System.out.println(buffer.toString());   
. . .   

　　可以看出，通用對(duì)象池使用起來(lái)還是很方便的，不僅可以方便地避免頻繁創(chuàng)建對(duì)象的開(kāi)銷，而且通用程度高。但遺憾的是，由于需要使用大量的類型定型（cast）操作，再加上一些對(duì)Vector類的同步操作，使得它在某些情況下對(duì)性能的改進(jìn)非常有限，尤其對(duì)那些創(chuàng)建周期比較短的對(duì)象。
專用對(duì)象池的實(shí)現(xiàn)　　　　　

　　由于通用對(duì)象池的管理開(kāi)銷比較大，某種程度上抵消了重用對(duì)象所帶來(lái)的大部分優(yōu)勢(shì)。為解決該問(wèn)題，可以采用專用對(duì)象池的方法。即對(duì)象池所池化對(duì)象的Class類型不是動(dòng)態(tài)指定的，而是預(yù)先就已指定。這樣，它在實(shí)現(xiàn)上也會(huì)較通用對(duì)象池簡(jiǎn)單些，可以不要ObjectPoolFactory和PoolableObjectFactory類，而將它們的功能直接融合到ObjectPool類，具體如下（假定被池化對(duì)象的Class類型仍為StringBuffer，而用省略號(hào)表示的地方，表示代碼同通用對(duì)象池的實(shí)現(xiàn)）：

public class ObjectPool {   
　private ParameterObject paraObj;//該對(duì)象池的屬性參數(shù)對(duì)象   
　private int currentNum = 0; //該對(duì)象池當(dāng)前已創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)目   
　private StringBuffer currentObj;//該對(duì)象池當(dāng)前可以借出的對(duì)象   
　private Vector pool;//用于存放對(duì)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) {   
　　// 確保對(duì)象具有正確的類型   
　　if (StringBuffer.isInstance(obj)) {   
　　　. . .   
　　}   
　}   

　　結(jié)束語(yǔ)

　　恰當(dāng)?shù)厥褂脤?duì)象池技術(shù)，能有效地改善應(yīng)用程序的性能。目前，對(duì)象池技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用，如對(duì)于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)連接這類重量級(jí)的對(duì)象，一般都會(huì)采用對(duì)象池技術(shù)。但在使用對(duì)象池技術(shù)時(shí)也要注意如下問(wèn)題：

　　并非任何情況下都適合采用對(duì)象池技術(shù)?；旧?，只在重復(fù)生成某種對(duì)象的操作成為影響性能的關(guān)鍵因素的時(shí)候，才適合采用對(duì)象池技術(shù)。而如果進(jìn)行池化所能帶來(lái)的性能提高并不重要的話，還是不采用對(duì)象池化技術(shù)為佳，以保持代碼的簡(jiǎn)明。

　　要根據(jù)具體情況正確選擇對(duì)象池的實(shí)現(xiàn)方式。如果是創(chuàng)建一個(gè)公用的對(duì)象池技術(shù)實(shí)現(xiàn)包，或需要在程序中動(dòng)態(tài)指定所池化對(duì)象的Class類型時(shí)，才選擇通用對(duì)象池。而大部分情況下，采用專用對(duì)象池就可以了。

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