對(duì)象池模式是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)模式，可以通過重用昂貴的對(duì)象顯著提高應(yīng)用程序性能和效率。它提供了一種管理共享資源的機(jī)制，并通過限制創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)量來防止資源耗盡。如果使用得當(dāng)，對(duì)象池模式可以成為提高軟件應(yīng)用程序的可伸縮性和可靠性的有效工具。
?前言
對(duì)象池模式是軟件開發(fā)中廣泛使用的設(shè)計(jì)模式，旨在通過重用創(chuàng)建成本高昂的對(duì)象來提高應(yīng)用程序性能和效率。它在創(chuàng)建對(duì)象的新實(shí)例非常耗時(shí)且對(duì)象創(chuàng)建頻率很高的情況下特別有用。當(dāng)可以創(chuàng)建的對(duì)象實(shí)例數(shù)量由于資源限制而受到限制時(shí)，此模式也很有用。
工作機(jī)制
對(duì)象池模式的工作原理是創(chuàng)建一個(gè)預(yù)初始化對(duì)象池，可以根據(jù)需要借用和歸還這些對(duì)象。不是每次需要時(shí)都創(chuàng)建一個(gè)新對(duì)象，而是在池中搜索可以重用的可用對(duì)象。如果對(duì)象可用，則將其從池中移除并返回給請(qǐng)求對(duì)象，否則，將創(chuàng)建一個(gè)新對(duì)象并將其添加到池中。
代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)象池
我這邊通過使用Apache Common Pool來實(shí)現(xiàn)對(duì)象的池化技術(shù)。
- 引入依賴
<dependency>
<groupId>org.apache.commons</groupId>
<artifactId>commons-pool2</artifactId>
<version>2.9.0</version>
</dependency>
- 需要池化的對(duì)象示例
public class Foo {
private final String username;
public Foo(String username) {
this.username = username;
}
public String getUsername() {
return username;
}
}- 構(gòu)建對(duì)象創(chuàng)建工廠 可以直接實(shí)現(xiàn)org.apache.commons.pool2.PooledObjectFactory<T>接口實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、銷毀、鈍化、取消等接口，也可以使用他的抽象類，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建和包裝方法即可。
public class FooPoolObjectFactory extends BasePooledObjectFactory<Foo> {
@Override
public Foo create() throws Exception {
return new Foo(String.valueOf(RandomUtils.randomInt(0, 10)));
}
@Override
public PooledObject<Foo> wrap(Foo obj) {
return new DefaultPooledObject<>(obj);
}
}- 實(shí)現(xiàn)驅(qū)逐策略。我們有必要定期對(duì)對(duì)象的"健康狀態(tài)"進(jìn)行檢查，剔除掉"不能用"的對(duì)象，并填充新的對(duì)象給"對(duì)象池"。一般數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接對(duì)象，要定期進(jìn)行心跳，確保連接可用，如果連接斷開，需要銷毀對(duì)象，并重新創(chuàng)建新的對(duì)象。common-pool中，我們可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)逐策略，對(duì)對(duì)象進(jìn)行定期檢查。
public class FooEvictionPolicy implements EvictionPolicy<Foo> {
@Override
public boolean evict(EvictionConfig config, PooledObject<Foo> underTest, int idleCount) {
// todo 定期檢查對(duì)象某些功能是否可用
return true;
}
}- 構(gòu)建&配置對(duì)象池
public GenericObjectPool<Foo> fooGenericObjectPool() {
GenericObjectPoolConfig<Foo> poolConfig = new GenericObjectPoolConfig<>();
poolConfig.setEvictionPolicy(new FooEvictionPolicy());
poolConfig.setBlockWhenExhausted(true);
poolConfig.setJmxEnabled(false);
poolConfig.setMaxWaitMillis(1000 * 10);
poolConfig.setTimeBetweenEvictionRunsMillis(60 * 1000);
poolConfig.setMinEvictableIdleTimeMillis(20 * 1000);
poolConfig.setTestWhileIdle(true);
poolConfig.setTestOnReturn(true);
poolConfig.setTestOnBorrow(true);
poolConfig.setMaxTotal(3);
// 設(shè)置拋棄策略
AbandonedConfig abandonedConfig = new AbandonedConfig();
abandonedConfig.setRemoveAbandonedOnMaintenance(true);
abandonedConfig.setRemoveAbandonedOnBorrow(true);
return new GenericObjectPool<>(new FooPoolObjectFactory(), poolConfig, abandonedConfig);
}- 獲取&歸還對(duì)象
private final GenericObjectPool<Foo> fooGenericObjectPool = fooGenericObjectPool();
public Foo borrowFoo () throws Exception {
return fooGenericObjectPool.borrowObject();
}
public void returnObject(Foo foo){
fooGenericObjectPool.returnObject(foo);
}
對(duì)象池優(yōu)點(diǎn)
- 提高性能，對(duì)象池模式可以通過減少與對(duì)象創(chuàng)建和銷毀相關(guān)的開銷來顯著提高應(yīng)用程序的性能。通過重用預(yù)先初始化的對(duì)象，該模式減少了需要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象數(shù)量，進(jìn)而減少了創(chuàng)建新對(duì)象所需的時(shí)間和資源。
- 資源管理，對(duì)象池模式提供了一種管理共享資源的機(jī)制，例如數(shù)據(jù)庫(kù)連接或文件句柄。通過限制創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)量，該模式可以防止資源耗盡并確保資源得到有效共享。
- 一致性，對(duì)象池模式可以通過確保所有對(duì)象在使用前都預(yù)先初始化為已知狀態(tài)來幫助確保應(yīng)用程序的一致性。這在對(duì)象初始化復(fù)雜或耗時(shí)的情況下特別有用。
- 易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)象池模式相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，可用于多種情況。它是一種經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模式，已在許多應(yīng)用程序和編程語言中成功使用。
對(duì)象池缺點(diǎn)
- 增加復(fù)雜性，對(duì)象池模式可以通過添加額外的抽象層來增加應(yīng)用程序的復(fù)雜性。這會(huì)使代碼更難理解和維護(hù)，尤其是在池大小和對(duì)象生命周期管理不當(dāng)?shù)那闆r下。
- 開銷，雖然對(duì)象池模式可以通過減少與對(duì)象創(chuàng)建和銷毀相關(guān)的開銷來提高性能，但由于池本身的管理，它也會(huì)引入額外的開銷。如果池大小沒有針對(duì)應(yīng)用程序的需要進(jìn)行優(yōu)化，這種開銷會(huì)變得很大。
- 有限的靈活性：對(duì)象池模式旨在管理一組固定的對(duì)象，可能不適合需要?jiǎng)討B(tài)對(duì)象創(chuàng)建或可變池大小的應(yīng)用程序。
- 線程安全，如果多個(gè)線程同時(shí)訪問池，對(duì)象池模式會(huì)引入線程安全問題。同步機(jī)制必須到位以確保一次只有一個(gè)線程可以訪問池，這可能會(huì)增加額外的開銷和代碼的復(fù)雜性。
- 資源泄漏，如果對(duì)象沒有正確返回到池中，它們可能會(huì)“泄漏”并且無法重用。隨著時(shí)間的推移，這會(huì)導(dǎo)致資源耗盡并降低應(yīng)用程序性能。
應(yīng)用場(chǎng)景
一般需要池化的對(duì)象往往都是比"重量級(jí)"較的對(duì)象，創(chuàng)建和銷毀都比較耗時(shí)，比如我們的線程，數(shù)據(jù)庫(kù)連接對(duì)象，TCP連接對(duì)象，F(xiàn)TP連接對(duì)象 等等，我們來具體看幾個(gè)例子把。
- Web服務(wù)器例子
Web 服務(wù)器通常需要處理大量并發(fā)請(qǐng)求，這會(huì)給系統(tǒng)資源帶來巨大壓力。通過使用對(duì)象池來管理數(shù)據(jù)庫(kù)連接、網(wǎng)絡(luò)套接字或其他資源，從而提高Web 服務(wù)器的性能和可擴(kuò)展性，避免資源耗盡。
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class ConnectionPool {
private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;
private static final int MAX_WAIT_TIME = 5000; // milliseconds
private static final int PORT_NUMBER = 8080;
private final BlockingQueue<Socket> pool;
private final ServerSocket serverSocket;
public ConnectionPool() throws Exception {
pool = new ArrayBlockingQueue<>(MAX_POOL_SIZE);
serverSocket = new ServerSocket(PORT_NUMBER);
System.out.println("Server started on port " + PORT_NUMBER);
}
public Socket getConnection() throws Exception {
Socket connection = pool.poll();
if (connection == null) {
try {
connection = serverSocket.accept();
System.out.println("New connection accepted from " + connection.getInetAddress());
} catch (SocketTimeoutException e) {
System.out.println("Timeout waiting for connection. No connection found within " + MAX_WAIT_TIME + " milliseconds.");
}
}
return connection;
}
public void returnConnection(Socket connection) {
if (pool.size() < MAX_POOL_SIZE) {
pool.offer(connection);
System.out.println("Connection returned to pool. Pool size is now " + pool.size());
} else {
try {
connection.close();
System.out.println("Connection pool is full. Discarded connection.");
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error closing discarded connection.");
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
ConnectionPool connectionPool = new ConnectionPool();
while (true) {
Socket connection = connectionPool.getConnection();
// Do some work with the connection
Thread.sleep(5000);
connectionPool.returnConnection(connection);
}
}
}
在此示例中， ConnectionPool類用于管理到 Web 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接池，構(gòu)造函數(shù)將連接池初始化為最大 10 個(gè)連接，并在端口號(hào) 8080 上啟動(dòng)服務(wù)器。
調(diào)用getConnection()方法可以從池中返回一個(gè)連接對(duì)象，如果池為空，則從服務(wù)器套接字接受新連接。它最多等待 5 秒以使連接可用，然后超時(shí)并返回 null。
如果池未滿，則 returnConnection ()方法將連接對(duì)象添加回池中，如果池已滿，則關(guān)閉連接并丟棄它。
在 main ()? 方法中，創(chuàng)建ConnectionPool對(duì)象，并在循環(huán)中重復(fù)獲取連接并返回到池中。這是對(duì)象池模式如何用于管理 Web 服務(wù)器中的連接以有效利用資源的示例。
- 游戲開發(fā)種的例子
游戲通常需要快速創(chuàng)建和銷毀大量對(duì)象，例如粒子、子彈或敵人。通過使用對(duì)象池來管理這些對(duì)象，游戲可以提高性能并減少與對(duì)象創(chuàng)建和銷毀相關(guān)的開銷。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class GameObjectPool {
class GameObject {
public void reset() {
// reset object to default state
}
}
private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;
private final List<GameObject> pool;
public GameObjectPool() {
pool = new ArrayList<>(MAX_POOL_SIZE);
for (int i = 0; i < MAX_POOL_SIZE; i++) {
pool.add(new GameObject());
}
}
public GameObject getObject() {
GameObject gameObject = pool.remove(0);
gameObject.reset();
return gameObject;
}
public void returnObject(GameObject gameObject) {
if (pool.size() < MAX_POOL_SIZE) {
pool.add(gameObject);
}
}
public static void main(String[] args) {
GameObjectPool gameObjectPool = new GameObjectPool();
// Use game objects from pool
GameObject gameObject1 = gameObjectPool.getObject();
// modify gameObject1
gameObjectPool.returnObject(gameObject1);
GameObject gameObject2 = gameObjectPool.getObject();
// modify gameObject2
gameObjectPool.returnObject(gameObject2);
}
}
在此示例中，GameObjectPool?類用于管理游戲開發(fā)場(chǎng)景中的GameObject?對(duì)象池。構(gòu)造函數(shù)將池初始化為最大大小 10，并創(chuàng)建GameObject對(duì)象來填充池。
調(diào)用getObject ()?方法從池中移除一個(gè)對(duì)象，并在返回之前將其重置為默認(rèn)狀態(tài)。如果池未滿，則 returnObject ()方法將一個(gè)對(duì)象添加回池中。
在 main ()?方法中，創(chuàng)建 GameObjectPool對(duì)象并重復(fù)獲取游戲?qū)ο蟛⒎祷氐匠刂?。這是對(duì)象池模式如何用于管理游戲開發(fā)場(chǎng)景中的游戲?qū)ο笠杂行Ю觅Y源的示例。
總結(jié)
總之，對(duì)象池模式是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)模式，可以通過重用昂貴的對(duì)象顯著提高應(yīng)用程序性能和效率。它提供了一種管理共享資源的機(jī)制，并通過限制創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)量來防止資源耗盡。如果使用得當(dāng)，對(duì)象池模式可以成為提高軟件應(yīng)用程序的可伸縮性和可靠性的有效工具。
