Day860.高性能数据库连接池HiKariCP -Java 并发编程实战

news2024/11/12 23:37:59

高性能数据库连接池HiKariCP

Hi,我是阿昌,今天学习记录的是关于高性能数据库连接池HiKariCP的内容。

实际工作中,总会难免和数据库打交道;

只要和数据库打交道,就免不了使用数据库连接池

业界知名的数据库连接池有不少,例如 c3p0、DBCP、Tomcat JDBC Connection Pool、Druid 等,不过最近最火的是 HiKariCP

HiKariCP 号称是业界跑得最快的数据库连接池,这两年发展得顺风顺水,尤其是 Springboot 2.0 将其作为默认数据库连接池后,江湖一哥的地位已是毋庸置疑了。


一、什么是数据库连接池

本质上,数据库连接池和线程池一样,都属于池化资源,作用都是避免重量级资源的频繁创建和销毁,对于数据库连接池来说,也就是避免数据库连接频繁创建和销毁。

如下图所示,服务端会在运行期持有一定数量的数据库连接,当需要执行 SQL 时,并不是直接创建一个数据库连接,而是从连接池中获取一个;

当 SQL 执行完,也并不是将数据库连接真的关掉,而是将其归还到连接池中。

数据库连接池示意图
在实际工作中,都是使用各种持久化框架来完成数据库的增删改查,基本上不会直接和数据库连接池打交道,下面的示例代码并没有使用任何框架,而是原生地使用 HiKariCP

执行数据库操作基本上是一系列规范化的步骤:

  1. 通过数据源获取一个数据库连接;
  2. 创建 Statement;
  3. 执行 SQL;
  4. 通过 ResultSet 获取 SQL 执行结果;
  5. 释放 ResultSet;
  6. 释放 Statement;
  7. 释放数据库连接。

下面的示例代码,通过 ds.getConnection() 获取一个数据库连接时,其实是向数据库连接池申请一个数据库连接,而不是创建一个新的数据库连接。

同样,通过 conn.close() 释放一个数据库连接时,也不是直接将连接关闭,而是将连接归还给数据库连接池。

//数据库连接池配置
HikariConfig config = new HikariConfig();
config.setMinimumIdle(1);
config.setMaximumPoolSize(2);
config.setConnectionTestQuery("SELECT 1");
config.setDataSourceClassName("org.h2.jdbcx.JdbcDataSource");
config.addDataSourceProperty("url", "jdbc:h2:mem:test");
// 创建数据源
DataSource ds = new HikariDataSource(config);
Connection conn = null;
Statement stmt = null;
ResultSet rs = null;
try {
  // 获取数据库连接
  conn = ds.getConnection();
  // 创建Statement 
  stmt = conn.createStatement();
  // 执行SQL
  rs = stmt.executeQuery("select * from abc");
  // 获取结果
  while (rs.next()) {
    int id = rs.getInt(1);
    ......
  }
} catch(Exception e) {
   e.printStackTrace();
} finally {
  //关闭ResultSet
  close(rs);
  //关闭Statement 
  close(stmt);
  //关闭Connection
  close(conn);
}
//关闭资源
void close(AutoCloseable rs) {
  if (rs != null) {
    try {
      rs.close();
    } catch (SQLException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

HiKariCP 官方网站 解释了其性能之所以如此之高的秘密。

微观上 HiKariCP 程序编译出的字节码执行效率更高,站在字节码的角度去优化 Java 代码,HiKariCP 的作者对性能的执着可见一斑,不过遗憾的是他并没有详细解释都做了哪些优化。而宏观上主要是和两个数据结构有关:

  • FastList
  • ConcurrentBag

二、FastList 解决了哪些性能问题

按照规范步骤,执行完数据库操作之后,需要依次关闭 ResultSet、Statement、Connection,但是总有粗心的同学只是关闭了 Connection,而忘了关闭 ResultSet 和 Statement。为了解决这种问题,最好的办法是当关闭 Connection 时,能够自动关闭 Statement。

为了达到这个目标,Connection 就需要跟踪创建的 Statement,最简单的办法就是将创建的 Statement 保存在数组 ArrayList 里,这样当关闭 Connection 的时候,就可以依次将数组中的所有 Statement 关闭。

HiKariCP 觉得用 ArrayList 还是太慢,当通过 conn.createStatement() 创建一个 Statement 时,需要调用 ArrayList 的 add() 方法加入到 ArrayList 中,这个是没有问题的;但是当通过 stmt.close() 关闭 Statement 的时候,需要调用 ArrayList 的 remove() 方法来将其从 ArrayList 中删除,这里是有优化余地的。

假设一个 Connection 依次创建 6 个 Statement,分别是 S1、S2、S3、S4、S5、S6,按照正常的编码习惯,关闭 Statement 的顺序一般是逆序的,关闭的顺序是:S6、S5、S4、S3、S2、S1,而 ArrayList 的 remove(Object o) 方法是顺序遍历查找,逆序删除而顺序查找,这样的查找效率就太慢了。

如何优化呢?很简单,优化成逆序查找就可以了。

逆序删除示意图

HiKariCP 中的 FastList 相对于 ArrayList 的一个优化点就是将 remove(Object element) 方法的查找顺序变成了逆序查找

除此之外,FastList 还有另一个优化点,是 get(int index) 方法没有对 index 参数进行越界检查,HiKariCP 能保证不会越界,所以不用每次都进行越界检查。

整体来看,FastList 的优化点还是很简单的。


三、ConcurrentBag 解决了哪些性能问题

如果让自己来实现一个数据库连接池,最简单的办法就是用两个阻塞队列来实现:

  • 一个用于保存空闲数据库连接的队列 idle
  • 另一个用于保存忙碌数据库连接的队列 busy;

获取连接时将空闲的数据库连接从 idle 队列移动到 busy 队列,而关闭连接时将数据库连接从 busy 移动到 idle。

这种方案将并发问题委托给了阻塞队列,实现简单,但是性能并不是很理想。

因为 Java SDK 中的阻塞队列是用锁实现的,而高并发场景下锁的争用对性能影响很大。

//忙碌队列
BlockingQueue<Connection> busy;
//空闲队列
BlockingQueue<Connection> idle;

HiKariCP 并没有使用 Java SDK 中的阻塞队列,而是自己实现了一个叫做 ConcurrentBag 的并发容器

ConcurrentBag 的设计最初源自 C#,它的一个核心设计是使用 ThreadLocal 避免部分并发问题,不过 HiKariCP 中的 ConcurrentBag 并没有完全参考 C# 的实现,下面来看看它是如何实现的。

ConcurrentBag 中最关键的属性有 4 个,分别是:

  • 用于存储所有的数据库连接的共享队列 sharedList
  • 线程本地存储 threadList
  • 等待数据库连接的线程数 waiters
  • 分配数据库连接的工具 handoffQueue。

其中,handoffQueue 用的是 Java SDK 提供的 SynchronousQueue,SynchronousQueue 主要用于线程之间传递数据。

//用于存储所有的数据库连接
CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
//线程本地存储中的数据库连接
ThreadLocal<List<Object>> threadList;
//等待数据库连接的线程数
AtomicInteger waiters;
//分配数据库连接的工具
SynchronousQueue<T> handoffQueue;

当线程池创建了一个数据库连接时,通过调用 ConcurrentBag 的 add() 方法加入到 ConcurrentBag 中,下面是 add() 方法的具体实现,逻辑很简单,就是将这个连接加入到共享队列 sharedList 中,如果此时有线程在等待数据库连接,那么就通过 handoffQueue 将这个连接分配给等待的线程。

//将空闲连接添加到队列
void add(final T bagEntry){
  //加入共享队列
  sharedList.add(bagEntry);
  //如果有等待连接的线程,
  //则通过handoffQueue直接分配给等待的线程
  while (waiters.get() > 0 
    && bagEntry.getState() == STATE_NOT_IN_USE 
    && !handoffQueue.offer(bagEntry)) {
      yield();
  }
}

通过 ConcurrentBag 提供的 borrow() 方法,可以获取一个空闲的数据库连接,borrow() 的主要逻辑是:

  1. 首先查看线程本地存储是否有空闲连接,如果有,则返回一个空闲的连接;
  2. 如果线程本地存储中无空闲连接,则从共享队列中获取。
  3. 如果共享队列中也没有空闲的连接,则请求线程需要等待。

需要注意的是,线程本地存储中的连接是可以被其他线程窃取的,所以需要用 CAS 方法防止重复分配。

sharedlist和其他线程的threadlocal里有可能都有同一个连接,从前者取到连接,就相当于窃取了后者

在共享队列中获取空闲连接,也采用了 CAS 方法防止重复分配。

T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit){
  // 先查看线程本地存储是否有空闲连接
  final List<Object> list = threadList.get();
  for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
    final Object entry = list.remove(i);
    final T bagEntry = weakThreadLocals 
      ? ((WeakReference<T>) entry).get() 
      : (T) entry;
    //线程本地存储中的连接也可以被窃取,
    //所以需要用CAS方法防止重复分配
    if (bagEntry != null 
      && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
      return bagEntry;
    }
  }

  // 线程本地存储中无空闲连接,则从共享队列中获取
  final int waiting = waiters.incrementAndGet();
  try {
    for (T bagEntry : sharedList) {
      //如果共享队列中有空闲连接,则返回
      if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
        return bagEntry;
      }
    }
    
    //共享队列中没有连接,则需要等待
    timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
    do {
      final long start = currentTime();
      final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
      if (bagEntry == null 
        || bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
          return bagEntry;
      }
      //重新计算等待时间
      timeout -= elapsedNanos(start);
    } while (timeout > 10_000);
    //超时没有获取到连接,返回null
    return null;
  } finally {
    waiters.decrementAndGet();
  }
}

释放连接需要调用 ConcurrentBag 提供的 requite() 方法,该方法的逻辑很简单,首先将数据库连接状态更改为 STATE_NOT_IN_USE,之后查看是否存在等待线程,如果有,则分配给等待线程;如果没有,则将该数据库连接保存到线程本地存储里。

//释放连接
void requite(final T bagEntry){
  //更新连接状态
  bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
  //如果有等待的线程,则直接分配给线程,无需进入任何队列
  for (int i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
    if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE 
      || handoffQueue.offer(bagEntry)) {
        return;
    } else if ((i & 0xff) == 0xff) {
      parkNanos(MICROSECONDS.toNanos(10));
    } else {
      yield();
    }
  }
  //如果没有等待的线程,则进入线程本地存储
  final List<Object> threadLocalList = threadList.get();
  if (threadLocalList.size() < 50) {
    threadLocalList.add(weakThreadLocals 
      ? new WeakReference<>(bagEntry) 
      : bagEntry);
  }
}

四、总结

HiKariCP 中的 FastList ConcurrentBag 这两个数据结构使用得非常巧妙,虽然实现起来并不复杂,但是对于性能的提升非常明显,根本原因在于这两个数据结构适用于数据库连接池这个特定的场景。

FastList 适用于逆序删除场景;而 ConcurrentBag 通过 ThreadLocal 做一次预分配,避免直接竞争共享资源,非常适合池化资源的分配。

在实际工作中,遇到的并发问题千差万别,这时选择合适的并发数据结构就非常重要了。

当然能选对的前提是对特定场景的并发特性有深入的了解,只有了解到无谓的性能消耗在哪里,才能对症下药。

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