Apache commons-pool对象池原理分析

小灰灰 2021-05-12 11:54 409阅读 0赞

** Apache commons-pool**本质上是"对象池",即通过一定的规则来维护对象集合的容器;commos-pool在很多场景中,用来实现"连接池"/"任务worker池"等,大家常用的dbcp数据库连接池,也是基于commons-pool实现.

commons-pool实现思想非常简单,它主要的作用就是将"对象集合"池化,任何通过pool进行对象存取的操作,都会严格按照"pool配置"(比如池的大小)实时的创建对象/阻塞控制/销毁对象等.它在一定程度上,实现了对象集合的管理以及对象的分发.

1) 将创建对象的方式,使用工厂模式;

2) 通过"pool配置"来约束对象存取的时机

3) 将对象列表保存在队列中(LinkedList)

首选需要声明,不同的"对象池"(或者连接池)在设计上可能存在很大的区别,但是在思想上大同小异,本文主要讲解commons-pool,它和其他"连接池"的区别在此不多讨论.

**一.对象生命周期：**

![Center][]

**二.Config详解:**

1.  maxActive: 链接池中最大连接数,默认为8.
2.  maxIdle: 链接池中最大空闲的连接数,默认为8.
3.  minIdle: 连接池中最少空闲的连接数,默认为0.
4.  maxWait: 当连接池资源耗尽时，调用者最大阻塞的时间，超时将跑出异常。单位，毫秒数;默认为-1.表示永不超时.
5.  minEvictableIdleTimeMillis: 连接空闲的最小时间，达到此值后空闲连接将可能会被移除。负值(-1)表示不移除。
6.  softMinEvictableIdleTimeMillis: 连接空闲的最小时间，达到此值后空闲链接将会被移除，且保留“minIdle”个空闲连接数。默认为-1.
7.  numTestsPerEvictionRun: 对于“空闲链接”检测线程而言，每次检测的链接资源的个数。默认为3.
8.  testOnBorrow: 向调用者输出“链接”资源时，是否检测是有有效，如果无效则从连接池中移除，并尝试获取继续获取。默认为false。建议保持默认值.
9.  testOnReturn:  向连接池“归还”链接时，是否检测“链接”对象的有效性。默认为false。建议保持默认值.
10. testWhileIdle:  向调用者输出“链接”对象时，是否检测它的空闲超时；默认为false。如果“链接”空闲超时，将会被移除。建议保持默认值.
11. timeBetweenEvictionRunsMillis:  “空闲链接”检测线程，检测的周期，毫秒数。如果为负值，表示不运行“检测线程”。默认为-1.
12.  whenExhaustedAction: 当“连接池”中active数量达到阀值时，即“链接”资源耗尽时，连接池需要采取的手段, 默认为1：  
     -> 0 : 抛出异常，  
     -> 1 : 阻塞，直到有可用链接资源  
     -> 2 : 强制创建新的链接资源

这些属性均可以在org.apache.commons.pool.impl.GenericObjectPool.Config中进行设定。

**三.原理解析**

***1) 对象池创建(参考GenericObjectPool):***

*  *public GenericObjectPool(PoolableObjectFactory factory, GenericObjectPool.Config config)* :此方法创建一个GenericObjectPool实例,GenericObjectPool类已经实现了和对象池有关的所有核心操作,开发者可以通过继承或者封装的方式来使用它.通过此构造函数,我们能够清晰的看到,一个Pool中需要指定PoolableObjectFactory 实例,以及此对象池的Config信息.PoolableObjectFactory主要用来"创建新对象",比如当对象池中的对象不足时,可以使用PoolableObjectFactory.makeObject()方法来创建对象,并交付给Pool管理.

此构造函数实例化了一个*LinkedList作为"对象池"容器*,用来存取"对象".此外还会根据timeBetweenEvictionRunsMillis的值来决定是否启动一个后台线程,此线程用来周期性扫描pool中的对象列表,已检测"对象池中的对象"空闲(idle)的时间是否达到了阀值,如果是,则移除此对象.

if ((getMinEvictableIdleTimeMillis() > 0) &&  
            (idleTimeMilis > getMinEvictableIdleTimeMillis())) {  
        removeObject = true;  
    }  
    ...  
    if (removeObject) {  
        try {  
            _factory.destroyObject(pair.value);  
        } catch(Exception e) {  
            // ignored  
        }  
    }

***2) 对象工厂PoolableObjectFactory接口:***

commons-pool通过使用ObjectFactory(工厂模式)的方式将"对象池中的对象"的创建/检测/销毁等特性解耦出来,这是一个非常良好的设计思想.此接口有一个抽象类BasePoolableObjectFactory,可供开发者继承和实现.

*  *Object makeObject()* : 创建一个新对象;当对象池中的对象个数不足时,将会使用此方法来"输出"一个新的"对象",并交付给对象池管理.
 *  *void destroyObject(Object obj)* : 销毁对象,如果对象池中检测到某个"对象"idle的时间超时,或者操作者向对象池"归还对象"时检测到"对象"已经无效,那么此时将会导致"对象销毁";"销毁对象"的操作设计相差甚远,但是必须明确:当调用此方法时,"对象"的生命周期必须结束.如果object是线程,那么此时线程必须退出;如果object是socket操作,那么此时socket必须关闭;如果object是文件流操作,那么此时"数据flush"且正常关闭.
 *  *boolean validateObject(Object obj)* : 检测对象是否"有效";Pool中不能保存无效的"对象",因此"后台检测线程"会周期性的检测Pool中"对象"的有效性,如果对象无效则会导致此对象从Pool中移除,并destroy;此外在调用者从Pool获取一个"对象"时,也会检测"对象"的有效性,确保不能讲"无效"的对象输出给调用者;当调用者使用完毕将"对象归还"到Pool时,仍然会检测对象的有效性.所谓有效性,就是此"对象"的状态是否符合预期,是否可以对调用者直接使用;如果对象是Socket,那么它的有效性就是socket的通道是否畅通/阻塞是否超时等.
 *  *void activateObject(Object obj)* : "激活"对象,当Pool中决定移除一个对象交付给调用者时额外的"激活"操作,比如可以在activateObject方法中"重置"参数列表让调用者使用时感觉像一个"新创建"的对象一样;如果object是一个线程,可以在"激活"操作中重置"线程中断标记",或者让线程从阻塞中唤醒等;如果object是一个socket,那么可以在"激活操作"中刷新通道,或者对socket进行链接重建(假如socket意外关闭)等.
 *  *void void passivateObject(Object obj)* : "钝化"对象,当调用者"归还对象"时,Pool将会"钝化对象";钝化的言外之意,就是此"对象"暂且需要"休息"一下.如果object是一个socket,那么可以passivateObject中清除buffer,将socket阻塞;如果object是一个线程,可以在"钝化"操作中将线程sleep或者将线程中的某个对象wait.需要注意的时,activateObject和passivateObject两个方法需要对应,避免死锁或者"对象"状态的混乱.

*** 3) ObjectPool接口与实现:***

对象池是commons-pool的核心接口,用来维护"对象列表"的存取;其中GenericObjectPool是其实现类,它已经实现了相关的功能.

*  *Object borrowObject()* : 从Pool获取一个对象,此操作将导致一个"对象"从Pool移除(脱离Pool管理),调用者可以在获得"对象"引用后即可使用,且需要在使用结束后"归还".如下为伪代码:

public Object borrowObject() throws Exception {  
        Object value = null;  
        synchronized (this) {  
            if(!_pool.isEmpty()){  
                value = _pool.remove();  
            }  
              
        }         
        for(;;) {       
            //如果Pool中没有"对象",则根据相应的"耗尽"策略  
            if(value == null) {  
                switch(whenExhaustedAction) {  
                    //如果耗尽,仍继续创建新"对象"  
                    case WHEN_EXHAUSTED_GROW:  
                        value = _factory.makeObject();  
                        break;  
                    //如果耗尽,则终止,此时以异常的方式退出.  
                    case WHEN_EXHAUSTED_FAIL:  
                        throw new NoSuchElementException("Pool exhausted");  
                    //如果耗尽,则阻塞,直到有"对象"归还  
                    case WHEN_EXHAUSTED_BLOCK:  
                        try {  
                            synchronized (value) {  
                                if (value == null) {  
                                    //maxWait为Config中指定的"最大等待时间"  
                                    if(maxWait <= 0) {  
                                        latch.wait();  
                                    } else {  
                                            latch.wait(waitTime);  
                                    }  
                                } else {  
                                    break;  
                                }  
                            }  
                        } catch(InterruptedException e) {         
                            //  
                            break;  
                        }  
                          
                    default://  
                }  
            }  
      
            try {  
                _factory.activateObject(latch.getPair().value);  
                if(_testOnBorrow &&  
                        !_factory.validateObject(latch.getPair().value)) {  
                    throw new Exception("ValidateObject failed");  
                }  
               return value;  
            }  
            catch (Throwable e) {  
                try {  
                    _factory.destroyObject(latch.getPair().value);  
                } catch (Throwable e2) {  
                    //  
                }  
            }  
        }  
    }

*  *void returnObject(Object obj) : *"归还"对象,当"对象"使用结束后,需要归还到Pool中,才能维持Pool中对象的数量可控,如果不归还到Pool,那么将意味着在Pool之外,将有大量的"对象"存在,那么就使用了"对象池"的意义.如下为伪代码:

public void returnObject(Object obj) throws Exception {  
        try {  
            boolean success = true;//  
            if(_testOnReturn && !(_factory.validateObject(obj))) {  
                success = false;  
            } else {  
                _factory.passivateObject(obj);  
            }  
      
            synchronized (this) {  
                //检测pool中已经空闲的对象个数是否达到阀值.  
                if((_maxIdle >= 0) && (_pool.size() >= _maxIdle)) {  
                    success = false;  
                } else if(success) {  
                    _pool.addFirst(new ObjectTimestampPair(obj));  
                }  
            }  
      
            // Destroy the instance if necessary  
            if(!success) {  
                try {  
                    _factory.destroyObject(obj);  
                } catch(Exception e) {  
                    // ignored  
                }  
            }  
        } catch (Exception e) {  
            //  
        }  
    }

*  *void invalidateObject(Object obj)* : 销毁对象,直接调用ObjectFactory.destroyObject(obj);.
 *  *void addObject()* : 开发者可以直接调用addObject方法用于直接创建一个"对象"并添加到Pool中.

**四.代码实例.**

本实例主要用来演示一个"TCP连接池".

***1) ConnectionPoolFactory.java:***

import org.apache.commons.pool.BasePoolableObjectFactory;  
    import org.apache.commons.pool.impl.GenericObjectPool;  
    import org.apache.commons.pool.impl.GenericObjectPool.Config;  
      
    public class ConnectionPoolFactory {  
      
        private GenericObjectPool pool;  
      
        public ConnectionPoolFactory(Config config,String ip,int port){  
            ConnectionFactory factory = new ConnectionFactory(ip, port);  
            pool = new GenericObjectPool(factory, config);  
        }  
          
        public Socket getConnection() throws Exception{  
            return (Socket)pool.borrowObject();  
        }  
          
        public void releaseConnection(Socket socket){  
            try{  
                pool.returnObject(socket);  
            }catch(Exception e){  
                if(socket != null){  
                    try{  
                        socket.close();  
                    }catch(Exception ex){  
                        //  
                    }  
                }  
            }  
        }  
          
        /** 
         * inner  
         * @author qing 
         * 
         */  
        class ConnectionFactory extends BasePoolableObjectFactory {  
      
            private InetSocketAddress address;  
              
            public ConnectionFactory(String ip,int port){  
                address = new InetSocketAddress(ip, port);  
            }  
              
            @Override  
            public Object makeObject() throws Exception {  
                Socket socket = new Socket();  
                socket.connect(address);  
                return socket;  
            }  
              
            public void destroyObject(Object obj) throws Exception  {  
                if(obj instanceof Socket){  
                    ((Socket)obj).close();  
                }  
            }  
      
            public boolean validateObject(Object obj) {  
                if(obj instanceof Socket){  
                    Socket socket = ((Socket)obj);  
                    if(!socket.isConnected()){  
                        return false;  
                    }  
                    if(socket.isClosed()){  
                        return false;  
                    }  
                    return true;  
                }  
                return false;  
            }  
      
      
        }  
          
    }

*2) TestMain.java(测试类):*

public class TestMain {  
      
        /** 
         * @param args 
         */  
        public static void main(String[] args) {  
            Config config = new Config();  
            config.maxActive = 16;  
            config.maxWait = 30000;  
            ConnectionPoolFactory poolFactory = new ConnectionPoolFactory(config, "127.0.0.1", 8011);  
            Socket socket = null ;  
            try{  
                socket = poolFactory.getConnection();  
                  
            }catch(Exception e){  
                e.printStackTrace();  
            }finally{  
                if(socket != null){  
                    poolFactory.releaseConnection(socket);  
                }  
            }  
      
        }  
      
    }

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