Java中的连接池简单指南

1. 概述

连接池是一种大家众所周知的数据访问模式。其主要目的是减少执行数据库连接和读/写数据库操作所涉及的资源开销。

从最基本的层面上讲，连接池是一种数据库连接缓存实现 ，可以根据特定要求进行配置。

在本教程中，我们将讨论一些流行的连接池框架。然后我们将学习如何从头开始实现我们自己的连接池。

2. 为什么要使用连接池？

如果我们分析典型数据库连接生命周期所涉及的步骤顺序，我们就会明白为什么：

使用数据库驱动程序打开与数据库的连接
打开TCP 套接字以读取/写入数据
通过套接字读取/写入数据
关闭连接
关闭套接字

因为数据库连接是相当昂贵的操作，所以在每个可能的用例中都应将其减少到最低限度（在边缘情况下，尽量避免）。这就是连接池需要发挥作用的地方。

只需简单地实现一个数据库连接容器，它允许我们重用许多现有连接，我们可以有效地节省执行大量昂贵的数据库访问的成本。这提高了我们数据库驱动应用程序的整体性能。

3. JDBC 连接池框架

从实用的角度来看，考虑到已经有许多"企业就绪"的连接池框架，从头开始实现连接池是没有意义的。

从本文的教学目的来看，事实并非如此。

3.1. Apache Commons DBCP

让我们从Apache Commons DBCP Component开始，这是一个功能齐全的连接池 JDBC 框架：

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public class DBCPDataSource {

    private static BasicDataSource ds = new BasicDataSource();

    static {
        ds.setUrl("jdbc:h2:mem:test");
        ds.setUsername("user");
        ds.setPassword("password");
        ds.setMinIdle(5);
        ds.setMaxIdle(10);
        ds.setMaxOpenPreparedStatements(100);
    }

    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        return ds.getConnection();
    }

    private DBCPDataSource(){ }
}

在这种情况下，我们使用带有静态块的包装类来轻松配置 DBCP 的属性。

下面展示了如何使用DBCPDataSource类获取池连接：

java 复制代码

Connection con = DBCPDataSource.getConnection();

3.2. 光HikariCP

现在让我们来看看HikariCP ，一个由 Brett Wooldridge创建的闪电般快速的 JDBC 连接池框架（有关如何配置和充分利用 HikariCP 的完整详细信息。这是一个非常轻量级（大约 130Kb）且速度极快的 JDBC 连接池框架，由 Brett Wooldridge于 2012 年左右开发。

有多个基准测试结果可用于比较 HikariCP 与其他连接池框架（例如*c3p0、 dbcp2、 tomcat*和vibur ）的性能。例如，HikariCP 团队发布了以下基准测试（原始结果可在此处获得）：

该框架如此之快是因为采用了以下技术：

字节码级工程------ 已经完成了一些极端的字节码级工程（包括汇编级本机编码）
**微优化 -**虽然几乎无法衡量，但这些优化结合起来可以提高整体性能
智能使用 Collections 框架 - ArrayList 被自定义类FastList 取代， 该类消除了范围检查，并从头到尾执行删除扫描

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public class HikariCPDataSource {

    private static HikariConfig config = new HikariConfig();
    private static HikariDataSource ds;

    static {
        config.setJdbcUrl("jdbc:h2:mem:test");
        config.setUsername("user");
        config.setPassword("password");
        config.addDataSourceProperty("cachePrepStmts", "true");
        config.addDataSourceProperty("prepStmtCacheSize", "250");
        config.addDataSourceProperty("prepStmtCacheSqlLimit", "2048");
        ds = new HikariDataSource(config);
    }

    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        return ds.getConnection();
    }

    private HikariCPDataSource(){}
}

类似地，下面展示了如何使用HikariCPDataSource类获取池连接：

java 复制代码

Connection con = HikariCPDataSource.getConnection();

3.3. C3P0

这篇评论中的最后一篇是C3P0，这是 Steve Waldman 开发的一个强大的 JDBC4 连接和语句池框架：

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public class C3p0DataSource {

    private static ComboPooledDataSource cpds = new ComboPooledDataSource();

    static {
        try {
            cpds.setDriverClass("org.h2.Driver");
            cpds.setJdbcUrl("jdbc:h2:mem:test");
            cpds.setUser("user");
            cpds.setPassword("password");
        } catch (PropertyVetoException e) {
            // handle the exception
        }
    }

    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        return cpds.getConnection();
    }

    private C3p0DataSource(){}
}

正如预期的那样，使用C3p0DataSource类获取池连接与前面的示例类似：

java 复制代码

Connection con = C3p0DataSource.getConnection();

4. 简单的实现

为了更好地理解连接池的底层逻辑，让我们创建一个简单的实现。

我们将从基于单一接口的松耦合设计开始：

java 复制代码

public interface ConnectionPool {
    Connection getConnection();
    boolean releaseConnection(Connection connection);
    String getUrl();
    String getUser();
    String getPassword();
}

ConnectionPool接口定义了基本连接池的公共API。

现在让我们创建一个提供一些基本功能的实现，包括获取和释放池连接：

java 复制代码

public class BasicConnectionPool implements ConnectionPool {

    private String url;
    private String user;
    private String password;
    private List<Connection> connectionPool;
    private List<Connection> usedConnections = new ArrayList<>();
    private static int INITIAL_POOL_SIZE = 10;

    public static BasicConnectionPool create(
            String url, String user,
            String password) throws SQLException {

        List<Connection> pool = new ArrayList<>(INITIAL_POOL_SIZE);
        for (int i = 0; i < INITIAL_POOL_SIZE; i++) {
            pool.add(createConnection(url, user, password));
        }
        return new BasicConnectionPool(url, user, password, pool);
    }

    // standard constructors

    @Override
    public Connection getConnection() {
        Connection connection = connectionPool
                .remove(connectionPool.size() - 1);
        usedConnections.add(connection);
        return connection;
    }

    @Override
    public boolean releaseConnection(Connection connection) {
        connectionPool.add(connection);
        return usedConnections.remove(connection);
    }

    private static Connection createConnection(
            String url, String user, String password)
            throws SQLException {
        return DriverManager.getConnection(url, user, password);
    }

    public int getSize() {
        return connectionPool.size() + usedConnections.size();
    }

    // standard getters
}

尽管非常简单，但BasicConnectionPool类提供了我们期望从典型的连接池实现中获得的最少功能。

简而言之，该类基于存储 10 个连接的ArrayList初始化一个连接池，可以轻松重复使用。

还可以使用DriverManager类和Datasource实现创建 JDBC 连接。

由于保持连接数据库的创建与数据库无关更好，因此我们在create() 静态工厂方法中使用了前者。

在这种情况下，我们将方法放在BasicConnectionPool中，因为这是接口的唯一实现。

在更复杂的设计中，如果有多个ConnectionPool实现，最好将其放在接口中，从而获得更灵活的设计和更高水平的凝聚力。

这里要强调的最重要的一点是，一旦创建了池，就会从池中获取连接，因此无需创建新的连接。

此外，当释放连接时，它实际上会返回到池中，以便其他客户端可以重用它。

没有与底层数据库的进一步交互，例如对Connection 的 close() 方法的显式调用。

**5. 使用BasicConnectionPool类**

正如预期的那样，使用我们的BasicConnectionPool类非常简单。

让我们创建一个简单的单元测试并获取一个内存池H2连接：

java 复制代码

@Test
public whenCalledgetConnection_thenCorrect() {
    ConnectionPool connectionPool = BasicConnectionPool
            .create("jdbc:h2:mem:test", "user", "password");

    assertTrue(connectionPool.getConnection().isValid(1));
}

6. 进一步改进和重构

当然，我们还有足够的空间来调整/扩展连接池实现的当前功能。

例如，我们可以重构getConnection() 方法并添加对最大池大小的支持。如果所有可用连接都已被占用，并且当前池大小小于配置的最大值，则该方法将创建一个新连接。

我们还可以验证从池中获取的连接是否仍然有效，然后再将其传递给客户端：

java 复制代码

@Override
public Connection getConnection() throws SQLException {
    if (connectionPool.isEmpty()) {
        if (usedConnections.size() < MAX_POOL_SIZE) {
            connectionPool.add(createConnection(url, user, password));
        } else {
            throw new RuntimeException(
                    "Maximum pool size reached, no available connections!");
        }
    }

    Connection connection = connectionPool
            .remove(connectionPool.size() - 1);

    if(!connection.isValid(MAX_TIMEOUT)){
        connection = createConnection(url, user, password);
    }

    usedConnections.add(connection);
    return connection;
}

请注意，该方法现在抛出SQLException，这意味着我们还必须更新接口签名。

或者我们可以添加一种方法来正常关闭我们的连接池实例：

java 复制代码

public void shutdown() throws SQLException {
    usedConnections.forEach(this::releaseConnection);
    for (Connection c : connectionPool) {
        c.close();
    }
    connectionPool.clear();
}

在生产就绪的实现中，连接池应该提供一系列额外的功能，例如跟踪当前正在使用的连接的能力、对准备好的语句池的支持等等。

为了使本文简单易懂，我们将省略如何实现这些附加功能，并且为了清晰起见，保持实现非线程安全。

7. 结论

在本文中，我们深入了解了连接池是什么，并学习了如何推出我们自己的连接池实现。

当然，每次我们想要为我们的应用程序添加一个功能齐全的连接池层时，我们不必从头开始。

这就是为什么我们首先探索一些最流行的连接池框架，这样我们就清楚地知道如何使用它们并选择最适合我们要求的框架。