设计模式之美：Object Pool（对象池）

索引

• 意图
• 结构
• 参与者
• 适用性
• 效果
• 相关模式
• 实现
  • 实现方式（一）：实现 DatabaseConnectionPool 类。
  • 实现方式（二）：使用对象构造方法和预分配方式实现 ObjectPool 类。

意图

运用对象池化技术可以显著地提升性能，尤其是当对象的初始化过程代价较大或者频率较高时。

Object pooling can offer a significant performance boost; it is most effective in situations where the cost of initializing a class instance is high, the rate of instantiation of a class is high.

结构

参与者

Reusable

• 类的实例与其他对象进行有限时间的交互。

ReusablePool

• 管理类的实例。

Client

• 使用类的实例。

适用性

当以下情况成立时可以使用 Object Pool 模式：

• 类的实例可重用于交互。
• 类的实例化过程开销较大。
• 类的实例化的频率较高。
• 类参与交互的时间周期有限。

效果

• 节省了创建类的实例的开销。
• 节省了创建类的实例的时间。
• 存储空间随着对象的增多而增大。

相关模式

• 通常，可以使用 Singleton 模式实现 ReusablePool 类。
• Factory Method 模式封装了对象的创建的过程，但其不负责管理对象。Object Pool 负责管理对象。

实现

实现方式（一）：实现 DatabaseConnectionPool 类。

如果 Client 调用 ObjectPool 的 AcquireReusable() 方法来获取 Reusable 对象，当在 ObjectPool 中存在可用的 Reusable 对象时，其将一个 Reusable 从池中移除，然后返回该对象。如果池为空，则 ObjectPool 会创建一个新的 Reusable 对象。

 namespace ObjectPoolPattern.Implementation1
 {
   public abstract class ObjectPool<T>
   {
     private TimeSpan _expirationTime;
     private Dictionary<T, DateTime> _unlocked;
     private Dictionary<T, DateTime> _locked;
     private readonly object _sync = new object();

     public ObjectPool()
     {
       _expirationTime = TimeSpan.FromSeconds();
       _locked = new Dictionary<T, DateTime>();
       _unlocked = new Dictionary<T, DateTime>();
     }

     public ObjectPool(TimeSpan expirationTime)
       : this()
     {
       _expirationTime = expirationTime;
     }

     protected abstract T Create();

     public abstract bool Validate(T reusable);

     public abstract void Expire(T reusable);

     public T CheckOut()
     {
       lock (_sync)
       {
         T reusable = default(T);

         if (_unlocked.Count > )
         {
           foreach (var item in _unlocked)
           {
             if ((DateTime.UtcNow - item.Value) > _expirationTime)
             {
               // object has expired
               _unlocked.Remove(item.Key);
               Expire(item.Key);
             }
             else
             {
               if (Validate(item.Key))
               {
                 // find a reusable object
                 _unlocked.Remove(item.Key);
                 _locked.Add(item.Key, DateTime.UtcNow);
                 reusable = item.Key;
                 break;
               }
               else
               {
                 // object failed validation
                 _unlocked.Remove(item.Key);
                 Expire(item.Key);
               }
             }
           }
         }

         // no object available, create a new one
         if (reusable == null)
         {
           reusable = Create();
           _locked.Add(reusable, DateTime.UtcNow);
         }

         return reusable;
       }
     }

     public void CheckIn(T reusable)
     {
       lock (_sync)
       {
         _locked.Remove(reusable);
         _unlocked.Add(reusable, DateTime.UtcNow);
       }
     }
   }

   public class DatabaseConnection : IDisposable
   {
     // do some heavy works
     public DatabaseConnection(string connectionString)
     {
     }

     public bool IsOpen { get; set; }

     // release something
     public void Dispose()
     {
     }
   }

   public class DatabaseConnectionPool : ObjectPool<DatabaseConnection>
   {
     private string _connectionString;

     public DatabaseConnectionPool(string connectionString)
       : base(TimeSpan.FromMinutes())
     {
       this._connectionString = connectionString;
     }

     protected override DatabaseConnection Create()
     {
       return new DatabaseConnection(_connectionString);
     }

     public override void Expire(DatabaseConnection connection)
     {
       connection.Dispose();
     }

     public override bool Validate(DatabaseConnection connection)
     {
       return connection.IsOpen;
     }
   }

   public class Client
   {
     public static void TestCase1()
     {
       // Create the ConnectionPool:
       DatabaseConnectionPool pool = new DatabaseConnectionPool(
         "Data Source=DENNIS;Initial Catalog=TESTDB;Integrated Security=True;");

       // Get a connection:
       DatabaseConnection connection = pool.CheckOut();

       // Use the connection

       // Return the connection:
       pool.CheckIn(connection);
     }
   }
 }

实现方式（二）：使用对象构造方法和预分配方式实现 ObjectPool 类。

 namespace ObjectPoolPattern.Implementation2
 {
   /// <summary>
   /// 对象池
   /// </summary>
   /// <typeparam name="T">对象类型</typeparam>
   public class ObjectPool<T> where T : class
   {
     private readonly Func<T> _objectFactory;
     private readonly ConcurrentQueue<T> _queue = new ConcurrentQueue<T>();

     /// <summary>
     /// 对象池
     /// </summary>
     /// <param name="objectFactory">构造缓存对象的函数</param>
     public ObjectPool(Func<T> objectFactory)
     {
       _objectFactory = objectFactory;
     }

     /// <summary>
     /// 构造指定数量的对象
     /// </summary>
     /// <param name="count">数量</param>
     public void Allocate(int count)
     {
       for (int i = ; i < count; i++)
         _queue.Enqueue(_objectFactory());
     }

     /// <summary>
     /// 缓存一个对象
     /// </summary>
     /// <param name="obj">对象</param>
     public void Enqueue(T obj)
     {
       _queue.Enqueue(obj);
     }

     /// <summary>
     /// 获取一个对象
     /// </summary>
     /// <returns>对象</returns>
     public T Dequeue()
     {
       T obj;
       return !_queue.TryDequeue(out obj) ? _objectFactory() : obj;
     }
   }

   class Program
   {
     static void Main(string[] args)
     {
       var pool = new ObjectPool<byte[]>(() => new byte[]);
       pool.Allocate();

       var buffer = pool.Dequeue();

       // .. do something here ..

       pool.Enqueue(buffer);
     }
   }
 }

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