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詳解commons-pool2池化技術(shù)

 更新時間:2021年06月17日 14:39:34   作者:vivo互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)  
本文主要是分析commons-pool2池化技術(shù)的實現(xiàn)方案,希望通過本文能讓讀者對commons-pool2的實現(xiàn)原理一個更全面的了解

一、前言

我們經(jīng)常會接觸各種池化的技術(shù)或者概念,包括對象池、連接池、線程池等,池化技術(shù)最大的好處就是實現(xiàn)對象的重復(fù)利用,尤其是創(chuàng)建和使用大對象或者寶貴資源(HTTP連接對象,MySQL連接對象)等方面的時候能夠大大節(jié)省系統(tǒng)開銷,對提升系統(tǒng)整體性能也至關(guān)重要。

在并發(fā)請求下,如果需要同時為幾百個query操作創(chuàng)建/關(guān)閉MySQL的連接或者是為每一個HTTP請求創(chuàng)建一個處理線程或者是為每一個圖片或者XML解析創(chuàng)建一個解析對象而不使用池化技術(shù),將會給系統(tǒng)帶來極大的負(fù)載挑戰(zhàn)。

二、commons-pool2池化技術(shù)剖析

越來越多的框架在選擇使用apache commons-pool2進行池化的管理,如jedis-cluster,commons-pool2工作的邏輯如下圖所示:

2.1、核心三元素

2.1.1、ObjectPool

對象池,負(fù)責(zé)對對象進行生命周期的管理,并提供了對對象池中活躍對象和空閑對象統(tǒng)計的功能。

2.1.2、PooledObjectFactory

對象工廠類,負(fù)責(zé)具體對象的創(chuàng)建、初始化,對象狀態(tài)的銷毀和驗證。commons-pool2框架本身提供了默認(rèn)的抽象實現(xiàn)BasePooledObjectFactory ,業(yè)務(wù)方在使用的時候只需要繼承該類,然后實現(xiàn)warp和create方法即可。

2.1.3、PooledObject

池化對象,是需要放到ObjectPool對象的一個包裝類。添加了一些附加的信息,比如說狀態(tài)信息,創(chuàng)建時間,激活時間等。commons-pool2提供了DefaultPooledObject和 PoolSoftedObject 2種實現(xiàn)。其中PoolSoftedObject繼承自DefaultPooledObject,不同點是使用SoftReference實現(xiàn)了對象的軟引用。獲取對象的時候使用也是通過SoftReference進行獲取。

2.2、對象池邏輯分析

2.2.1、對象池接口說明

1)我們在使用commons-pool2的時候,應(yīng)用程序獲取或釋放對象的操作都是基于對象池進行的,對象池核心接口主要包括如下:

/**
*向?qū)ο蟪刂性黾訉ο髮嵗?
*/
void addObject() throws Exception, IllegalStateException,
      UnsupportedOperationException;
/**
* 從對象池中獲取對象
*/
T borrowObject() throws Exception, NoSuchElementException,
      IllegalStateException;
/**
* 失效非法的對象
*/
void invalidateObject(T obj) throws Exception;
/**
* 釋放對象至對象池
*/
void returnObject(T obj) throws Exception;

除了接口本身之外,對象池還支持對對象的最大數(shù)量,保留時間等等進行設(shè)置。對象池的核心參數(shù)項包括maxTotal,maxIdle,minIdle,maxWaitMillis,testOnBorrow 等。

2.2.2、對象創(chuàng)建解耦

對象工廠是commons-pool2框架中用于生成對象的核心環(huán)節(jié),業(yè)務(wù)方在使用過程中需要自己去實現(xiàn)對應(yīng)的對象工廠實現(xiàn)類,通過工廠模式,實現(xiàn)了對象池與對象的生成與實現(xiàn)過程細(xì)節(jié)的解耦,每一個對象池應(yīng)該都有對象工廠的成員變量,如此實現(xiàn)對象池本身和對象的生成邏輯解耦。

可以通過代碼進一步驗證我們的思路:

public GenericObjectPool(final PooledObjectFactory<T> factory) {
      this(factory, new GenericObjectPoolConfig<T>());
  }
  
  public GenericObjectPool(final PooledObjectFactory<T> factory,
                            final GenericObjectPoolConfig<T> config) {
​
      super(config, ONAME_BASE, config.getJmxNamePrefix());
​
      if (factory == null) {
          jmxUnregister(); // tidy up
          throw new IllegalArgumentException("factory may not be null");
      }
      this.factory = factory;
​
      idleObjects = new LinkedBlockingDeque<>(config.getFairness());
      setConfig(config);
  }
​
  public GenericObjectPool(final PooledObjectFactory<T> factory,
                            final GenericObjectPoolConfig<T> config, final AbandonedConfig abandonedConfig) {
      this(factory, config);
      setAbandonedConfig(abandonedConfig);
  }

可以看到對象池的構(gòu)造方法,都依賴于對象構(gòu)造工廠PooledObjectFactory,在生成對象的時候,基于對象池中定義的參數(shù)和對象構(gòu)造工廠來生成。

/**
* 向?qū)ο蟪刂性黾訉ο?,一般在預(yù)加載的時候會使用該功能
*/
@Override
public void addObject() throws Exception {
  assertOpen();
  if (factory == null) {
      throw new IllegalStateException(
              "Cannot add objects without a factory.");
  }
  final PooledObject<T> p = create();
  addIdleObject(p);
}

create() 方法基于對象工廠來生成的對象,繼續(xù)往下跟進代碼來確認(rèn)邏輯;

final PooledObject<T> p;
try {
  p = factory.makeObject();
  if (getTestOnCreate() && !factory.validateObject(p)) {
      createCount.decrementAndGet();
      return null;
  }
} catch (final Throwable e) {
  createCount.decrementAndGet();
  throw e;
} finally {
  synchronized (makeObjectCountLock) {
      makeObjectCount--;
      makeObjectCountLock.notifyAll();
  }
}

此處確認(rèn)了factory.makeObject()的操作,也印證了上述的推測,基于對象工廠來生成對應(yīng)的對象。

為了更好的能夠?qū)崿F(xiàn)對象池中對象的使用以及跟蹤對象的狀態(tài),commons-pool2框架中使用了池化對象PooledObject的概念,PooledObject本身是泛型類,并提供了getObject()獲取實際對象的方法。

2.2.3、對象池源碼分析

經(jīng)過上述分析我們知道了對象池承載了對象的生命周期的管理,包括整個對象池中對象數(shù)量的控制等邏輯,接下來我們通過GenericObjectPool的源碼來分析究竟是如何實現(xiàn)的。

對象池中使用了雙端隊列LinkedBlockingDeque來存儲對象,LinkedBlockingDeque對列支持FIFO和FILO兩種策略,基于AQS來實現(xiàn)隊列的操作的協(xié)同。

LinkedBlockingDeque提供了隊尾和隊頭的插入和移除元素的操作,相關(guān)操作都進行了加入重入鎖的加鎖操作隊列中設(shè)置notFull 和 notEmpty兩個狀態(tài)變量,當(dāng)對隊列進行元素的操作的時候會觸發(fā)對應(yīng)的執(zhí)行await和notify等操作。

/**
* 第一個節(jié)點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
*           (first.prev == null && first.item != null)
*/
private transient Node<E> first; // @GuardedBy("lock")
​
/**
* 最后一個節(jié)點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
*           (last.next == null && last.item != null)
*/
private transient Node<E> last; // @GuardedBy("lock")
​
/** 當(dāng)前隊列長度 */
private transient int count; // @GuardedBy("lock")
​
/** 隊列最大容量 */
private final int capacity;
​
/** 主鎖 */
private final InterruptibleReentrantLock lock;
​
/** 隊列是否為空狀態(tài)鎖 */
private final Condition notEmpty;
​
/** 隊列是否滿狀態(tài)鎖 */
private final Condition notFull;

隊列核心點為:

1.隊列中所有的移入元素、移出、初始化構(gòu)造元素都是基于主鎖進行加鎖操作。

2.隊列的offer和pull支持設(shè)置超時時間參數(shù),主要是通過兩個狀態(tài)Condition來進行協(xié)調(diào)操作。如在進行offer操作的時候,如果操作不成功,則基于notFull狀態(tài)對象進行等待。

public boolean offerFirst(final E e, final long timeout, final TimeUnit unit)
  throws InterruptedException {
  Objects.requireNonNull(e, "e");
  long nanos = unit.toNanos(timeout);
  lock.lockInterruptibly();
  try {
      while (!linkFirst(e)) {
          if (nanos <= 0) {
              return false;
          }
          nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
      }
      return true;
  } finally {
      lock.unlock();
  }
}

如進行pull操作的時候,如果操作不成功,則對notEmpty進行等待操作。

public E takeFirst() throws InterruptedException {
  lock.lock();
  try {
      E x;
      while ( (x = unlinkFirst()) == null) {
          notEmpty.await();
      }
      return x;
  } finally {
      lock.unlock();
  }
}

反之當(dāng)操作成功的時候,則進行喚醒操作,如下所示:

private boolean linkLast(final E e) {
  // assert lock.isHeldByCurrentThread();
  if (count >= capacity) {
      return false;
  }
  final Node<E> l = last;
  final Node<E> x = new Node<>(e, l, null);
  last = x;
  if (first == null) {
      first = x;
  } else {
      l.next = x;
  }
  ++count;
  notEmpty.signal();
  return true;
}

2.3、核心業(yè)務(wù)流程

2.3.1、池化對象狀態(tài)變更

上圖是PooledObject的狀態(tài)機圖,藍(lán)色表示狀態(tài),紅色表示與ObjectPool相關(guān)的方法.PooledObject的狀態(tài)為:IDLE、ALLOCATED、RETURNING、ABANDONED、INVALID、EVICTION、EVICTION_RETURN_TO_HEAD

所有狀態(tài)是在PooledObjectState類中定義的,其中一些是暫時未使用的,此處不再贅述。

2.3.2、對象池browObject過程

第一步、根據(jù)配置確定是否要為標(biāo)簽刪除調(diào)用removeAbandoned方法。

第二步、嘗試獲取或創(chuàng)建一個對象,源碼過程如下:

//1、嘗試從雙端隊列中獲取對象,pollFirst方法是非阻塞方法
p = idleObjects.pollFirst();
if (p == null) {
    p = create();
    if (p != null) {
        create = true;
    }
}
if (blockWhenExhausted) {
    if (p == null) {
        if (borrowMaxWaitMillis < 0) {
            //2、沒有設(shè)置最大阻塞等待時間,則無限等待
            p = idleObjects.takeFirst();
        } else {
            //3、設(shè)置最大等待時間了,則阻塞等待指定的時間
            p = idleObjects.pollFirst(borrowMaxWaitMillis,
                    TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
    }
}

示意圖如下所示:

第三步、調(diào)用allocate使?fàn)顟B(tài)更改為ALLOCATED狀態(tài)。

第四步、調(diào)用工廠的activateObject來初始化對象,如果發(fā)生錯誤,請調(diào)用destroy方法來銷毀對象,例如源代碼中的六個步驟。

第五步、調(diào)用TestFactory的validateObject進行基于TestOnBorrow配置的對象可用性分析,如果不可用,則調(diào)用destroy方法銷毀對象。3-7步驟的源碼過程如下所示:

//修改對象狀態(tài)
if (!p.allocate()) {
    p = null;
}
if (p != null) {
    try {
        //初始化對象
        factory.activateObject(p);
    } catch (final Exception e) {
        try {
            destroy(p, DestroyMode.NORMAL);
        } catch (final Exception e1) {
        }
 
}
    if (p != null && getTestOnBorrow()) {
        boolean validate = false;
        Throwable validationThrowable = null;
        try {
            //驗證對象的可用性狀態(tài)
            validate = factory.validateObject(p);
        } catch (final Throwable t) {
            PoolUtils.checkRethrow(t);
            validationThrowable = t;
        }
        //對象不可用,驗證失敗,則進行destroy
        if (!validate) {
            try {
                destroy(p, DestroyMode.NORMAL);
               destroyedByBorrowValidationCount.incrementAndGet();
            } catch (final Exception e) {
                // Ignore - validation failure is more important
            }
 
        }
    }
}

2.3.3、對象池returnObject的過程執(zhí)行邏輯

第一步、調(diào)用markReturningState方法將狀態(tài)更改為RETURNING。

第二步、基于testOnReturn配置調(diào)用PooledObjectFactory的validateObject方法以進行可用性檢查。如果檢查失敗,則調(diào)用destroy消耗該對象,然后確保調(diào)用idle以確保池中有IDLE狀態(tài)對象可用,如果沒有,則調(diào)用create方法創(chuàng)建一個新對象。

第三步、調(diào)用PooledObjectFactory的passivateObject方法進行反初始化操作。

第四步、調(diào)用deallocate將狀態(tài)更改為IDLE。

第五步、檢測是否已超過最大空閑對象數(shù),如果超過,則銷毀當(dāng)前對象。

第六步、根據(jù)LIFO(后進先出)配置將對象放置在隊列的開頭或結(jié)尾。

2.4、拓展和思考

2.4.1、關(guān)于LinkedBlockingDeque的另種實現(xiàn)

上文中分析到commons-pool2中使用了雙端隊列以及java中的condition來實現(xiàn)隊列中對象的管理和不同線程對對象獲取和釋放對象操作之間的協(xié)調(diào),那是否有其他方案可以實現(xiàn)類似效果呢?答案是肯定的。

使用雙端隊列進行操作,其實是想將空閑對象和活躍對象進行隔離,本質(zhì)上將我們用兩個隊列來分別存儲空閑隊列和當(dāng)前活躍對象,然后再統(tǒng)一使用一個對象鎖,也是可以達(dá)成相同的目標(biāo)的,大概的思路如下:

1、雙端隊列改為兩個單向隊列分別用于存儲空閑的和活躍的對象,隊列之間的同步和協(xié)調(diào)可以通過對象鎖的wait和notify完成。

public  class PoolState {
 
protected final List<PooledObject> idleObjects = new ArrayList<>();
protected final List<PooledObject> activeObjects = new ArrayList<>();
 
 
//...
 
}

2、在獲取對象時候,原本對雙端隊列的LIFO或者FIFO變成了從空閑隊列idleObjects中獲取對象,然后在獲取成功并對象狀態(tài)合法后,將對象添加到活躍對象集合activeObjects 中,如果獲取對象需要等待,則PoolState對象鎖應(yīng)該通過wait操作,進入等待狀態(tài)。

3、在釋放對象的時候,則首先從活躍對象集合activeObjects 刪除元素,刪除完成后,將對象增加到空閑對象集合idleObjects中,需要注意的是,在釋放對象過程中也需要去校驗對象的狀態(tài)。當(dāng)對象狀態(tài)不合法的時候,對象應(yīng)該進行銷毀,不應(yīng)該添加到idleObjects中。釋放成功后則PoolState通過notify或者notifyAll喚醒等待中的獲取操作。

4、為保障對活躍隊列和空閑隊列的操作線程安全性,獲取對象和釋放對象需要進行加鎖操作,和commons2-pool中的一致。

2.4.2、對象池的自我保護機制

我們在使用commons-pool2中獲取對象的時候,會從雙端隊列中阻塞等待獲取元素(或者是創(chuàng)建新對象),但是如果是應(yīng)用程序的異常,一直未調(diào)用returnObject或者invalidObject的時候,那可能就會出現(xiàn)對象池中的對象一直上升,到達(dá)設(shè)置的上線之后再去調(diào)用borrowObject的時候就會出現(xiàn)一直等待或者是等待超時而無法獲取對象的情況。

commons-pool2為了避免上述分析的問題的出現(xiàn),提供了兩種自我保護機制:

基于閾值的檢測:

從對象池中獲取對象的時候會校驗當(dāng)前對象池的活躍對象和空閑對象的數(shù)量占比,當(dāng)空閑獨享非常少,活躍對象非常多的時候,會觸發(fā)空閑對象的回收,具體校驗規(guī)則為:如果當(dāng)前對象池中少于2個idle狀態(tài)的對象或者 active數(shù)量>最大對象數(shù)-3 的時候,在borrow對象的時候啟動泄漏清理。通過AbandonedConfig.setRemoveAbandonedOnBorrow 為 true 進行開啟。

//根據(jù)配置確定是否要為標(biāo)簽刪除調(diào)用removeAbandoned方法
final AbandonedConfig ac = this.abandonedConfig;
if (ac != null && ac.getRemoveAbandonedOnBorrow() && (getNumIdle() < 2) && (getNumActive() > getMaxTotal() - 3) ) {
    removeAbandoned(ac);
}

異步調(diào)度線程檢測:

AbandonedConfig.setRemoveAbandonedOnMaintenance 設(shè)置為 true 以后,在維護任務(wù)運行的時候會進行泄漏對象的清理,通過設(shè)置setTimeBetweenEvictionRunsMillis 來設(shè)置維護任務(wù)執(zhí)行的時間間隔。


檢測和回收實現(xiàn)邏輯分析:

在構(gòu)造方法內(nèi)部邏輯的最后調(diào)用了startEvictor方法。這個方法的作用是在構(gòu)造完對象池后,啟動回收器來監(jiān)控回收空閑對象。startEvictor定義在GenericObjectPool的父類BaseGenericObjectPool(抽象)類中,我們先看一下這個方法的源碼。

在構(gòu)造器中會執(zhí)行如下的設(shè)置參數(shù);

public final void setTimeBetweenEvictionRunsMillis(
      final long timeBetweenEvictionRunsMillis) {
  this.timeBetweenEvictionRunsMillis = timeBetweenEvictionRunsMillis;
  startEvictor(timeBetweenEvictionRunsMillis);
}

當(dāng)且僅當(dāng)設(shè)置了timeBetweenEvictionRunsMillis參數(shù)后才會開啟定時清理任務(wù)。

final void startEvictor(final long delay) {
  synchronized (evictionLock) {
      EvictionTimer.cancel(evictor, evictorShutdownTimeoutMillis, TimeUnit.MILLISECONDS);
      evictor = null;
      evictionIterator = null;
      //如果delay<=0則不會開啟定時清理任務(wù)
      if (delay > 0) {
          evictor = new Evictor();
          EvictionTimer.schedule(evictor, delay, delay);
      }
  }
}

繼續(xù)跟進代碼可以發(fā)現(xiàn),調(diào)度器中設(shè)置的清理方法的實現(xiàn)邏輯實際在對象池中定義的,也就是由GenericObjectPool或者GenericKeyedObjectPool來實現(xiàn),接下來我們繼續(xù)探究對象池是如何進行對象回收的。

a)、核心參數(shù):

minEvictableIdleTimeMillis:指定空閑對象最大保留時間,超過此時間的會被回收。不配置則不過期回收。

softMinEvictableIdleTimeMillis:一個毫秒數(shù)值,用來指定在空閑對象數(shù)量超過minIdle設(shè)置,且某個空閑對象超過這個空閑時間的才可以會被回收。

minIdle:對象池里要保留的最小空間對象數(shù)量。

b)、回收邏輯

以及一個對象回收策略接口EvictionPolicy,可以預(yù)料到對象池的回收會和上述的參數(shù)項及接口EvictionPolicy發(fā)生關(guān)聯(lián),繼續(xù)跟進代碼會發(fā)現(xiàn)如下的內(nèi)容,可以看到在判斷對象池可以進行回收的時候,直接調(diào)用了destroy進行回收。

boolean evict;
try {
  evict = evictionPolicy.evict(evictionConfig, underTest,
  idleObjects.size());
} catch (final Throwable t) {
  // Slightly convoluted as SwallowedExceptionListener
  // uses Exception rather than Throwable
    PoolUtils.checkRethrow(t);
    swallowException(new Exception(t));
    // Don't evict on error conditions
    evict = false;
}
if (evict) {
    // 如果可以被回收則直接調(diào)用destroy進行回收
    destroy(underTest);
    destroyedByEvictorCount.incrementAndGet();
}

為提升回收的效率,在回收策略判斷對象的狀態(tài)不是evict的時候,也會進行進一步的狀態(tài)判斷和處理,具體邏輯如下:

1.嘗試激活對象,如果激活失敗則認(rèn)為對象已經(jīng)不再存活,直接調(diào)用destroy進行銷毀。

2.在激活對象成功的情況下,會通過validateObject方法取校驗對象狀態(tài),如果校驗失敗,則說明對象不可用,需要進行銷毀。

boolean active = false;
try {
  // 調(diào)用activateObject激活該空閑對象,本質(zhì)上不是為了激活,
  // 而是通過這個方法可以判定是否還存活,這一步里面可能會有一些資源的開辟行為。
  factory.activateObject(underTest);
  active = true;
} catch (final Exception e) {
  // 如果激活的時候,發(fā)生了異常,就說明該空閑對象已經(jīng)失聯(lián)了。
  // 調(diào)用destroy方法銷毀underTest
  destroy(underTest);
  destroyedByEvictorCount.incrementAndGet();
}
if (active) {
  // 再通過進行validateObject校驗有效性
  if (!factory.validateObject(underTest)) {
      // 如果校驗失敗,說明對象已經(jīng)不可用了
      destroy(underTest);
      destroyedByEvictorCount.incrementAndGet();
  } else {
      try {
          /*
            *因為校驗還激活了空閑對象,分配了額外的資源,那么就通過passivateObject把在activateObject中開辟的資源釋放掉。
          */
          factory.passivateObject(underTest);
      } catch (final Exception e) {
          // 如果passivateObject失敗,也可以說明underTest這個空閑對象不可用了
          destroy(underTest);
          destroyedByEvictorCount.incrementAndGet();
      }
  }
}

三、寫在最后

連接池能夠給程序開發(fā)者帶來一些便利性,前言中我們分析了使用池化技術(shù)的好處和必要性,但是我們也可以看到commons-pool2框架在對象的創(chuàng)建和獲取上都進行了加鎖的操作,這會在并發(fā)場景下一定程度的影響應(yīng)用程序的性能,其次池化對象的對象池中對象的數(shù)量也是需要進行合理的設(shè)置,否則也很難起到真正的使用對象池的目的,這給我們也帶來了一定的挑戰(zhàn)。

以上就是詳解commons-pool2池化技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于commons-pool2池化技術(shù)的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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