SpringBoot項目中，數據庫連接池已經成為標配，然而，我曾經遇到過不少連接池異常導致業務錯誤的事故。很多經驗豐富的工程師也可能不小心在這方面出現問題。
在這篇文章中，我們將探討數據庫連接池，深入解析其實現機制，以便更好地理解和規避潛在的風險。
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1 為什么需要連接池
假如沒有連接池，我們操作數據庫的流程如下：
- 應用程序使用數據庫驅動建立和數據庫的 TCP 連接 ；
- 用戶進行身份驗證 ；
- 身份驗證通過，應用進行讀寫數據庫操作 ;
- 操作結束后，關閉 TCP 連接 。
創建數據庫連接是一個比較昂貴的操作，若同時有幾百人甚至幾千人在線，頻繁地進行連接操作將占用更多的系統資源，但數據庫支持的連接數是有限的，創建大量的連接可能會導致數據庫僵死。
當我們有了連接池，應用程序啟動時就預先建立多個數據庫連接對象，然后將連接對象保存到連接池中。當客戶請求到來時，從池中取出一個連接對象為客戶服務。當請求完成時，客戶程序調用關閉方法，將連接對象放回池中。
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相比之下，連接池的優點顯而易見：
1、資源重用：
因為數據庫連接可以重用，避免了頻繁創建，釋放連接引起的大量性能開銷，同時也增加了系統運行環境的平穩性。
2、提高性能
當業務請求時，因為數據庫連接在初始化時已經被創建，可以立即使用，而不需要等待連接的建立，減少了響應時間。
3、優化資源分配
對于多應用共享同一數據庫的系統而言，可在應用層通過數據庫連接池的配置，實現某一應用最大可用數據庫連接數的限制，避免某一應用獨占所有的數據庫資源。
4、連接管理
數據庫連接池實現中，可根據預先的占用超時設定，強制回收被占用連接，從而避免了常規數據庫連接操作中可能出現的資源泄露。
2 JDBC 連接池
下面的代碼展示了 JDBC 操作數據庫的流程 ：
//1. 連接到數據庫
Connection connection = DriverManager.getConnection(jdbcUrl, username, password);
//2. 執行SQL查詢
String sqlQuery = "SELECT * FROM mytable WHERE column1 = ?";
PreparedStatement preparedStatement = connection.prepareStatement(sqlQuery);
preparedStatement.setString(1, "somevalue");
resultSet = preparedStatement.executeQuery();
//3. 處理查詢結果
while (resultSet.next()) {
int column1Value = resultSet.getInt("column1");
String column2Value = resultSet.getString("column2");
System.out.println("Column1: " + column1Value + ", Column2: " + column2Value);
}
//4. 關閉資源
resultSet.close();
preparedStatement.close();
connection.close();
上面的方式會頻繁的創建數據庫連接，在比較久遠的 JSP 頁面中會偶爾使用，現在普遍使用 JDBC 連接池。
JDBC 連接池有一個標準的數據源接口JAVAx.sql.DataSource，這個類位于 Java 標準庫中。
public interface DataSource extends CommonDataSource, WrApper {
Connection getConnection() throws SQLException;
Connection getConnection(String username, String password) throws SQLException;
}
常用的 JDBC 連接池有：
- HikariCP
- C3P0
- Druid
Druid（阿里巴巴數據庫連接池）是一個開源的數據庫連接池庫，它提供了強大的數據庫連接池管理和監控功能。
1）配置Druid數據源
DruidDataSource dataSource = new DruidDataSource();
dataSource.setUrl("jdbc:MySQL://localhost:3306/mydatabase");
dataSource.setUsername("yourusername");
dataSource.setPassword("yourpassword");
dataSource.setInitialSize(5); // 初始連接池大小
dataSource.setMinIdle(5); // 最小空閑連接數
dataSource.setMaxActive(20); // 最大活動連接數
dataSource.setValidationQuery("select 1 from dual"); // 心跳的 Query
dataSource.setMaxWAIt(60000); // 最大等待時間
dataSource.setTestOnBorrow(true); // 驗證連接是否有效
2）使用數據庫連接
Connection connection = dataSource.getConnection();
//使用連接執行數據庫操作
// TODO 業務操作
// 使用后關閉連接連接
connection.close();
3）關閉數據源
dataSource.close();
3 連接池 Druid 實現原理
我們學習數據源的實現，可以從如下五個核心角度分析：
- 初始化
- 創建連接
- 回收連接
- 歸還連接
- 銷毀連接
3.1 初始化
首先我們查看數據源實現「獲取連接」的接口，初始化可以主動和被動兩種方式。
主從是指顯示的調用 init 方法，而被動是指獲取連接時完成初始化。
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調用getConnection方法時，返回的對象是連接接口的封裝類 DruidConnectionHolder 。
在初始化方法內，數據源創建三個連接池數組 ，他們分別是：
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- connections：用于存放能獲取的連接對象。
- evictConnections：用于存放需要丟棄的連接對象。
- keepAliveConnections：用于存放需要保活的連接對象。
初始化階段，需要進行連接池的「預熱」：也就是需要按照配置首先創建一定數量的連接，并放入到池子里，這樣應用在需要獲取連接的候，可以直接從池子里獲取。
數據源「預熱」分為同步和異步兩種方式 ，見下圖：
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從上圖，我們可以看到同步創建連接時，是原生 JDBC 創建連接后，直接放入到 connections 數組對象里。
異步創建線程需要初始化 createScheduler , 但默認并沒有配置。
數據源預熱之后，啟動了兩個任務線程：創建連接線程和銷毀連接線程。
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3.2 創建連接
這一節，我們重點學習 Druid 數據源如何創建連接。
CreateConnectionThread 本質是一個單線程在死循環中通過 condition 等待，被其他線程喚醒 ，并實現創建數據庫連接邏輯。
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筆者將 run 方法做了適當簡化，當滿足了條件之后，才創建數據庫連接 ：
- 必須存在線程等待，才創建連接 。
- 防止創建超過最大連接數 maxAcitve 。
創建完連接對象 PhysicalConnectionInfo 之后，需要保存到 Connections 數組里，并喚醒到其他的線程，這樣就可以從池子里獲取連接。
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3.3 獲取連接
我們詳細解析了創建連接的過程，接下來就是應用如何獲取連接的過程。
DruidDataSource#getConnection 方法會調用到 DruidDataSource#getConnectionDirect 方法來獲取連接，實現如下所示。
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核心流程是
1）在 for 循環內，首先調用 getConnectionDirect內，調用getConnectionInternal 從池子里獲取連接對象；
2）獲取連接后，需要根據 testOnBorrow 、testWhileIdle 參數配置判斷是否需要檢測連接的有效性；
3）最后假如需要判斷連接是否有泄露，則配置 removeAbandoned 來關閉長時間不適用的連接，該功能不建議再生產環境中使用，僅用于連接泄露檢測診斷。
接下來進入獲取連接的重點：getConnectionInternal 方法如何從池子里獲取連接。
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getConnectionInternal()方法中拿到連接的方式有三種：
- 直接創建連接（默認配置不會執行）需要配置定時線程池 createScheduler，當連接池已經沒有可用連接，且當前借出的連接數未達到允許的最大連接數，且當前沒有其它線程在創建連接 ；
- pollLast 方法：從池中拿連接，并最多等待 maxWait 的時間，需要設置了maxWait；
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pollLast 方法的核心是：死循環內部，通過 Condition 對象 notEmpty 的 awaitNanos 方法執行等待，若池子中有連接，將最后一個連接取出，并將最后一個數組元素置為空。
takeLast 方法：從池中拿連接，并一直等待直到拿到連接。
和 pollLast 方法不同，首先方法體內部并沒有死循環，通過 Condition 對象 notEmpty 的 await 方法等待，直到池子中有連接，將最后一個連接取出，并將最后一個數組元素置為空。
3.4 歸還連接
DruidDataSource 連接池中，每一個物理連接都會被包裝成DruidConnectionHolder，在提供給應用線程前，還會將 DruidConnectionHolder 包裝成 DruidPooledConnection。
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原生的 JDBC 操作， 每次執行完業務操作之后，會執行關閉連接，對于連接池來講，就是歸還連接，也就是將連接放回連接池。
下圖展示了 DruidPooledConnection 的 close 方法 ：
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在關閉方法中，我們重點關注 recycle 回收連接方法。
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我們可以簡單的理解：將連接放到 connections 數組的 poolingCount 位置，并將其自增，然后通過 Condition 對象 notEmpty 喚醒等待獲取連接的一個應用程序。
3.5 銷毀連接
DruidDataSource 連接的銷毀 DestroyConnectionThread 線程完成 :
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從定時任務(死循環)每隔 timeBetweenEvictionRunsMillis 執行一次，我們重點關注destroyTask的run方法。
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destroyTask的run方法 會調用DruidDataSource#shrink方法來根據設定的條件來判斷出需要銷毀和保活的連接。
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核心流程：
1）遍歷連接池數組 connections：
內部分別判斷這些連接是需要銷毀還是需要保活 ，并分別加入到對應的容器數組里。
2）銷毀場景：
- 空閑時間idleMillis >= 允許的最小空閑時間 minEvictableIdleTimeMillis
- 空閑時間idleMillis >= 允許的最大空閑時間 maxEvictableIdleTimeMillis
3）保活場景：
- 發生了致命錯誤（onFatalError == true）且致命錯誤發生時間（lastFatalErrorTimeMillis）在連接建立時間之后
- 如果開啟了保活機制，且連接空閑時間大于等于了保活間隔時間
4）銷毀連接：
遍歷數組 evictConnections 所有的連接，并逐一銷毀 。
5）保活連接：
遍歷數組 keepAliveConnections 所有的連接，對連接進行驗證 ，驗證失敗，則關閉連接，否則加鎖，重新加入到連接池中。
4 保證連接有效
本節，我們講解如何合理的配置參數保證數據庫連接有效。
很多同學都會遇到一個問題：“長時間不進行數據庫讀寫操作之后，第一次請求數據庫，數據庫會報錯，但第二次就正常了。"
那是因為數據庫為了節省資源，會關閉掉長期沒有讀寫的連接。
筆者第一次使用 Druid 時就遇到過這樣的問題，有興趣的同學可以看看筆者這篇文章：
https://www.javayong.cn/codelife/runningforcode.html
下圖展示了 Druid 數據源配置樣例：
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我們簡單梳理下 Druid 的保證連接有效有哪些策略：
1、銷毀連接線程定時檢測所有的連接，關閉空閑時間過大的連接 ，假如配置了保活參數，那么會繼續維護待保活的連接；
2、應用每次從數據源中獲取連接時候，會根據testOnBorrow、testWhileIdle參數檢測連接的有效性。
因此，我們需要重點配置如下的參數：
A、timeBetweenEvictionRunsMillis 參數：間隔多久檢測一次空閑連接是否有效。
B、testWhileIdle 參數：啟空閑連接的檢測，強烈建議設置為 true 。
C、minEvictableIdleTimeMillis 參數：連接池中連接最大空閑時間（毫秒），連接數 > minIdle && 空閑時間 > minEvictableIdleTimeMillis 。
D、maxEvictableIdleTimeMillis 參數：連接池中連接最大空閑時間，空閑時間 > maxEvictableIdleTimeMillis，不管連接池中的連接數是否小于最小連接數 。
E、testOnBorrow 參數：開啟連接的檢測，獲取連接時檢測是否有效，假如設置為 true ，可以最大程度的保證連接的可靠性，但性能會變很差 。
筆者建議在配置這些參數時，和 DBA、架構師做好提前溝通，每個公司的數據庫配置策略并不相同，假如數據庫配置連接存活時間很短，那么就需要適當減少空閑連接檢測間隔，并調低最大和最小空閑時間。
5 總結
這篇文章，筆者整理了數據庫連接池的知識點。
1）連接池的優點：資源重用、提高性能、優化資源分配、連接管理；
2）JDBC 連接池：實現數據源接口javax.sql.DataSource，這個類位于 Java 標準庫；
3）連接池 Druid 實現原理：
- 核心方法：初始化、創建連接、獲取連接、歸還連接、銷毀連接。
- 存儲容器：連接池數組、銷毀連接數組、保活連接數組。
- 線程模型：獨立的創建連接線程和銷毀連接線程。
- 鎖機制：在創建連接、獲取連接時，都會加鎖，通過兩個 Condition 對象 empty 、notEmpty 分別控制創建連接線程和獲取連接線程的等待和喚醒。
4）連接池保活策略
配置連接池參數時，和 DBA、架構師做好提前溝通，每個公司的數據庫配置策略并不相同，假如數據庫配置連接存活時間很短，那么就需要適當減少空閑連接檢測間隔，并調低最大和最小空閑時間。
最后，數據庫連接池、線程池都是對象池的思想。對象池是一種設計模式，用于管理可重復使用的對象，以減少對象的創建和銷毀開銷。
筆者會在接下來的文章里為大家詳解，敬請期待：
- 如何使用池化框架 Commons Pool ；
參考文章：
https://segmentfault.com/a/1190000043208041
https://blog.csdn.net/weixin_43790613/article/details/133940617
https://blog.csdn.net/yaomingyang/article/details/123145662
