【Spring Boot 应用开发】-04-01 自动配置-数据源-连接池

资源关闭

还记得上一节中的这段代码么？

try {
    if (resultSet != null) resultSet.close();
    if (preparedStatement != null) preparedStatement.close();
    if (connection != null) connection.close();
} catch (SQLException e) {
    e.printStackTrace();
}

这是我们在查询完毕之后，关闭和释放资源。我们都知道数据库可接受的链接是有限的，如果不进行关闭，那么可用连接就会被耗尽，这样新的访问就无法被处理了。更全面的说明如下：

为什么必须关闭数据库连接

1. 资源管理

   • 解释：数据库连接是有限的资源。每个连接都需要占用数据库服务器的内存、线程和其他系统资源。如果不关闭连接，这些资源将一直被占用，可能导致资源耗尽。
   • 后果：当数据库连接耗尽时，新的连接请求将被拒绝，应用程序将无法继续正常工作。

2. 性能优化

   • 解释：频繁地建立和关闭连接会导致性能下降。每次建立连接都需要进行上述的多个步骤，耗时较长。
   • 后果：这会降低应用程序的响应速度和吞吐量。

3. 避免资源泄漏

   • 解释：如果连接没有被正确关闭，它们会一直保持打开状态，导致资源泄漏。
   • 后果：长时间运行的应用程序可能会因为资源泄漏而变得不稳定，甚至崩溃。

4. 事务管理

   • 解释：未关闭的连接可能会导致事务管理问题。如果连接没有正确关闭，事务可能不会被正确提交或回滚。
   • 后果：这可能导致数据不一致和其他事务相关的问题。

5. 安全性

   • 解释：未关闭的连接可能会被恶意利用，导致安全风险。
   • 后果：攻击者可能利用未关闭的连接进行未经授权的操作，导致数据泄露或其他安全问题。

上面出现了多次"泄露"这个词，为什么用这个词呢？因为资源被耗尽这种现象类似于水装满了，从容器中意外流出的场景，就像下面这个图：

给个池子

怎么来解决这个问题呢？

解决任何问题都可以在中间加一层

数据库连接池

产生背景

在早期的数据库应用开发中，每次应用程序需要访问数据库时，都会创建一个新的数据库连接。这种做法存在以下几个问题：

• 性能开销大：建立和关闭数据库连接是一个相对耗时的操作，频繁的连接操作会显著降低应用程序的性能。
• 资源浪费：每次创建新的连接都会消耗系统资源，过多的连接会导致资源耗尽，影响系统的稳定性。
• 并发控制困难：在高并发环境下，频繁创建和关闭连接会导致数据库服务器负载过高，难以有效控制并发访问。

为了解决这些问题，数据库连接池应运而生。连接池预先创建一定数量的数据库连接，并将这些连接保存在一个池中，应用程序需要访问数据库时，可以直接从连接池中获取已建立的连接，使用完毕后再将连接归还到池中，而不是关闭连接。这种方式大大提高了性能和资源利用率。

特性

1. 连接复用：连接池中的连接可以被多个请求复用，减少了创建和关闭连接的开销。
2. 性能优化：通过预先创建和管理连接，连接池能够显著提高数据库访问的性能。
3. 资源管理：连接池能够有效管理数据库连接的生命周期，避免资源浪费。
4. 并发控制：通过配置连接池的最大连接数等参数，可以有效控制并发访问的数量，防止数据库服务器过载。
5. 简化开发：开发者无需手动管理数据库连接的生命周期，由连接池自动处理，降低了代码复杂度。

场景

• Web应用：在Web应用中，数据库连接池可以显著提高响应速度和并发处理能力。
• 分布式系统：在分布式系统中，连接池能够有效管理多个节点之间的数据库连接，提高系统的整体性能和稳定性。
• 大数据处理：在大数据处理场景中，连接池能够有效管理大量的数据库连接，确保数据处理的高效性和稳定性。

常见的高性能数据库连接池框架

1. HikariCP

   • 特点：HikariCP是一个高性能的JDBC连接池，设计目标是成为最快的JDBC连接池。
   • 优点：低延迟、高性能、易于配置。
   • 适用场景：适用于需要高性能和低延迟的应用场景。

2. C3P0

   • 特点：C3P0是一个开源的JDBC连接池，支持JNDI绑定和JMX管理。
   • 优点：功能丰富、支持多种数据库。
   • 适用场景：适用于需要多种数据库支持和复杂配置的应用场景。

3. Druid

   • 特点：Druid是一个阿里巴巴开源的数据库连接池，提供了强大的监控和扩展功能。
   • 优点：监控功能强大、支持多种数据库、易于扩展。
   • 适用场景：适用于需要监控和扩展功能的应用场景。

4. Tomcat JDBC Pool

   • 特点：Tomcat JDBC Pool是Apache Tomcat自带的连接池，轻量级且易于集成。
   • 优点：轻量级、易于集成。
   • 适用场景：适用于轻量级应用和嵌入式应用。

代码示例

以下是一个使用HikariCP作为数据库连接池的Spring Boot配置示例：

# application.yaml
spring:
  datasource:
    url: jdbc:mysql://localhost:3306/mydb
    username: root
    password: secret
    driver-class-name: com.mysql.cj.jdbc.Driver
    hikari:
      maximum-pool-size: 10 # 最大连接数
      minimum-idle: 5       # 最小空闲连接数
      idle-timeout: 30000   # 空闲连接超时时间（毫秒）
      connection-timeout: 20000 # 获取连接超时时间（毫秒）

Spring Boot 2.0之后，只要你依赖了spring-boot-starter-jdbc自动配置类，那么在启动之后，会默认使用连接池，且默认连接池就是hikari，即使不显示的配置hikari参数，那么也会使用默认的参数

Hikari数据库连接池的实现原理

1.核心组件

• HikariDataSource ：作为应用程序与 HikariCP 交互的主要接口，实现了 javax.sql.DataSource 接口。
• PoolBase：负责管理连接池的基本功能，如创建新连接、维护连接状态等。
• HikariPool ：继承自 PoolBase，是连接池的核心实现类，负责连接的分配、回收以及健康检查。
• ConnectionProxy：代理实际的 JDBC 连接对象，用于拦截和处理连接的操作，确保连接在使用完毕后能正确返回到池中。

2.初始化过程

• 当创建 HikariDataSource 实例时，会根据配置参数初始化 HikariCP 的内部状态。
• 调用 initializePool() 方法启动后台线程（如果启用了连接测试），并预填充一定数量的空闲连接到池中。

3. 获取连接

• 应用程序调用 getConnection() 方法请求连接。
• 如果池中有可用连接，则直接返回给调用者；否则，尝试创建新的物理连接或等待其他线程归还连接。
• 使用完连接后，必须显式地关闭它，这实际上只是将连接归还给池而不是真正关闭。

4. 连接回收

• 当连接被归还给池时，会先进行健康检查（可选）。
• 如果连接仍然有效，则将其标记为可用；若无效则销毁该连接并在需要时补充新的连接。

5. 空闲连接清理

• 定期扫描池中的空闲连接，并根据配置规则移除那些长时间未使用的连接以节省资源。

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6.源码分析

// HikariDataSource.java
public class HikariDataSource implements DataSource {
    private final HikariPool pool;

    public HikariDataSource() {
        this.pool = new HikariPool(this);
    }

    @Override
    public Connection getConnection() throws SQLException {
        return pool.getConnection();
    }
}

// HikariPool.java (部分代码)
public class HikariPool extends PoolBase {
    private final ConcurrentBag<PoolEntry> connectionBag;
    
    // 获取连接的方法
    public Connection getConnection() throws SQLException {
        final long startTime = System.nanoTime();
        final TimeTracker tracker = new TimeTracker(startTime);
        
        try {
            // 尝试从池中获取连接
            PoolEntry entry = connectionBag.borrow(timeout, MILLISECONDS);
            
            if (entry == null) {
                throw new SQLException("Timeout after " + timeout + "ms waiting for connection.");
            }

            // 返回代理后的连接
            return entry.getConnection();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            throw new SQLException("Interrupted while waiting for a connection.", e);
        }
    }
}

以上代码片段展示了 HikariCP 中如何通过 HikariDataSource 和 HikariPool 类来管理数据库连接的获取与释放。实际源码更为复杂，包含了更多细节处理逻辑，例如连接超时、异常处理等。这里不做过多阐述，有兴趣的朋友可以私聊共学。

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7.获取连接的时序图

应用程序 HikariDataSource HikariPool ConcurrentBag 数据库 Connection getConnection() getConnection() borrow() 返回PoolEntry 返回代理后的Connection 创建新连接 返回新连接 添加新连接到池 返回PoolEntry 返回代理后的Connection alt [池中有可用连接] [池中无可用连接] 使用连接 close() 归还连接 返回PoolEntry到池中 应用程序 HikariDataSource HikariPool ConcurrentBag 数据库 Connection

为什么jdbc中不直接给池子？

那很多童鞋会问了，为啥JDBC不直接提供一个连接池呢？搞这么麻烦，我要一站式服务。其实这是有原因的。如下：

1. 灵活性和可扩展性

• 不同需求：不同的应用程序对连接池的需求可能不同。一些应用程序可能需要高性能的连接池，而另一些可能需要更复杂的连接管理功能。内置连接池可能会限制这种灵活性。
• 第三方库：通过将连接池功能分离到第三方库中，JDBC允许开发者根据具体需求选择合适的连接池实现。例如，HikariCP、C3P0、Druid等都是高性能的连接池库，开发者可以根据自己的需求选择最适合的库。

2. 标准与实现分离

• 标准定义：JDBC作为标准API，主要定义了与数据库交互的基本接口和方法。连接池功能属于更高层次的实现细节，不适合直接包含在标准API中。
• 实现多样性：通过将连接池功能分离，不同的数据库厂商和第三方开发者可以提供多种实现，满足不同场景的需求。这种多样性有助于推动技术的发展和创新。

3. 性能优化

• 定制化：不同的应用场景可能需要不同的性能优化策略。内置连接池可能无法提供针对特定场景的最佳优化，而第三方库可以根据具体需求进行定制和优化。
• 轻量级：JDBC作为基础API，保持轻量级有助于提高整体性能。内置连接池可能会增加不必要的开销，影响JDBC的性能表现。

4. 复杂性管理

• 简化核心：JDBC的核心功能是提供数据库访问的基本接口和方法。如果将连接池功能内置，会增加JDBC的复杂性，使得API更加庞大和难以维护。
• 模块化设计：通过模块化设计，JDBC保持了核心功能的简洁性，而将连接池等功能交由第三方库实现，使得整个生态系统更加灵活和高效。

5. 历史原因

• 早期设计：JDBC的设计始于1997年，当时连接池技术尚未成熟。随着时间的推移，连接池技术得到了快速发展，形成了多种成熟的第三方库。
• 社区贡献：连接池功能主要由社区贡献和维护，这种方式促进了技术的快速迭代和优化。

6. 兼容性

• 跨平台：JDBC作为跨平台的标准API，内置连接池可能会导致兼容性问题。第三方库可以针对不同的平台和环境进行优化，确保更好的兼容性。
• 版本管理：通过将连接池功能分离，可以独立管理连接池库的版本，避免与JDBC版本之间的冲突和兼容性问题。

7. 安全性

• 隔离性：将连接池功能分离可以提高安全性，避免核心API中引入不必要的复杂性和潜在的安全漏洞。
• 模块化安全：第三方库可以独立进行安全审计和更新，确保连接池功能的安全性。

JDBC不直接内置数据库连接池遵循的核心原则是：让你的模块遵循单一职责原则，这样可以让整个模块的安全性、扩展性等更好，要小而精，不要大而全。这也是我们设计模块可以借鉴的地方。