一个广为人知但鲜有人用的技巧：对象池

设计模式 对象池 内存管理 垃圾收集

摘要

对象池是一种设计模式，它会预先初始化一组可重用的实体，而不是按需销毁然后重建。在使用套接字描述符时，人们通常会将其池化。实际上，套接字描述符的数量通常比较少（最多上千个），之所以要采用池的方式，是因为它们的初始化成本非常高。而在最近发表的一篇博文中，ClojureWerkz核心成员Alex Petrov探讨了另一种对象池应用场景，即将大量的存活期短且初始化成本低的对象池化，以降低内存分配和再分配成本，避免内存碎片。

正文

对象池是一种设计模式，它会预先初始化一组可重用的实体，而不是按需销毁然后重建。在使用套接字描述符时，人们通常会将其池化。实际上，套接字描述符的数量通常比较少（最多上千个），之所以要采用池的方式，是因为它们的初始化成本非常高。而在最近发表的一篇博文中，ClojureWerkz核心成员Alex Petrov探讨了另一种对象池应用场景，即将大量的存活期短且初始化成本低的对象池化，以降低内存分配和再分配成本，避免内存碎片。

Alex将对象池看作是减少GC压力的首选方法，同时也是最简单的方法。在下面两种分配模式下，可以选择使用对象池：

• 对象以固定的速度不断地分配，垃圾收集时间逐步增加，内存使用率随之增大；
• 对象分配存在爆发期，而每次爆发都会导致系统迟滞，并伴有明显的GC中断。

在绝大多数情况下，这些对象要么是数据容器，要么是数据封装器，其作用是在应用程序和内部消息总线、通信层或某些API之间充当一个信封。这很常见。例如，数据库驱动会针对每个请求和响应创建Request和Response对象，消息系统会使用Message和Event封装器，等等。对象池可以帮助保存和重用这些构造好的对象实例。

Alex介绍了两种基本的对象池回收模式：“借用（borrowing）”和引用计数。前者更清晰，而后者则意味着要实现自动回收。

借用非常像垃圾收集运行时之上的malloc/free。自然地，在使用这种方式时，开发人员需要面对早先使用非垃圾收集语言时面对的问题。如果某个对象已经释放并返回到池中，那么任何对它的修改或读取都会产生不可预见的结果。例如，在C语言中，对已释放的指针进行任何操作都会产生块错误。借用适用于有明确的开始/结束点的操作。绝大多数时候，都不要将它用于对象可以被多个线程同步访问的情况。借用最大的优点是，它不知道对象池的存在。被借用的对象本身要有某种reset机制，借用和返回操作都由对象消费者完成。

引用计数在实现方面稍微复杂些，但它对数据结构提供了更细粒度的控制。将对象池封装到一个函数式接口中，消费者就可以不必了解它，就像下面这个样子：

(pooledObject, pooledObjectConsumer) -> {
  pooledObject.retain();
  pooledObjectConsumer.accept(pooledObject);
  pooledObject.release();
  };

每当对象进入上述代码块，调用者就会retain该对象，并在执行块执行完毕后将其release。每个对象都持有一个内部计数器和一个指向池的引用。当计数器为0时，对象就会返回池中。

通常，引用计数用于同时有多个消费者访问已分配对象的情况，只有当所有的消费者都释放了对象引用时，对象才可以被回收。这种方式也适用于管道或嵌套处理。在这种情况下，开发者可以避免显式的开始/结束操作。

分配触发负责在池中对象不足时分配新资源。Alex介绍了如下三种分配触发方式：

• 空池触发：任何时候，只要池空了，就分配对象。这是一种最简单的方式。
• 水位线：空池触发的缺点是，某次对象请求会因为执行对象分配而中断。为了避免这种情况，可以使用水位线触发。当从池中请求新对象时，检查池中可用对象的数量。如果可用对象小于某个阈值，就触发分配过程。
• Lease/Return速度：大多数时候，水位线触发已经足够，但有时候可能会需要更高的精度。在这种情况下，可以使用lease和return速度。例如，如果池中有100个对象，每秒有20个对象被取走，但只有10个对象返回，那么9秒后池就空了。开发者可以使用这种信息，提前做好对象分配计划。

增长策略用于指定分配过程被触发后需要分配的对象的数量。Alex也介绍了三种方式：

• 固定大小：这是最简单的对象池实现方式。对象一次性预分配，对象池后续不再增长。这种实现适用于对象数量相对确定的情况，但池大小固定可能会导致资源饥饿。
• 小步增长：为了避免出现资源饥饿，可以允许对象池小步增长，比如一次额外分配一个对象。
• 块增长：如果无法接受分配导致的中断，就需要保证池中任何时候都有可用的对象。这时，就必须使用块增长。例如，每当水位线到达25%时，就将对象池增大25%。不过，这种方式容易导致内存溢出。搭配Lease/Return速度分配触发策略，可以得出更准确的池大小。

当然，使用对象池就意味着开发者开始自己管理内存，所以需要注意以下问题：

• 引用泄露：对象在系统中某个地方注册了，但没有返回到池中。
• 过早回收：消费者已经决定将对象返还给对象池，但仍然持有它的引用，并试图执行写或读操作，这时会出现这种情况。
• 隐式回收：当使用引用计数时可能会出现这种情况。
• 大小错误：这种情况在使用字节缓冲区和数组时非常常见：对象应该有不同的大小，而且是以定制的方式构造，但返回对象池后却作为通用对象重用。
• 重复下单：这是引用泄露的一个变种，存在多路复用时特别容易发生：一个对象被分配到多个地方，但其中一个地方释放了该对象。
• 就地修改：对象不可变是最好的，但如果不具备那样做的条件，就可能在读取对象内容时遇到内容被修改的问题。
• 缩小对象池：当池中有大量的未使用对象时，要缩小对象池。
• 对象重新初始化：确保每次从池中取得的对象不含有上次使用时留下的脏字段。

最后，Alex指出：

对象池并不适合所有人。在应用程序开发的早期阶段就开始使用对象池是没有意义的，因为你那时候还不能确切地知道什么需要池化，也不确定如何池化。