[总结]数据库连接池

一、背景

对于一个简单的数据库应用，由于对于数据库的访问不是很频繁。这时可以简单地在需要访问数据库时，就新创建一个连接，用完后就关闭它，这样做也不会带来什么明显的性能上的开销。但是对于一个复杂的数据库应用，情况就完全不同了。频繁的建立、关闭连接，会极大的减低系统的性能，因为对于连接的使用成了系统性能的瓶颈。

 

所以，为了连接复用。通过建立一个数据库连接池以及一套连接使用管理策略，使得一个数据库连接可以得到高效、安全的复用，避免了数据库连接频繁建立、关闭的开销。

 

二、优势

1． 资源重用

由于数据库连接得到重用，避免了频繁创建、释放连接引起的大量性能开销。在减少系统消耗的基础上，另一方面也增进了系统运行环境的平稳性（减少内存碎片以及数据库临时进程/线程的数量）。

2． 更快的系统响应速度

数据库连接池在初始化过程中，往往已经创建了若干数据库连接置于池中备用。此时连接的初始化工作均已完成。对于业务请求处理而言，直接利用现有可用连接，避免了数据库连接初始化和释放过程的时间开销，从而缩减了系统整体响应时间。

3． 新的资源分配手段

对于多应用共享同一数据库的系统而言，可在应用层通过数据库连接的配置，实现数据库连接池技术，几年钱也许还是个新鲜话题，对于目前的业务系统而言，如果设计中还没有考虑到连接池的应用，那么…….快在设计文档中加上这部分的内容吧。某一应用最大可用数据库连接数的限制，避免某一应用独占所有数据库资源。

4． 统一的连接管理，避免数据库连接泄漏

在较为完备的数据库连接池实现中，可根据预先的连接占用超时设定，强制收回被占用连接。从而避免了常规数据库连接操作中可能出现的资源泄漏。一个最小化的数据库连接池实现：

 

三、实现原理

1. 设计模式

资源池。该模式正是为了解决资源频繁分配、释放所造成的问题的。把该模式应用到数据库连接管理领域，就是建立一个数据库连接池，提供一套高效的连接分配、使用策略，最终目标是实现连接的高效、安全的复用。

 

2. 基本原理

 

在内部对象池中维护一定数量的数据库连接，并对外暴露数据库连接获取和返回方法。

外部使用者可通过getConnection 方法获取连接，使用完毕后再通过releaseConnection 方法将连接返回，注意此时连接并没有关闭，而是由连接池管理器回收，并为下一次使用做好准备。

 

四、具体实现举例——JDBC

4.1.JDBC Driver

JDBC是一个规范，遵循JDBC接口规范，各个数据库厂家各自实现自己的驱动程序(Driver)，如下图所示:

应用在获取数据库连接时，需要以URL的方式指定是那种类型的Driver，在获得特定的连接后，可按照固定的接口操作不同类型的数据库，如: 分别获取Statement、执行SQL获得ResultSet等，如下面的例子 :

import java.sql.*;
…
DriverManager.registerDriver(new oracle.jdbc.driver.OracleDriver());
Connection dbConn = DriverManager.getConnection("jdbc:oracle:thin:@127.0.0.1:1521:oracle","username","password");
Statement st = dbConn.createStatement();
ResultSet rs = st.executeQuery("select * from demo_table");
…some data source operation in here
rs.close();
st.close();
dbConn.close();

在完成数据操作后，还一定要关闭所有涉及到的数据库资源。这虽然对应用程序的逻辑没有任何影响，但是关键的操作。上面是个简单的例子，如果搀和众多的if-else、exception，资源的管理也难免百密一疏。如同C中的内存泄漏问题，Java系统也同样会面临崩溃的恶运。所以数据库资源的管理依赖于应用系统本身，是不安全、不稳定的一种隐患。

 

不使用连接池流程

下面以访问MySQL为例，执行一个SQL命令，如果不使用连接池，需要经过哪些流程。

 

 

不使用数据库连接池的步骤：

 

TCP建立连接的三次握手

MySQL认证的三次握手

真正的SQL执行

MySQL的关闭

TCP的四次握手关闭

可以看到，为了执行一条SQL，却多了非常多我们不关心的网络交互。

 

优点：

实现简单

缺点：

网络IO较多

数据库的负载较高

响应时间较长及QPS较低

应用频繁的创建连接和关闭连接，导致临时对象较多，GC频繁

在关闭连接后，会出现大量TIME_WAIT 的TCP状态（在2个MSL之后关闭）

 

 

4.2. JDBC连接池

在标准JDBC对应用的接口中，并没有提供资源的管理方法。所以，缺省的资源管理由应用自己负责。虽然在JDBC规范中，多次提及资源的关闭/回收及其他的合理运用。但最稳妥的方式，还是为应用提供有效的管理手段。所以，JDBC为第三方应用服务器（Application Server）提供了一个由数据库厂家实现的管理标准接口：连接缓冲(connection pooling)。引入了连接池( Connection Pool )的概念 ，也就是以缓冲池的机制管理数据库的资源。

JDBC最常用的资源有三类:

— Connection: 数据库连接。

— Statement: 会话声明。

— ResultSet: 结果集游标。

分别存在以下的关系 ：

这是一种“爷—父—子”的关系，对Connection的管理，就是对数据库资源的管理。举个例子: 如果想确定某个数据库连接(Connection)是否超时，则需要确定其（所有的）子Statement是否超时，同样，需要确定所有相关的 ResultSet是否超时；在关闭Connection前，需要关闭所有相关的Statement和ResultSet。

因此，连接池(Connection Pool)所起到的作用，不仅仅简单地管理Connection，还涉及到 Statement和ResultSet。

 

4.3 连接池(ConnectionPool)与资源管理

ConnectionPool以缓冲池的机制，在一定数量上限范围内，控制管理Connection，Statement和ResultSet。任何数据库的资源是有限的，如果被耗尽，则无法获得更多的数据服务。

在大多数情况下，资源的耗尽不是由于应用的正常负载过高，而是程序原因。

在实际工作中，数据资源往往是瓶颈资源，不同的应用都会访问同一数据源。其中某个应用耗尽了数据库资源后，意味其他的应用也无法正常运行。因此，ConnectionPool的第一个任务是限制：每个应用或系统可以拥有的最大资源。也就是确定连接池的大小(PoolSize)。

ConnectionPool的第二个任务：在连接池的大小(PoolSize)范围内，最大限度地使用资源，缩短数据库访问的使用周期。许多数据库中，连接（Connection）并不是资源的最小单元，控制Statement资源比Connection更重要。以Oracle为例：

每申请一个连接（Connection）会在物理网络（如 TCP/IP网络）上建立一个用于通讯的连接，在此连接上还可以申请一定数量的Statement。同一连接可提供的活跃Statement数量可以达到几百。在节约网络资源的同时，缩短了每次会话周期（物理连接的建立是个费时的操作）。但在一般的应用中，多数按照2.1范例操作，这样有10个程序调用，则会产生10次物理连接，每个Statement单独占用一个物理连接，这是极大的资源浪费。 ConnectionPool可以解决这个问题，让几十、几百个Statement只占用同一个物理连接， 发挥数据库原有的优点。

通过ConnectionPool对资源的有效管理，应用可以获得的Statement总数到达 ：

（并发物理连接数）×（每个连接可提供的Statement数量）

例如某种数据库可同时建立的物理连接数为 200个，每个连接可同时提供250个Statement，那么ConnectionPool最终为应用提供的并发Statement总数为: 200 × 250 = 50,000个。这是个并发数字，很少有系统会突破这个量级。所以在本节的开始，指出资源的耗尽与应用程序直接管理有关。

对资源的优化管理，很大程度上依靠数据库自身的JDBC Driver是否具备。有些数据库的JDBC Driver并不支持Connection与Statement之间的逻辑连接功能，如SQLServer，我们只能等待她自身的更新版本了。

对资源的申请、释放、回收、共享和同步，这些管理是复杂精密的。所以，ConnectionPool另一个功能就是，封装这些操作，为应用提供简单的，甚至是不改变应用风格的调用接口。

使用连接池流程

使用数据库连接池的步骤：

 

第一次访问的时候，需要建立连接。 但是之后的访问，均会复用之前创建的连接，直接执行SQL语句。

 

优点：

 

较少了网络开销

系统的性能会有一个实质的提升

没了麻烦的TIME_WAIT状态

 

 

五、简单JDBC连接池的实现——Snap-ConnectionPool

根据原理机制，Snap-ConnectionPool（一种简单快速的连接池工具，可在www.snapbug.net下载）按照部分的JDBC规范，实现了连接池所具备的对数据库资源有效管理功能。

5.1 体系描述

在JDBC规范中，应用通过驱动接口（Driver Interface）直接方法数据库的资源。为了有效、合理地管理资源，在应用与JDBC Driver之间，增加了连接池: Snap-ConnectionPool。并且通过面向对象的机制，使连接池的大部分操作是透明的。参见下图，Snap-ConnectionPool的体系：

图中所示，通过实现JDBC的部分资源对象接口( Connection, Statement, ResultSet )，在 Snap-ConnectionPool内部分别产生三种逻辑资源对象: PooledConnection, PooledStatement和 PooledResultSet。它们也是连接池主要的管理操作对象，并且继承了JDBC中相应的从属关系。

5.2 连接池集中管理ConnectionManager

ConnectionPool是Snap-ConnectionPool的连接池对象。在Snap-ConnectionPool内部，可以指定多个不同的连接池(ConnectionPool)为应用服务。ConnectionManager管理所有的连接池，每个连接池以不同的名称区别。通过配置文件适应不同的数据库种类。如下图所示：

　　通过ConnectionManager，可以同时管理多个不同的连接池，提供通一的管理界面。在应用系统中通过 ConnectionManager和相关的配置文件，可以将凌乱散落在各自应用程序中的数据库配置信息（包括：数据库名、用户、密码等信息），集中在一个文件中。便于系统的维护工作。

5.3 连接池使用范例

　　对4.1的标准JDBC的使用范例，改为使用连接池，结果如下：

import java.sql.*;
import net.snapbug.util.dbtool.*;
…
..ConnectionPool dbConn = ConnectionManager.getConnectionPool("testOracle" );
Statement st = dbConn.createStatement();
ResultSet rs = st.executeQuery(
“select * from demo_table” );
…
some data source operation
in herers.close();st.close();

　　在例子中，Snap-ConnectionPool封装了应用对Connection的管理。只要改变JDBC获取Connection的方法，为获取连接池(ConnectionPool)(粗体部分)，其他的数据操作都可以不做修改。按照这样的方式，Snap- ConnectionPool可帮助应用有效地管理数据库资源。如果应用忽视了最后资源的释放: rs.close() 和 st.close()，连接池会通过超时(time-out)机制，自动回收。

 

六、连接池驱动——Druid

Druid，阿里巴巴的开源框架。

常见问题 · alibaba/druid Wiki https://github.com/alibaba/druid/wiki/%E5%B8%B8%E8%A7%81%E9%97%AE%E9%A2%98

 

 

6.1主流连接池各项功能对比如下：

各种数据库连接池对比 · alibaba/druid Wiki https://github.com/alibaba/druid/wiki/%E5%90%84%E7%A7%8D%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%BA%93%E8%BF%9E%E6%8E%A5%E6%B1%A0%E5%AF%B9%E6%AF%94

6.2 主要指标解释

1.PSCache：

PreparedStatementCache。

sql里用？占位，等待被替换。例如，select * from table1 where user_name = ? and age > ?。解析后的PS缓存，sql语句，被发送到DB server端，经一系列处理（语法解析、语义解析、结构优化），转化为一个树型结构（sql, string -> tree）。底层会缓存（LRU替换），重复利用。比如新的查询到来：

如果存在，要看能否直接使用。能就用，不能就会临时创建出一个ps给我用（这个新的ps不会被插到pscache中，因为cache里已经有啦）

如果不存在，那么就创建一个ps对象，并把它放到pscache中，根据LRU规则调整下pscache.

 

2.LRU——缓存淘汰算法

（Least recently used，最近最少使用）缓存淘汰算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。

3.JNDI

(Java Naming and Directory Interface)是一个应用程序设计的API，为开发人员提供了查找和访问各种命名和目录服务的通用、统一的接口，类似JDBC都是构建在抽象层上。

程序员应该不需要关心“具体的数据库后台是什么？JDBC驱动程序是什么？JDBC URL格式是什么？访问数据库的用户名和口令是什么？”等等这些问题，程序员编写的程序应该没有对 JDBC 驱动程序的引用，没有服务器名称，没有用户名称或口令 —— 甚至没有数据库池或连接管理。而是把这些问题交给J2EE容器来配置和管理，程序员只需要对这些配置和管理进行引用即可。

由此，就有了JNDI。

 

6.3 Druid主要配置

 

配置	缺省值	说明
name		配置这个属性的意义在于，如果存在多个数据源，监控的时候
		可以通过名字来区分开来。如果没有配置，将会生成一个名字，
		格式是："DataSource-" + System.identityHashCode(this)
jdbcUrl		连接数据库的url，不同数据库不一样。例如：
		mysql : jdbc:mysql://10.20.153.104:3306/druid2
		oracle : jdbc:oracle:thin:@10.20.149.85:1521:ocnauto
username		连接数据库的用户名
password		连接数据库的密码。如果你不希望密码直接写在配置文件中，
		可以使用ConfigFilter。详细看这里：
		https://github.com/alibaba/druid/wiki/%E4%BD%BF%E7%94%A8ConfigFilter
driverClassName	根据url自动识别	这一项可配可不配，如果不配置druid会根据url自动识别dbType，然后选择相应的driverClassName
initialSize	0	初始化时建立物理连接的个数。初始化发生在显示调用init方法，或者第一次getConnection时
maxActive	8	最大连接池数量
maxIdle	8	已经不再使用，配置了也没效果
minIdle		最小连接池数量
maxWait		获取连接时最大等待时间，单位毫秒。配置了maxWait之后，
		缺省启用公平锁，并发效率会有所下降，
		如果需要可以通过配置useUnfairLock属性为true使用非公平锁。
poolPreparedStatements	FALSE	是否缓存preparedStatement，也就是PSCache。  PSCache对支持游标的数据库性能提升巨大，比如说oracle。  在mysql5.5以下的版本中没有PSCache功能，建议关闭掉。 作者在5.5版本中使用PSCache，通过监控界面发现PSCache有缓存命中率记录，  该应该是支持PSCache。
maxOpenPreparedStatements	-1	要启用PSCache，必须配置大于0，当大于0时， poolPreparedStatements自动触发修改为true。 在Druid中，不会存在Oracle下PSCache占用内存过多的问题， 可以把这个数值配置大一些，比如说100
validationQuery		用来检测连接是否有效的sql，要求是一个查询语句。
		如果validationQuery为null，testOnBorrow、testOnReturn、
		testWhileIdle都不会其作用。
testOnBorrow	TRUE	申请连接时执行validationQuery检测连接是否有效，做了这个配置会降低性能。
testOnReturn	FALSE	归还连接时执行validationQuery检测连接是否有效，做了这个配置会降低性能
testWhileIdle	FALSE	建议配置为true，不影响性能，并且保证安全性。
		申请连接的时候检测，如果空闲时间大于
		timeBetweenEvictionRunsMillis，
		执行validationQuery检测连接是否有效。
timeBetweenEvictionRunsMillis		有两个含义：
		1) Destroy线程会检测连接的间隔时间
		2) testWhileIdle的判断依据，详细看testWhileIdle属性的说明
numTestsPerEvictionRun		不再使用，一个DruidDataSource只支持一个EvictionRun
minEvictableIdleTimeMillis
connectionInitSqls		物理连接初始化的时候执行的sql
exceptionSorter	根据dbType自动识别	当数据库抛出一些不可恢复的异常时，抛弃连接
filters		属性类型是字符串，通过别名的方式配置扩展插件，
		常用的插件有：
		监控统计用的filter:stat
		日志用的filter:log4j
		防御sql注入的filter:wall
proxyFilters		类型是List，
		如果同时配置了filters和proxyFilters，
		是组合关系，并非替换关系

表1.1 配置属性

 

6.4 如何在Spring Boot中集成Druid连接池和监控

druid/druid-spring-boot-starter at master · alibaba/druid https://github.com/alibaba/druid/tree/master/druid-spring-boot-starter

 

七、Questions&Answers

7.1.一个Connection的最大statement数量如何确定？

A: 游标数量是有上限的，oracle数据库中open_cursors默认值为300，所以一个connection中的statement是有上限的。

Java-超出打开游标的最大数 - xiaoli - CSDN博客 https://blog.csdn.net/wodestudy/article/details/23887279

7.2.一个statement是一个线程吗？

A: connection里，每个方法都是synchronized，都执行了同步。一个connection应该就是一个对象，一个statement也是一个对象，执行的现场跟对象是无关的，而是看有几个线程调用几个对象的方法，操作的数据是不是有冲突。

 

 

参考文档：

主流Java数据库连接池分析(C3P0,DBCP,TomcatPool,BoneCP,Druid) http://baijiahao.baidu.com/s?id=1599699339020031595&wfr=spider&for=pc

数据库连接池学习笔记（一）：原理介绍+常用连接池介绍 - CrankZ的博客 - CSDN博客 https://blog.csdn.net/crankz/article/details/82874158

数据库连接池的实现及原理 - 王YMsir - 博客园 https://www.cnblogs.com/wym789/p/6374440.html