Hướng dẫn Java Design Pattern – Object Pool

Bài viết được sự cho phép của tác giả Giang Phan

Trong OOP, một class có thể có rất nhiều instance nhưng ngược lại Singleton là một dạng class mà chỉ hỗ trợ tối đa một instance duy nhất và một đối tượng khi đã được khởi tạo sẽ tồn tại suốt vòng đời chương trình. Trong một số trường hợp, chúng ta cần khởi tạo và sử dụng một tập hợp các đối tượng. Khi với số lượng lớn các đối tượng giống nhau, thì việc khởi tạo nhiều lần sẽ gây lãng phí không cần thiết. Chúng ta cũng có thể sử dụng Prototype Pattern để cãi thiện performance bằng cách cloning object. Tuy nhiên, không phải lúc nào object cũng có thể được clone đầy đủ. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta có thể dùng Object pool pattern.

Object Pool Pattern là gì?

Object Pool Pattern là một trong những Creational pattern. Nó không nằm trong danh sách các Pattern được giới thiệu bởi GoF. Object Pool Pattern cung cấp một kỹ thuật để tái sử dụng objects thay vì khởi tạo không kiểm soát.

Ý tưởng của Object Pooling là: chúng ta dùng Object Pool Pattern quản lý một tập hợp các objects mà sẽ được tái sử dụng trong chương trình. Khi client cần sử dụng object, thay vì tạo ra một đối tượng mới thì client chỉ cần đơn giản yêu cầu Object pool lấy một đối tượng đã có sẵn trong object pool. Sau khi object được sử dụng nó sẽ không hủy mà sẽ được trả về pool cho client khác sử dụng. Nếu tất cả các object trong pool được sử dụng thì client phải chờ cho tới khi object được trả về pool.

Object pool thông thường hoạt động theo kiểu: tự tạo đối tượng mới nếu chưa có sẵn hoặc khởi tạo trước 1 object pool chứa một số đối tượng hạn chế trong đó.

Cài đặt Object Pool Pattern như thế nào?

Cài đặt

Một Object Pool Pattern bao gồm các thành phần cơ bản sau:

• Client : một class yêu cầu khởi tạo đối tượng PooledObject để sử dụng.
• PooledObject : một class mà tốn nhiều thời gian và chi phí để khởi tạo. Một class cần giới hạn số lượng đối tượng được khởi tạo trong ứng dụng.
• ObjectPool : đây là lớp quan trọng nhất trong Object Pool Pattern. Lớp này lưu giữ danh sách các PooledObject đã được khởi tạo, đang được sử dụng. Nó cung cấp các phương thức cho việc lấy đối tượng từ Pool và trả đối tượng sau khi sử dụng về Pool.

Tham khảo việc làm Fresher Java mới nhất trên TopDev

Ví dụ Object Pool thông qua ứng dụng Taxi

Một hãng taxi A chỉ hữu hạn N chiếc taxi, hãng taxi chịu trách nhiệm quản lý trạng thái các xe (đang rảnh hay đang chở khách), phân phối các xe đang rảnh đi đón khách, chăm sóc, kéo dài thời gian chờ đợi của khách hàng cho trong trường hợp tất cả các xe đều đang bận (để chờ một trong số các xe đó rảnh thì điều đi đón khách luôn), hủy khi việc chờ đợi của khách hàng là quá lâu.

Ta mô phỏng và thiết kế thành các lớp sau:

• Taxi: đại diện cho một chiếc taxi, là một class định nghĩa các thuộc tính và phương thức của một taxi.
• TaxiPool: Đại diện cho công ty taxi, có:
  • Phương thức getTaxi() : để lấy về một thể hiện Taxi đang ở trạng thái rảnh, có thể throw ra một exception nếu chờ lâu mà không lấy được thể hiện.
  • Phương thức release() : để trả thể hiện Taxi về Pool sau khi đã phục vụ xong.
  • Thuộc tính available : lưu trữ danh sách Taxi rãnh, đang chờ phục vụ.
  • Thuộc tính inUse : lưu trữ danh sách Taxi đang bận phục vụ.
• ClientThread: đại diện cho khách hàng sử dụng dịch vụ Taxi, mô phỏng việc gọi, chở và trả khách.

Trong đoạn code bên dưới, tôi sẽ cài đặt mô phỏng với TaxiPool quản lý được 4 taxi, cùng lúc có 8 cuộc gọi của khách hàng đến công ty để gọi xe, thời gian mỗi taxi đến địa điểm chở khách là 200ms, mỗi taxi chở khách trong khoảng thời gian từ 1000ms đến 1500ms (ngẫu nhiên), mỗi khách hàng chịu chờ tối đa 1200ms trước khi hủy.

Taxi:

package com.gpcoder.patterns.creational.objecpool.taxi;

public class Taxi {

    private String name;

    public Taxi(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Taxi [name=" + name + "]";
    }
}

TaxiPool:

package com.gpcoder.patterns.creational.objecpool.taxi;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * Lazy pool
 * 
 * @author gpcoder
 */
public class TaxiPool {

    private static final long EXPIRED_TIME_IN_MILISECOND = 1200; // 1.2s
    private static final int NUMBER_OF_TAXI = 4;

    private final List<Taxi> available = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    private final List<Taxi> inUse = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private final AtomicBoolean waiting = new AtomicBoolean(false);

    public synchronized Taxi getTaxi() {
        if (!available.isEmpty()) {
            Taxi taxi = available.remove(0);
            inUse.add(taxi);
            return taxi;
        }
        if (count.get() == NUMBER_OF_TAXI) {
            this.waitingUntilTaxiAvailable();
            return this.getTaxi();
        }
        Taxi taxi = this.createTaxi();
        inUse.add(taxi);
        return taxi;
    }

    public synchronized void release(Taxi taxi) {
        inUse.remove(taxi);
        available.add(taxi);
        System.out.println(taxi.getName() + " is free");
    }

    private Taxi createTaxi() {
        waiting(200); // The time to create a taxi
        Taxi taxi = new Taxi("Taxi " + count.incrementAndGet());
        System.out.println(taxi.getName() + " is created");
        return taxi;
    }

    private void waitingUntilTaxiAvailable() {
        if (waiting.get()) {
            waiting.set(false);
            throw new TaxiNotFoundException("No taxi available");
        }
        waiting.set(true);
        waiting(EXPIRED_TIME_IN_MILISECOND);
    }

    private void waiting(long numberOfSecond) {
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(numberOfSecond);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

ClientThread:

package com.gpcoder.patterns.creational.objecpool.taxi;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ClientThread implements Runnable {

    private TaxiPool taxiPool;

    public ClientThread(TaxiPool taxiPool) {
        this.taxiPool = taxiPool;
    }

    @Override
    public void run() {
        takeATaxi();
    }

    private void takeATaxi() {
        try {
            System.out.println("New client: " + Thread.currentThread().getName());
            Taxi taxi = taxiPool.getTaxi();

            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(randInt(1000, 1500)); 

            taxiPool.release(taxi);
            System.out.println("Served the client: " + Thread.currentThread().getName());
        } catch (InterruptedException | TaxiNotFoundException e) {
            System.out.println(">>>Rejected the client: " + Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    public static int randInt(int min, int max) {
        return new Random().nextInt((max - min) + 1) + min;
    }
}

package com.gpcoder.patterns.creational.objecpool.taxi;

public class TaxiNotFoundException extends RuntimeException {

    private static final long serialVersionUID = -6670953536653728443L;

    public TaxiNotFoundException(String message) {
        System.out.println(message);
    }
}

package com.gpcoder.patterns.creational.objecpool.taxi;

public class TaxiApp {

    public static final int NUM_OF_CLIENT = 8;

    public static void main(String[] args) {
        TaxiPool taxiPool = new TaxiPool();
        for (int i = 1; i <= NUM_OF_CLIENT; i++) {
            Runnable client = new ClientThread(taxiPool);
            Thread thread = new Thread(client);
            thread.start();
        }
    }
}

New client: Thread-0
New client: Thread-1
New client: Thread-2
New client: Thread-3
New client: Thread-4
New client: Thread-5
New client: Thread-6
New client: Thread-7
Taxi 1 is created
Taxi 2 is created
Taxi 3 is created
Taxi 4 is created
Taxi 1 is free
Served the client: Thread-1
Taxi 2 is free
Served the client: Thread-7
No taxi available
>>>Rejected the client: Thread-0
Taxi 3 is free
Served the client: Thread-6
Taxi 4 is free
Served the client: Thread-5
Taxi 2 is free
Served the client: Thread-4
Taxi 1 is free
Served the client: Thread-3
Taxi 3 is free
Served the client: Thread-2

• Thông não Java Design Pattern – Dependency Injection
• Tìm hiểu Java Design Pattern – Service Locator
• Lập trình hướng đối tượng (OOPs) trong Java

Xem thêm Việc làm IT hấp dẫn trên TopDev