apache Common Pool2

不念不忘少年蓝@ 2022-03-20 09:23 294阅读 0赞

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我们系统中一般都会存在很多可重用并长期使用的对象，比如线程、TCP 连接、数据库连接等。虽然我们可以简单的在使用这些对象时进行创建、使用结束后销毁，但初始化和销毁对象的操作会造成一些资源消耗。我们可以使用对象池将这些对象集中管理，减少对象初始化和销毁的次数以节约资源消耗。

顾名思义，对象池简单来说就是存放对象的池子，可以存放任何对象，并对这些对象进行管理。它的优点就是可以复用池中的对象，避免了分配内存和创建堆中对象的开销；避免了释放内存和销毁堆中对象的开销，进而减少垃圾收集器的负担；避免内存抖动，不必重复初始化对象状态。对于构造和销毁比较耗时的对象来说非常合适。

当然，我们可以自己去实现一个对象池，不过要实现的比较完善还是要花上不少精力的。所幸的是， Apache 提供了一个通用的对象池技术的实现: Common Pool2，可以很方便的实现自己需要的对象池。Jedis 的内部对象池就是基于 Common Pool2 实现的。

**核心接口**  
Common Pool2 的核心部分比较简单，围绕着三个基础接口和相关的实现类来实现：

*  ObjectPool：对象池，持有对象并提供取/还等方法。
 *  PooledObjectFactory：对象工厂，提供对象的创建、初始化、销毁等操作，由 Pool 调用。一般需要使用者自己实现这些操作。
 *  PooledObject：池化对象，对池中对象的封装，封装对象的状态和一些其他信息。（由对象工厂创建的对象就是池化对象）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    Common Pool2 提供的最基本的实现就是由 Factory 创建对象并使用PooledObject 封装对象（池化对象）放入 Pool 中。

**对象池实现**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
对象池有两个基础的接口 `ObjectPool` 和 `KeyedObjectPool`, 持有的对象都是由 `PooledObject` 封装的池化对象。 `KeyedObjectPool` 的区别在于其是用键值对的方式维护对象。

`ObjectPool` 和 `KeyedObjectPool` 分别有一个默认的实现类`GenericObjectPool` 和 `GenericKeyedObjectPool` 可以直接使用，他们的公共部分和配置被抽取到了 `BaseGenericObjectPool` 中。

`SoftReferenceObjectPool` 是一个比较特殊的实现，在这个对象池实现中，每个对象都会被包装到一个`SoftReference`中。`SoftReference`允许垃圾回收机制在需要释放内存时回收对象池中的对象，可以避免一些内存泄露的问题。

**对象池接口**  
下面简单介绍一下 `ObjectPool` 接口的核心方法，

public interface ObjectPool<T>

`KeyedObjectPool` 和`ObjectPool` 类似，区别在于方法多了个参数： `K key`。

*  从池中获取一个对象：  
    T borrowObject() throws Exception, NoSuchElementException, IllegalStateException;  
    客户端在使用完对象后必须使用 returnObject 方法返还获取的对象
 *  将对象返还到池中：  
    void returnObject(T obj) throws Exception;  
    对象必须是从 borrowObject 方法获取到的
 *  使池中的对象失效：  
    void invalidateObject(T obj) throws Exception;  
    当获取到的对象被确定无效时（由于异常或其他问题），应该调用该方法
 *  池中当前闲置的对象数量：  
    int getNumIdle();
 *  当前从池中借出的对象的数量：  
    int getNumActive();
 *  清除池中闲置的对象：  
    void clear() throws Exception, UnsupportedOperationException;
 *  关闭这个池，并释放与之相关的资源：  
    void close();

**PooledObjectFactory**  
对象工厂，负责对象的创建、初始化、销毁和验证等工作。  
`Factory` 对象由`ObjectPool`持有并使用。

public interface PooledObjectFactory<T>

*  创建一个池对象 PooledObject makeObject() throws Exception;
 *  销毁对象 void destroyObject(PooledObject p) throws Exception;
 *  验证对象是否可用 boolean validateObject(PooledObject p);
 *  激活对象，从池中取对象时会调用此方法 void activateObject(PooledObject p) throws  
    Exception;
 *  钝化对象，向池中返还对象时会调用此方法 void passivateObject(PooledObject p) throws  
    Exception;

`Common Pool2` 并没有提供 `PooledObjectFactory` 可以直接使用的子类实现，因为对象的创建、初始化、销毁和验证的工作无法通用化，需要由使用方自己实现。  
不过它提供了一个抽象子类 `BasePooledObjectFactory`，实现自己的工厂时可以继承`BasePooledObjectFactory`，就只需要实现 `create` 和 `wrap` 两个方法了。

**PooledObject**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
`PooledObject` 有两个实现类，`DefaultPooledObject` 是普通通用的实现，`PooledSoftReference` 使用 SoftReference 封装了对象，供`SoftReferenceObjectPool` 使用。

下面是 `PooledObject` 接口的一些核心方法：

public interface PooledObject<T> extends Comparable<PooledObject<T>>

*  获取封装的对象 T getObject();
 *  对象创建的时间 long getCreateTime();
 *  对象上次处于活动状态的时间 long getActiveTimeMillis();
 *  对象上次处于空闲状态的时间 long getIdleTimeMillis();
 *  对象上次被借出的时间 long getLastBorrowTime();
 *  对象上次返还的时间 long getLastReturnTime();
 *  对象上次使用的时间 long getLastUsedTime();
 *  将状态置为 PooledObjectState.INVALID void invalidate();
 *  更新 lastUseTime void use();
 *  获取对象状态 PooledObjectState getState();
 *  将状态置为 PooledObjectState.ABANDONED void markAbandoned();
 *  将状态置为 PooledObjectState.RETURNING void markReturning();
 *

> // 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  
> PooledObject makeObject() throws Exception;
> 
> //  
> 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.  
> void destroyObject(PooledObject p) throws Exception;
> 
> //  
> 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. boolean  
> validateObject(PooledObject p);

// “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 activateObject(PooledObject p) throws Exception;

// “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.  
void passivateObject(PooledObject p) throws Exception;

**对象池配置**  
对象池配置提供了对象池初始化所需要的参数，Common Pool2 中的基础配置类是`BaseObjectPoolConfig`。其有两个实现类分别为 `GenericObjectPoolConfig`和 `GenericKeyedObjectPoolConfig`，分别为 `GenericObjectPool` 和`GenericKeyedObjectPool` 所使用。

下面是一些重要的配置项：（基本 commons-pool2-2.3.jar）

*  maxTotal 允许创建对象的最大数量，默认值 8，-1 代表无数量限制（int类型）
 *  maxIdle 最大空闲资源数，默认值 8
 *  minIdle 最小空闲资源数，默认值 0，软标准情况下,至少留下几个object继续保持idle(节省开销)，软标准,结合idleSoftEvictTime和timeBetweenEvictionRunsMillis使用
 *  lifo 对象池存储空闲对象是使用的LinkedBlockingDeque，它本质上是一个支持FIFO和FILO的双向的队列，common-pool2中的LinkedBlockingDeque不是Java原生的队列，而有common-pool2重新写的一个双向队列。如果为true，表示使用FIFO获取对象（资源的存取数据结构，默认值 true，true 资源按照栈结构存取，false 资源按照队列结构存取）
 *  fairness 从池中获取/返还对象时是否使用公平锁机制，默认为 false
 *  
 *  maxWaitMillis 获取对象时的等待时间，单位毫秒。当 blockWhenExhausted 配置为 true 时，此值有效。 -1 代表无时间限制，一直阻塞直到有可用的资源。（long类型）
 *  minEvictableIdleTimeMillis 对象空闲的最小时间，达到此值后空闲对象将可能会被移除。-1 表示不移除；默认 30 分钟，在资源回收策略中，会使用到
 *  softMinEvictableIdleTimeMillis 同上，额外的条件是池中至少保留有 minIdle 所指定的个数的对象在资源回收策略中，会使用到
 *  numTestsPerEvictionRun 资源回收线程执行一次回收操作，回收资源的数量。默认 3  
    当 设置为0时，不回收资源。 设置为 小于0时，回收资源的个数为 (int)Math.ceil( 池中空闲资源个数 / Math.abs(numTestsPerEvictionRun) );  
    设置为 大于0时，回收资源的个数为 Math.min( numTestsPerEvictionRun,池中空闲的资源个数 );
 *  testOnCreate 创建对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false
 *  testOnBorrow 取对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false
 *  testOnReturn 返还对象时是否调用 factory.validateObject 方法，默认 false  
    当将资源返还个资源池时候，验证资源的有效性，调用 factory.validateObject()方法，如果无效，则调用 factory.destroyObject()方法
 *  testWhileIdle 池中的闲置对象是否由逐出器验证。无法验证的对象将从池中删除销毁。默认 false
 *  timeBetweenEvictionRunsMillis 回收资源线程的执行周期，默认 -1 表示不启用回收资源线程，即不开启驱逐线程，所以与之相关的参数是没有作用的
 *  minEvictableIdleTimeMillis 最小的驱逐时间，对象最小的空闲时间。如果为小于等于0，最Long的最大值，如果大于0，当空闲的时间大于这个值时，执行移除这个对象操作。默认值是1000L \* 60L \* 30L;即30分钟。可以避免(连接)泄漏。
 *  SoftMinEvictableIdleTimeMillis 也是最小的驱逐时间，对象最小的空间时间，如果小于等于0，取Long的最大值，如果大于0，当对象的空闲时间超过这个值，并且当前空闲对象的数量大于最小空闲数量(minIdle)时，执行移除操作。这个和上面的minEvictableIdleTimeMillis的区别是，它会保留最小的空闲对象数量。而上面的不会，是强制性移除的。默认值是-1，通常该值设置的比minEvictableIdleTimeMillis要小；
 *  evictionPolicyClassName 资源回收策略，默认值  
    org.apache.commons.pool2.impl.DefaultEvictionPolicy  
    驱逐线程使用的策略类名，之前的minEvictableIdleTimeMillis和softMinEvictableIdleTimeMillis就是默认策略DefaultEvictionPolicy的实现，这个两个参数，在资源回收策略中，会使用到
 *  blockWhenExhausted 资源耗尽时，是否阻塞等待获取资源，默认 true
 *  参数whenExhaustedAction指定在池中借出对象的数目已达极限的情况下，调用它的borrowObject方法时的行为。可以选用的值有：  
    GenericObjectPool.WHEN\_EXHAUSTED\_BLOCK，表示等待；  
    GenericObjectPool.WHEN\_EXHAUSTED\_GROW，表示创建新的实例（不过这就使maxActive参数失去了意义）；  
    GenericObjectPool.WHEN\_EXHAUSTED\_FAIL，表示抛出一个java.util.NoSuchElementException异常。

**我们要思考下，这样对理解上面的参数很有用**

*  池有多大，如果请求超过池大小，客户端是等待（如果等待，等待多少时间），还是立即返回失败
 *  池中对象，如果空闲了，不管它，还是开避线程定时清理（多少时间清理一次，一次清理多少个）

**池化对象的状态**  
池化对象的状态定义在 PooledObjectState 枚举中，有以下值：

*  IDLE 在池中，处于空闲状态
 *  ALLOCATED 被使用中
 *  EVICTION 正在被逐出器验证
 *  VALIDATION 正在验证
 *  INVALID 驱逐测试或验证失败并将被销毁
 *  ABANDONED 对象被客户端拿出后，长时间未返回池中，或没有调用 use 方法，即被标记为抛弃的

这些状态的转换逻辑大致如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
**PooledObjectState类枚举的PooledObject状态及其转换关系**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>IDLE</td> 
   <td>位于队列中，未使用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOCATED</td> 
   <td>在使用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EVICTION</td> 
   <td>位于队列中，当前正在测试，可能会被回收</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EVICTION_RETURN_TO_HEAD</td> 
   <td>不在队列中，当前正在测试，可能会被回收。如果客户端试图借出该正在被测试的对象，需等到测试完毕后才能借出并且从队列中移除；待测试完毕后，如果没被回收该对象会放置在队列的开头位置。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>VALIDATION</td> 
   <td>位于队列中，当前正在验证</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>VALIDATION_PREALLOCATED</td> 
   <td>不在队列中，当前正在验证。当对象从池中被借出。在配置了testOnBorrow的情况下，对像从队列移除和进行预分配的时候会进行验证</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>VALIDATION_RETURN_TO_HEAD</td> 
   <td>不在队列中，正在进行验证。从池中借出对象时，</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>从队列移除对象时会先进行测试。返回到队列头部的时候应该做一次完整的验证</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>INVALID</td> 
   <td>回收或验证失败，将销毁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ABANDONED</td> 
   <td>即将无效</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RETURNING</td> 
   <td>返还到池中</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**网友遇到的问题1：**  
mysql服务端设置了连接8小时失效，但是commons-pool2对应的对象池中没有配置上timeBetweenEvictionRunsMillis minEvictableIdleTimeMillis numTestsPerEvictionRun，导致没有对池化的mysql客户端进行检测，所以经验是服务器端如果设置了idel>0的空闲时间, 那么客户端最好设置上对应的心跳频率即多久心跳一次；

**网友遇到的问题2：**  
redis的服务端设置了timeout=0,由于网络原因，commons-pool2已经将池中redis客户端销毁，但是服务端redis因为配置了timeout=0禁用了关闭限制的redis客户端功能，导致服务端大量僵尸进程存在，所以经验是配置redis服务端的timeout为一个大于0的值，意思是客户端如果空闲了且空闲时间大于该值，服务端就会关闭该连接

**从池中获取资源的逻辑**  
1： 如果 blockWhenExhausted 配置的 为 false，从资源池中获取资源，如果获取不到，则判断当前池中的对象数量是否超过了 maxTotal 设置的数量，如果没有超过， 则通过调用factory.makeObject() 创建对象，并将对象放入池中，执行第2步 。如果超过了，则返回 null，逻辑到此结束。

如果 blockWhenExhausted 配置的 为 true ，从资源池中获取资源，如果获取不到，则判断当前池中的对象数量是否超过了 maxTotal 设置的数量，如果没有超过，  
则通过调用factory.makeObject() 创建对象，并将对象放入池中，执行第2步 。如果超过了，则阻塞等待，如果 MaxWaitMillis 配置的为 -1 则 阻塞等待，直到有可用的资源为止。  
如果 maxWaitMillis 配置为 1000 则 阻塞等待 1000毫秒，如果有可用资源，执行第2步，如果没有则返回 null，逻辑到此结束。

2：将资源的状态 修改为 已分配，执行 第 3 步

3：调用 factory.activateObject() 方法，执行 第 4步

4：如果 testOnBorrow 或者 testOnCreate 中有一个 配置 为 true 时，则调用 factory.validateObject() 方法  
5：以上步骤都完成了，返回 资源对象

**将资源返还给池的逻辑**  
1：检查配置参数 testOnReturn，如果 为 true，调用 factory.validateObject()方法，验证资源对象的有效性，验证结果为 false，则调用 factory.destroyObject()方法，逻辑到此结束。  
验证结果为 true，则执行第 2 步。

2：调用 factory.passivateObject()方法，然后执行 第 3 步

3：将资源的状态 修改为 未分配，执行第 4 步

4：进行判断 （ 资源池是否关闭 || （maxIdle > -1 ) && ( maxIdle <= 资源池空闲资源个数) ）  
如果 判断为 true，则调用 factory.destroyObject()方法，逻辑到此结束。  
如果 判断为 false，则 将资源返还给资源池，逻辑到此结束。

Apache\_common\_pool 启动一个线程执行释放资源的工作（使用 java.util.Timer 实现）从池中回收资源逻辑（回收资源的意思是，将资源从池中删除掉，例如，如果是TCP链接，则需要将链接断开，并从池中删除掉。）  
1：根据 `evictionPolicyClassName` 配置的参数创建回收策略，  
默认回收策略源码

import org.apache.commons.pool2.PooledObject; 
    public class DefaultEvictionPolicy 
    implements EvictionPolicy 
    { 
    public boolean evict(EvictionConfig config, PooledObject underTest, int idleCount) 
    { 
    if (((config.getIdleSoftEvictTime() < underTest.getIdleTimeMillis()) && (config.getMinIdle() < idleCount)) || (config.getIdleEvictTime() < underTest.getIdleTimeMillis())) 
    { 
    return true; 
    } 
    return false; 
    } 
    }

if条件判断与  
(softMinEvictableIdleTimeMillis < 资源的空闲时间 && Math.min(maxIdle,minIdle) < 目前池中空闲的资源数) ||  
minEvictableIdleTimeMillis < 资源的空闲时间  
等价  
2：根据配置的参数 numTestsPerEvictionRun 计算，要回收的资源数量（具体的计算规则，请参照源码）  
3：根据回收策略判断，资源是否需要回收。如果 是 则将资源从池中删除，并调用factory.destroyObject()方法。  
如果 否 则根据配置的 testWhileIdle 参数，判断 是否执行 factory.activateObject()和factory.validateObject() ，factory.passivateObject() 方法。如果 testWhileIdle 配置为 true，则以次执行 factory.activateObject()，factory.validateObject()，factory.passivateObject()

[https_blog.csdn.net_y4x5m0nivsrjay3x92c_article_details_80016747]: https://blog.csdn.net/y4x5m0nivsrjay3x92c/article/details/80016747
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220320/78ee2540c4394bd0ba7fa6057d9b6674.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mjg2ODYzOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220320/64ba3b9336fd4fc990e03a9d60910dfc.png