基于Ｊ２ＳＥ５．０的對(duì)象池組件設(shè)計(jì)

摘要：Java 2 Standard Edtion 5.0（代號(hào)Tiger）是Sun Microsystems公司最新發(fā)布的Java2平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)版。在J2SE5.0中提供了java.util.concurrent包。這個(gè)包實(shí)現(xiàn)了JSR166中描述的并發(fā)編程（concurrent programming）模型。

本課題中將通過(guò)使用J2SE5.0中的concurrent包實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象池來(lái)對(duì)J2SE5.0并發(fā)控制效率進(jìn)行研究，并將實(shí)現(xiàn)的對(duì)象池應(yīng)用在Web程序當(dāng)中，構(gòu)建一個(gè)擴(kuò)展Struts框架的Web程序框架。

本文分兩個(gè)個(gè)主要部分講解。第一部分講述了開(kāi)發(fā)對(duì)象池及Web框架鎖必備的知識(shí)，重點(diǎn)講述Java語(yǔ)言及UML建模；第二部分講述了對(duì)象池組件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括需求分析，組件設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：對(duì)象池 UML建模 Sturts框架

1 基本理論

1.1 Java語(yǔ)言簡(jiǎn)介

Java是1995年6月由Sun Microsystems公司提出的一種革命化語(yǔ)言，與其他編程語(yǔ)一樣，這種語(yǔ)言在短時(shí)間內(nèi)即得到了迅速的發(fā)展。由于具有易用性、平臺(tái)無(wú)關(guān)性、易移植性等諸多特征，這門(mén)語(yǔ)言得到了廣泛的應(yīng)用。而且，這種語(yǔ)言具有很好的發(fā)展前景：程序開(kāi)發(fā)費(fèi)用少，工作效率高，并擁有很好的用戶(hù)界面和強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具。網(wǎng)上數(shù)據(jù)編程體現(xiàn)得非常充分，是其它語(yǔ)言無(wú)法做到的。

1.2 UML技術(shù)

1.2.1 UML簡(jiǎn)介

統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）是一個(gè)通用的可視化建模語(yǔ)言，用于對(duì)軟件進(jìn)行描述、可視化處理、構(gòu)造和建立軟件系統(tǒng)制品的文檔。它記錄了對(duì)必須構(gòu)造的系統(tǒng)的決定和理解，可用于對(duì)系統(tǒng)的理解、設(shè)計(jì)、瀏覽、配置、維護(hù)和信息控制。

UML描述了一個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。UML將系統(tǒng)描述為一些離散的相互作用的對(duì)象，并最終為外部用戶(hù)提供一定的功能的模型結(jié)構(gòu)。靜態(tài)結(jié)構(gòu)定義了系統(tǒng)中的重要對(duì)象的屬性和操作，以及這些對(duì)象之間的相互關(guān)系。動(dòng)態(tài)行為定義了對(duì)象的時(shí)間特性和對(duì)象為完成目標(biāo)而相互進(jìn)行通信的機(jī)制。從不同但相互聯(lián)系的角度對(duì)系統(tǒng)建立的模型可用與不同的目的。

1.2.2 UML圖

1.2.2.1 類(lèi)圖

類(lèi)圖表示不同的實(shí)體（人、事物和數(shù)據(jù)）如何彼此相關(guān)，換句話說(shuō)，它顯示了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。類(lèi)圖可用于表示邏輯類(lèi)，邏輯類(lèi)通常就是業(yè)務(wù)人員所談及的事物種類(lèi)——搖滾樂(lè)隊(duì)、CD、廣播劇；或者貸款、住房抵押、汽車(chē)信貸以及利率。類(lèi)圖還可用于表示實(shí)現(xiàn)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)就是程序員處理的實(shí)體。實(shí)現(xiàn)類(lèi)圖或許會(huì)與邏輯類(lèi)圖顯示一些相同的類(lèi)。然而，實(shí)現(xiàn)類(lèi)圖不會(huì)使用相同的屬性來(lái)描述，因?yàn)樗芸赡芫哂袑?duì)諸如Vector和HashMap這種事物的引用。

1.2.2.2 狀態(tài)圖

狀態(tài)圖表示某個(gè)類(lèi)所處的不同狀態(tài)和該類(lèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息。有人可能會(huì)爭(zhēng)論說(shuō)每個(gè)類(lèi)都有狀態(tài)，但不是每個(gè)類(lèi)都應(yīng)該有一個(gè)狀態(tài)圖。只對(duì)“感興趣的”狀態(tài)的類(lèi)（也就是說(shuō)，在系統(tǒng)活動(dòng)期間具有三個(gè)或更多潛在狀態(tài)的類(lèi)）才進(jìn)行狀態(tài)圖描述。

1.2.2.3 活動(dòng)圖

活動(dòng)圖表示在處理某個(gè)活動(dòng)時(shí)兩個(gè)或者更多類(lèi)對(duì)象之間的過(guò)程控制流。活動(dòng)圖可用于在業(yè)務(wù)單元的級(jí)別上對(duì)更高級(jí)別的業(yè)務(wù)過(guò)程進(jìn)行建模，或者對(duì)低級(jí)別的內(nèi)部類(lèi)操作進(jìn)行建模。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，活動(dòng)圖最適合用于對(duì)較高級(jí)別的過(guò)程建模，比如公司當(dāng)前在如何運(yùn)作業(yè)務(wù)，或者業(yè)務(wù)如何運(yùn)作等。這是因?yàn)榕c序列圖相比，活動(dòng)圖在表示上“不夠技術(shù)性”，但有業(yè)務(wù)頭腦的人們往往能夠更快速地理解它們。

1.2.2.4 序列圖

序列圖顯示具體用例（或者是用例的一部分）的詳細(xì)流程。它幾乎是自描述的，并且顯示了流程中不同對(duì)象之間的調(diào)用關(guān)系，同時(shí)還可以很詳細(xì)地顯示對(duì)不同對(duì)象的不同調(diào)用。

序列圖有兩個(gè)維度：垂直維度以發(fā)生的時(shí)間順序顯示消息/調(diào)用的序列；水平維度顯示消息被發(fā)送到的對(duì)象實(shí)例。

1.2.2.5 組件圖

組件圖提供系統(tǒng)的物理視圖。它的用途是顯示系統(tǒng)中的軟件對(duì)其他軟件組件（例如，庫(kù)函數(shù)）的依賴(lài)關(guān)系。

1.2.2.6 用例圖

用例圖描述了系統(tǒng)提供的一個(gè)功能單元。用例圖的主要目的是幫助開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)以一種可視化的方式理解系統(tǒng)的功能需求，包括基于基本流程的“角色”（actors，也就是與系統(tǒng)交互的其他實(shí)體）關(guān)系，以及系統(tǒng)內(nèi)用例之間的關(guān)系。用例圖一般表示出用例的組織關(guān)系——要么是整個(gè)系統(tǒng)的全部用例，要么是完成具體功能（例如所有安全管理相關(guān)的用例）的一組用例。要在用例圖上顯示某個(gè)用例，可繪制一個(gè)橢圓，然后將用例的名稱(chēng)放在橢圓的中心或橢圓下面的中間位置；要在用例圖上繪制一個(gè)角色（表示一個(gè)系統(tǒng)用戶(hù)），可繪制一個(gè)人形符號(hào)。角色和用例之間的關(guān)系使用簡(jiǎn)單的線段來(lái)描述。

1.2.2.7 部署圖

部署圖表示該軟件系統(tǒng)如何部署到硬件環(huán)境中。它的用途是顯示該系統(tǒng)不同的組件將在何處物理地運(yùn)行，以及它們將如何彼此通信。因?yàn)椴渴饒D是對(duì)物理運(yùn)行情況進(jìn)行建模，系統(tǒng)的生產(chǎn)人員就可以很好地利用這種圖。

1.3 開(kāi)發(fā)工具Eclipse

Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)。就其本身而言，它只是一個(gè)框架和一組服務(wù)，用于通過(guò)插件組件構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境。Eclipse本身附帶了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的插件集，包括Java開(kāi)發(fā)工具（Java Development Tools，JDT）。

Eclipse是一個(gè)很讓人著迷的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供的核心框架和可擴(kuò)展的插件機(jī)制給廣大的程序員提供了無(wú)限的想象和創(chuàng)造空間。目前網(wǎng)上流傳相當(dāng)豐富且全面的開(kāi)發(fā)工具方面的插件，但是Eclipse已經(jīng)超越了開(kāi)發(fā)環(huán)境的概念，可以想象Eclipse將成為未來(lái)的集成的桌面環(huán)境。目前的Eclipse本身就具備資源管理和外部程序的功能，加上無(wú)所不能的插件，將構(gòu)成一個(gè)豐富多彩的工作環(huán)境而不僅僅是一個(gè)IDE。

2 對(duì)象池組件分析與概要設(shè)計(jì)

2.1 概要

恰當(dāng)?shù)厥褂脤?duì)象池化技術(shù)，可以有效地減少對(duì)象生成和初始化時(shí)的消耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

對(duì)象池化的基本思路是：將用過(guò)的對(duì)象保存起來(lái)，等下一次需要這種對(duì)象的時(shí)候，再拿出來(lái)重復(fù)使用，從而在一定程度上減少頻繁創(chuàng)建對(duì)象所造成的開(kāi)銷(xiāo)。用于充當(dāng)保存對(duì)象的“容器”的對(duì)象，被稱(chēng)為“對(duì)象池”（Object Pool，或簡(jiǎn)稱(chēng)Pool）。

對(duì)于沒(méi)有狀態(tài)的對(duì)象（例如String），在重復(fù)使用之前，無(wú)需進(jìn)行任何處理；對(duì)于有狀態(tài)的對(duì)象（例如StringBuffer），在重復(fù)使用之前，就需要把它們恢復(fù)到等同于剛剛生成時(shí)的狀態(tài)。由于條件的限制，恢復(fù)某個(gè)對(duì)象的狀態(tài)的操作不可能實(shí)現(xiàn)了的話，就得把這個(gè)對(duì)象拋棄，改用新創(chuàng)建的實(shí)例了。

并非所有對(duì)象都適合拿來(lái)池化——因?yàn)榫S護(hù)對(duì)象池也要造成一定開(kāi)銷(xiāo)。對(duì)生成時(shí)開(kāi)銷(xiāo)不大的對(duì)象進(jìn)行池化，反而可能會(huì)出現(xiàn)“維護(hù)對(duì)象池的開(kāi)銷(xiāo)”大于“生成新對(duì)象的開(kāi)銷(xiāo)”，從而使性能降低的情況。但是對(duì)于生成時(shí)開(kāi)銷(xiāo)可觀的對(duì)象，池化技術(shù)就是提高性能的有效策略了。

2.2 需求分析

2.2.1 對(duì)象池組件功能需求

對(duì)象池為客戶(hù)線程提供取得對(duì)象的方法getObject，歸還對(duì)象的方法releaseObject和銷(xiāo)毀對(duì)象的方法invalidateObject。

圖1 是客戶(hù)線程從池中取對(duì)象時(shí)的序列圖，當(dāng)客戶(hù)線程取對(duì)象時(shí)對(duì)象池根據(jù)情況去從池中取對(duì)象或調(diào)用Factory創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。在取對(duì)象同時(shí)對(duì)象持還會(huì)根據(jù)設(shè)置調(diào)用Factory對(duì)對(duì)象進(jìn)行檢查，激活或狀態(tài)復(fù)原。

圖2是客戶(hù)線程將對(duì)象送回對(duì)象池中時(shí)的序列圖，當(dāng)客戶(hù)線程送回對(duì)象到對(duì)象池時(shí)。在取對(duì)象同時(shí)對(duì)象池還會(huì)根據(jù)設(shè)置調(diào)用Factory對(duì)對(duì)象進(jìn)行檢查和狀態(tài)復(fù)原。

圖3是客戶(hù)進(jìn)程銷(xiāo)毀一個(gè)對(duì)象時(shí)的序列圖。當(dāng)客戶(hù)線程銷(xiāo)毀對(duì)象時(shí)，對(duì)象池將調(diào)用Factory的destroyObject方法將對(duì)象破壞掉。

2.2.2 對(duì)象池（ObjectPool）組件性能需求

對(duì)對(duì)象池的要求如下：

1) 對(duì)象池組件運(yùn)行在多線程環(huán)境下，要考慮對(duì)象池的線程安全性；

2) 對(duì)象池提供三種（increasing，bloking，blockingtimeout）取得對(duì)象的方法；

3) 對(duì)象池在創(chuàng)建時(shí)對(duì)其初始化，并可以在對(duì)象池運(yùn)行過(guò)程中可以修改運(yùn)行參數(shù)；

4) 在對(duì)象池內(nèi)部使用泛型（Generics）技術(shù)為各種類(lèi)型對(duì)象構(gòu)造一個(gè)通用的pool。

2.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境配置

2.3.1 硬件環(huán)境

2.3.2 軟件環(huán)境

1） 開(kāi)發(fā)環(huán)境

2） 運(yùn)行環(huán)境

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 對(duì)象池（ObjectPool）組件

創(chuàng)建PoolableObjectFactory接口，使開(kāi)發(fā)人員通過(guò)實(shí)現(xiàn)該接口將指定對(duì)象池化；創(chuàng)建一個(gè)PoolableObjectFactory接口基類(lèi)，在接口的實(shí)現(xiàn)中也可以繼承該基類(lèi)以節(jié)省開(kāi)發(fā)量。

創(chuàng)建一個(gè)通用的對(duì)象池CommonObjectPool類(lèi)，該類(lèi)通過(guò)調(diào)用PoolableObjectFactory接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)象的池化，從池中取對(duì)象，將對(duì)象歸還到池中，檢驗(yàn)和銷(xiāo)毀一個(gè)對(duì)象的功能。

在實(shí)現(xiàn)CommonObjectPool時(shí)需要考慮代碼的線程安全性，以保證對(duì)象池的健壯性和效率。

2.4.2 對(duì)象池組件UML圖

對(duì)象池組件的類(lèi)圖如圖4，其中：

接口ObjectPool中定義了開(kāi)發(fā)人員使用對(duì)象池時(shí)可用的接口。

BaseObjectPool類(lèi)是對(duì)接口ObjectPool的一個(gè)基本實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)繼承這個(gè)實(shí)現(xiàn)來(lái)創(chuàng)建自己所需的特定功能的對(duì)象池。

CommonObjectPool是我們創(chuàng)建的一個(gè)通用的對(duì)象池組件，它繼承了BaseObject，該組件滿(mǎn)足了以上我們的對(duì)象池組件開(kāi)發(fā)要求。該類(lèi)的各個(gè)屬性和方法定義如下：

屬性：

a. MaxActivate：最大活躍對(duì)象數(shù)目，在非INCREASE型對(duì)象池中決定了最多可以使用的對(duì)象的數(shù)目。如果小于零則為無(wú)限。

b. MaxIdle：最大空閑數(shù)，控制對(duì)象池中最多有多少個(gè)空閑對(duì)象；該屬性也決定了對(duì)象池容器的大小。

c. MinIdle：最小空閑數(shù)，保持對(duì)象池中最少的空閑對(duì)象數(shù)量。

d. 最大活動(dòng)數(shù)MaxActivate：最多可提供的對(duì)象數(shù)目。

e. PoolTYPE {INCREASE，BLOCK，TIMEOUT}：對(duì)象池類(lèi)型。分為：INCREASE（對(duì)象池空時(shí)可以繼續(xù)創(chuàng)建對(duì)象）；BLOCK（對(duì)象池空時(shí)阻塞調(diào)用線程，拋出異常）；TIMEOUT（對(duì)象池空時(shí)，阻塞對(duì)象一段時(shí)間，直到超時(shí)拋出超時(shí)異常）。

f. MaxWaitTime：設(shè)置超時(shí)類(lèi)型時(shí)，線程每次等待的時(shí)間。

g. MaxWait：超時(shí)等待時(shí)等待線程的最大數(shù)目。

h. NumWhileEvict：設(shè)置evictor執(zhí)行時(shí)需要檢測(cè)對(duì)象的數(shù)目。

i. CheckWhileIdle：標(biāo)示是否校驗(yàn)對(duì)象池中空閑的對(duì)象。

j. TestOnGet：從池中取對(duì)象時(shí)是否需要校驗(yàn)對(duì)象。

k. TestOnRelease：向池中歸還對(duì)象時(shí)是否需要校驗(yàn)對(duì)象。

l. TimeOutOnEvict：Evictor檢測(cè)對(duì)象池時(shí)，池中對(duì)象的生命周期。

方法：

a. getObject：從對(duì)象池中取得一個(gè)對(duì)象。

b. releaseObject：將一個(gè)對(duì)象歸還到對(duì)象持中。

c. ivalidateObject：將取出的對(duì)象銷(xiāo)毀。

d. clean：清空對(duì)象池。

e. close：關(guān)閉對(duì)象池。

f. evict：對(duì)池中的對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，將過(guò)期對(duì)象破壞掉。

g. addObjectToPool：向池中加入對(duì)象。

h. addObject：新建一個(gè)對(duì)象放入池中。

i. ensureMinIdle：確保池中對(duì)象數(shù)目的最小值。

j. startEvictor：?jiǎn)?dòng)后臺(tái)維護(hù)線程。

PoolableObjectFactory是可池化對(duì)象的接口，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)該接口使得指定對(duì)象被對(duì)象池進(jìn)行池化。

BasePoolableObjectFactory是PoolableObjectFactory接口的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)繼承該類(lèi)來(lái)池化特定的對(duì)象。

Evictor是CommonObjectPool中的內(nèi)部線程類(lèi)，該類(lèi)負(fù)責(zé)創(chuàng)建一個(gè)后臺(tái)維護(hù)進(jìn)程以保證對(duì)象池的正常運(yùn)行。

TimeStampPair是CommonObjectPool中的內(nèi)部線程類(lèi)，它是為存放對(duì)象并記錄對(duì)象時(shí)間信息的。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用J2SE5.0提供的新特性實(shí)現(xiàn)對(duì)象池CommonObjectPool及其在Web應(yīng)用程序中的應(yīng)用，我們不僅對(duì)對(duì)象持技術(shù)有了很深的了解，而且在性能的測(cè)試與比較中對(duì)J2SE5.0對(duì)并發(fā)控制效率的提高有了一定的驗(yàn)證。

盡管我們的CommonObjectPool只是個(gè)試驗(yàn)中的組件，擴(kuò)展的Struts框架還有一些不足，但是其應(yīng)用前景還是相當(dāng)看好的。經(jīng)過(guò)對(duì)我們的擴(kuò)展框架的進(jìn)一步完善，我相信開(kāi)發(fā)人員能夠基于該框架輕松地開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定性好效率高的Web應(yīng)用程序。

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