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第28章 享元模式 28.1 内存溢出,司空见惯 下午,我正在开会中,老大推门进来。 “三儿,出来一下。” 我刚出会议室门口,老大就发话了。 “郎当(姓朗,顺口就叫郎当)的那个报考系统又crash了一台机器,两天已经宕了4次了,你这边还有紧急的事情没有?……没有,那赶快过去顶一下,就运行三天的程序,两天宕了4次,还怎么玩?!” 我马上收拾东西,冲到马路上拦了出租车,同时打电话给郎当。 “三哥,厂商人员已经定位出了,OutOfMemory内存溢出,没查到有内存泄漏的情况,现在还在跟踪……是突然暴涨的,都是在繁忙期出现问题的……” 内存溢出对Java应用来说实在是太平常了,有以下两种可能。 ● 内存泄漏 无意识的代码缺陷,导致内存泄漏,JVM不能获得连续的内存空间。 ● 对象太多 代码写得很烂,产生的对象太多,内存被耗尽。现在的情况是没有内存泄漏,那只有一种原因——代码太差把内存耗尽。 到现场后,郎当给我介绍了一下系统情况。该系统是一个报考系统,其中有一个模块负责社会人员报名,该模块对全国的考试人员只开放3天,并且限制报考人员数量。第一天9点开始报考,系统慢得像蜗牛,基本上都不能访问,后来设置了HTTP Server的并发数量,稍有缓解,40分钟后宕了一台机器,10分钟后,又挂了一台,下午3点又挂了一台,看样子晚上要让郎当去寺庙烧烧香了。 该系统一共有8台应用服务器,基本上CPU繁忙程度都在60%以上,HTTP的最大并发是2000,平均分配到每台应用服务器上没有太大的压力,于是怀疑是代码问题,然后详细了解了一下业务和数据流逻辑,基本的业务操作过程清楚了,先登录(没有账号的,则要先注册),登录后,需要填写以下信息: ● 考试科目,选择框。 ● 考试地点,选择框,根据科目不同,列表不同。 ● 准考证邮寄地址,输入框。 还有其他一堆信息,我们以这三者作为代表来讲解。信息填写完毕后,点击确认,报名就结束了。简单程序的业务逻辑也确实是这样,为什么出现Crash情况呢?那肯定是和压力有关系! 我们先把这个过程的静态类图画出来,如图28-1所示。 ![](https://box.kancloud.cn/2016-08-14_57b0036bd75d3.jpg) 图28-1 报考系统类图 很简单的工厂方法模式,表现层通过工厂方法模式创建对象,然后传递给业务层和持久层,最终保存到数据库中,为什么要使用工厂方法模式而不用直接new一个对象呢?因为是在框架下编程,必须有一个对象工厂(ObjectFactory,Spring也有对象工厂)。我们先来看报考信息,如代码清单28-1所示。 代码清单28-1 报考信息 public class SignInfo {      //报名人员的ID      private String id;      //考试地点      private String location;      //考试科目      private String subject;      //邮寄地址      private String postAddress;      public String getId() {              return id;      }      public void setId(String id) {              this.id = id;      }      public String getLocation() {              return location;      }      public void setLocation(String location) {              this.location = location;      }      public String getSubject() {              return subject;      }      public void setSubject(String subject) {              this.subject = subject;      }      public String getPostAddress() {              return postAddress;      }      public void setPostAddress(String postAddress) {              this.postAddress = postAddress;      } } 它是一个很简单的POJO对象(Plain Ordinary Java Object,简单Java对象)。我们再来看工厂类,如代码清单28-2所示。 代码清单28-2 报考信息工厂 public class SignInfoFactory {      //报名信息的对象工厂      public static SignInfo getSignInfo(){              return new SignInfo();      } } 工厂类就这么简单?非也,这是我们的教学代码,真实的ObjectFactory要复杂得多,主要是注入了部分Handler的管理。表现层是如何创建对象的,如代码清单28-3所示。 代码清单28-3 场景类 public class Client {      public static void main(String[] args) {              //从工厂中获得一个对象              SignInfo signInfo = SignInfoFactory.getSignInfo();              //进行其他业务处理      } } 就这么简单,但是简单为什么会出现问题呢?而且这样写也没有问题呀,很标准的工厂方法模式,应该不会有大问题,然后又看了看系统厂商提供的分析报告,报告中指出:内存突然由800MB飙升到1.4GB,新的对象申请不到内存空间,于是出现OutOfMemory,同时报告中还列出宕机时刻内存中的对象,其中SignInfo类的对象就有400MB,疯子,绝对是疯子!报告都没有看嘛! 问题找到了,我拉郎当过来谈话,“厂商不是分析出原因了嘛,人家已经指出SignInfo类的对象占用了400MB多的内存,这是怎么回事?” “三哥,这是很正常的,这么大的访问量,产生出这么多的SignInfo对象也是应该的,内存中有这么多对象并不表示这些对象正在被使用呀,估计很大一部分还没有被回收而已,垃圾回收器什么时候回收内存中的对象这是不确定的。你看,并发200多个,这可是并发数量……” 我想了想,也确实是这么回事。既然已经定位是内存中对象太多,那就应该想到使用一种共享的技术减少对象数量,那怎么共享呢? 大家知道,对象池(Object Pool)的实现有很多开源工具,比如Apache的commons-pool就是一个非常不错的池工具,我们暂时还用不到这种重量级的工具,我们自己来设计一个共享对象池,需要实现如下两个功能。 ● 容器定义 我们要定义一个池容器,在这个容器中容纳哪些对象。 ● 提供客户端访问的接口 我们要提供一个接口供客户端访问,池中有可用对象时,可以直接从池中获得,否则建立一个新的对象,并放置到池中。 设计思路有了,那我们池中对象的标准是什么呢?你想想看,如果你把所有的对象都放到池中,那还有什么意义?内存早就给你撑爆了!这么多对象,必然有一些相同的属性值,如几十万SignInfo对象中,考试科目就4个,考试地点也就是30多个,其他的属性则是每个对象都不相同的,我们把对象的相同属性提取出来,不同的属性在系统内进行赋值处理,是不是就可以建立一个池了?话无须多说,我们以类图来表示,如图28-2所示。 ![](https://box.kancloud.cn/2016-08-14_57b0036c0072a.jpg) 图28-2 增加对象池的类图 做一个很小的改动,增加了一个子类,实现带缓冲池的对象建立,同时在工厂类上增加了一个容器对象HashMap,保存池中的所有对象。我们先来看产品子类,如代码清单28-4所示。 代码清单28-4 带对象池的报考信息 public class SignInfo4Pool extends SignInfo {      //定义一个对象池提取的KEY值      private String key;      //构造函数获得相同标志      public SignInfo4Pool(String _key){              this.key = _key;      }      public String getKey() {              return key;      }      public void setKey(String key) {              this.key = key;      } } 很简单,就是增加了一个key值,为什么要增加key值?为什么要使用子类,而不在SignInfo类上做修改?好,我来给你解释为什么要这样做,我们刚刚已经分析了所有的SignInfo对象都有一些共同的属性:考试科目和考试地点,我们把这些共性提取出来作为所有对象的外部状态,在这个对象池中一个具体的外部状态只有一个对象。按照这个设计,我们定义key值的标准为:考试科目+考试地点的复合字符串作为唯一的池对象标准,也就是说在对象池中,一个key值唯一对应一个对象。 注意 在对象池中,对象一旦产生,必然有一个唯一的、可访问的状态标志该对象,而且池中的对象声明周期是由池容器决定,而不是由使用者决定的。 你可能马上就要提出了,为什么不建立一个新的类,包含subject和location两个属性作为外部状态呢?嗯,这是一个办法,但不是最好的办法,有两个原因: ● 修改的工作量太大,增加的这个类由谁来创建呢?同时,SignInfo类是否也要修改呢?你不可能让两段相同的POJO程序同时出现在同一模块中吧! ● 性能问题,我们会在扩展模块中讲解。 说了这么多,我们还是继续来看程序,工厂类如代码清单28-5所示。 代码清单28-5 带对象池的工厂类 public class SignInfoFactory {      //池容器      private static HashMap<String,SignInfo> pool = new HashMap<String,SignInfo>();      //报名信息的对象工厂      @Deprecated      public static SignInfo(){           return new SignInfo();      }      //从池中获得对象      public static SignInfo getSignInfo(String key){           //设置返回对象           SignInfo result = null;           //池中没有该对象,则建立,并放入池中           if(!pool.containsKey(key)){                System.out.println(key + "----建立对象,并放置到池中");                result = new SignInfo4Pool(key);                pool.put(key, result);           }else{                result = pool.get(key);                System.out.println(key +"---直接从池中取得");           }           return result;      } } 方法都很简单,不多解释。读者需要注意一点的是@Deprecated注解,不要有删除投产中代码的念头,如果方法或类确实不再使用了,增加该注解,表示该方法或类已经过时,尽量不要再使用了,我们应该保持历史原貌,同时也有助于版本向下兼容,特别是在产品级研发中。 我们再来看看客户端是如何调用的,如代码清单28-6所示。 代码清单28-6 场景类 public class Client {      public static void main(String[] args) {           //初始化对象池           for(int i=0;i<4;i++){                String subject = "科目" + i;                //初始化地址                for(int j=0;j<30;j++){                     String key = subject + "考试地点"+j;                     SignInfoFactory.getSignInfo(key);                }           }           SignInfo signInfo = SignInfoFactory.getSignInfo("科目1考试地点1");      } } 运行结果如下所示: 科目3考试地点25----建立对象,并放置到池中 科目3考试地点26----建立对象,并放置到池中 科目3考试地点27----建立对象,并放置到池中 科目3考试地点28----建立对象,并放置到池中 科目3考试地点29----建立对象,并放置到池中 科目1考试地点1---直接从池中取得 前面还有很多的对象创建提示语句,不再复制。通过这样的改造后,我们想想内存中有多少个SignInfo对象?是的,最多120个对象,相比之前几万个SignInfo对象优化了非常多。细心的读者可能注意到了SignInfo4Pool类基本上没有跑出我们的视线范围,仅仅在工厂方法中使用到了,尽量缩小变更引起的风险,想想看我们的改动是不是很小,只要在展示层中拼一个字符串,然后传递到工厂方法中就可以了。 通过这样的改造后,第三天系统运行得非常稳定,CPU占用率也下降了,而且以后再也没有出现类似问题,这就是享元模式的功劳。