作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
随着互联网技术的飞速发展，网站流量呈爆炸性增长。对于后端服务器而言，处理大量请求通常需要依赖于高性能、高并发、海量数据等优秀的服务器硬件资源。 这种情况下，如何有效地分配和管理服务器资源显得尤为重要。一个有效的方式就是采用数据库连接池技术。 数据库连接池，是一种用于提升数据库访问性能的技术。它主要解决了如下两个方面的问题：
- 由于不同线程或用户对同一个数据库的频繁访问，导致每次都创建新的连接，造成额外开销。数据库连接池能够避免频繁创建新连接所带来的开销，通过复用已存在的连接，实现数据库连接的复用，从而降低系统资源的消耗。
- 由于系统中同时存在大量的数据库连接，如果某些连接出现异常，可能会影响其他正在使用的连接的正常运行。数据库连接池能够在出现异常时主动释放连接，保证其他连接的正常工作。 数据库连接池还可以用来解决服务端的负载均衡问题。当数据库连接数量过多时，通过统一管理数据库连接，就可以将访问请求均匀分发到不同的数据库上，从而提升系统整体的吞吐量和响应时间。
本文以MySQL为例，介绍数据库连接池的原理、配置及管理方法。本文将详细阐述数据库连接池的原理和设计思想，并结合实际案例介绍连接池的配置参数，以及相关工具类的使用方法，最后给出连接池管理工具类API接口定义及使用方式。希望通过本文的讲解，读者能够掌握数据库连接池的相关知识，更好地管理自己的数据库连接。
2.背景介绍
什么是连接池？
连接池（Connection pool）是指利用一个共享的、固定大小的数据库连接池对象，所有的线程或者客户端在借用（borrowing）和归还（returning）连接时，首先获得连接池中的一个空闲连接，而不是自己重新建立新的连接。这样就降低了服务器资源的消耗，提高了应用性能。
连接池管理器负责分配和回收连接，管理连接池中空闲连接的数量，防止连接耗尽。它在初始化时，启动指定数量的初始连接；每个线程或者客户端请求数据库连接时，都会先向连接池申请一个连接，然后再使用这个连接进行数据库操作。申请连接的过程分两种情况：
- 如果连接池中有可用的连接，则分配一个可用连接。
- 如果连接池中没有可用连接，且当前等待的线程数量小于最大连接池数量，则创建一个新的连接。否则，该线程或客户端进入等待状态，直到连接可用为止。
归还连接时，首先判断是否还有线程在使用该连接，如果有，则返回连接池中；否则，关闭该连接。
由于相同的连接被不同的线程或者客户端多次调用，因此在归还连接之前需要执行连接验证和测试。如果发现连接已经失效，则需要重新申请一个新的连接。
为何要使用连接池？
减少资源消耗
在Web应用程序中，为了应付高并发访问，服务器常常面临各种各样的巨大压力，包括CPU、内存、网络带宽等。当服务器负载增加时，新加入的请求便会占用更多系统资源，导致服务器崩溃甚至宕机。为减轻服务器负担，可以采用连接池技术。通过把一些请求暂时闲置的连接放入连接池，待其空闲时再分配给请求，这样既能有效控制服务器资源，又减少了资源浪费。另外，如果连接池中的连接过多，则会导致连接超时，进而影响应用的稳定性。因此，连接池的大小设置也十分关键。
提高性能
由于数据库的连接限制，使得每当有一个新请求到达服务器时，就需要新建一个数据库连接，并将连接交给相应线程/客户端继续处理。当服务器承受较高负载时，新建连接的速度很快就会成为瓶颈。此时，使用连接池技术就能很好的缓解这一问题，因为连接池中预先准备好的连接数量多，所以不需要反复打开关闭连接，节省了开销。
节省数据库连接
许多企业和组织使用关系型数据库作为基础设施，需要保存大量的数据。但是，在实际使用过程中，发现大量的并发客户端连接到数据库，占用大量的数据库连接资源。为应对这种情况，可以考虑使用连接池技术，通过专门的数据库连接池管理模块，动态分配和回收数据库连接，让资源得到有效利用。
MySQL的连接池
目前，MySQL数据库提供了一个名为连接池的插件，实现了连接池功能。MySQL连接池提供了两套机制，一套在服务器端（MySQL），另一套在客户端（应用程序）。这套机制是基于官方的插件开发，可以提供非常好的性能和资源利用率。
3.基本概念术语说明
概念
连接池，是一个由连接对象组成的集合，这些连接对象按照一定规则在使用前已经预先建立完成，并在不再需要时自动释放资源。它的作用主要是用来提高数据库连接的利用率，减少系统资源的消耗，提升系统性能。它可以管理任意数量的连接对象，支持同步或异步两种模式。
连接池中最常用的功能是，维护一个连接对象的集合，供系统多线程/进程共同使用，避免了频繁创建新连接，提高了系统的响应速度。连接池通过为客户端线程提供共享的、有效的连接资源，在一定程度上提高了资源的利用率，降低了数据库连接创建和销毁的次数，进而提高了数据库服务器的并发处理能力。
术语
连接池(connection pool): 一组已经建立起的和数据库的连接，一般管理系统的数据库连接资源，用来提升数据库连接的利用率，避免频繁建立新连接，并有效地管理和分配数据库资源，以满足多线程并发环境下的数据库连接需求。
数据源(data source): 表示一个数据库的具体信息，比如主机地址、端口号、数据库用户名、密码等。
JDBC驱动程序: 是Java编程语言中的一种用于执行SQL语句的接口。JDBC驱动程序负责与数据库的通信。
JNDI: 是JAVA命名和目录接口。JNDI接口允许一个JVM中的多个组件查找和使用共享的名称。
配置文件: 数据库连接池的配置文件，用来描述连接池的基本属性，如连接池的名称、最小连接数、最大连接数、超时时间等。
初始化时连接的数量: 创建连接池时，初始化时需指定连接的数量。
连接超时时间: 当客户端在请求数据库连接时，如果连接池中没有可用的连接，并且当前请求的线程数超过最大连接数，那么，系统会阻塞等待，直到连接池中出现可用连接才会返回。连接超时时间是指，当一个连接请求超过指定的时间后，系统便会抛出连接超时异常。
连接生命周期: 连接池中的连接个数是有限的，当应用程序不再使用某个连接时，它将被删除掉。连接生命周期的长度可以在配置文件中设置。
Statement缓存: JDBC Statement对象可以是重量级的，特别是在对大结果集进行处理的时候。为了减少Statement对象的创建和销毁，可以使用PreparedStatement缓存。PreparedStatement缓存将重复使用的SQL语句与PreparedStatement对象绑定在一起。
检测连接有效性: 在检查连接是否可用时，应该尽可能减少对数据库的查询次数。通过定时检测连接有效性，来更新连接的状态，以达到减少无效连接占用资源的目的。
4.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
算法流程图
获取连接池对象
通过JNDI获取DataSource对象
从数据源中获取PooledConnection对象
DataSource dataSource = (DataSource) InitialContext.doLookup("java:/comp/env/jdbc/mydatasource"); Connection con = dataSource.getConnection(); PooledConnection pcon = dataSource.isWrapperFor(PooledConnection.class)? dataSource.unwrap(PooledConnection.class) : null; if (pcon!= null){ return pcon; } else { throw new SQLException("DataSource does not support pooling."); }
从连接池获取连接
从连接池中获取一个连接对象
PooledConnection pcon = dataSource.isWrapperFor(PooledConnection.class)? dataSource.unwrap(PooledConnection.class) : null; if (pcon == null ||!pcon.isConnected()){ throw new SQLException("Invalid connection pool wrapper object or no valid connections available from the data source."); } try{ // get a new connection using pooled connection Connection con = pcon.getConnection(); // do your work with this connection here.. System.out.println("Got a new connection from pool " + Thread.currentThread().getName()); return con; } catch (SQLException e){ // check for the following exceptions and retry once more... // - SQLRecoverableException // - SQLNonTransientConnectionException // - SQLTimeoutException // log error message logger.error("Error getting a new connection from pool.",e); // retry one more time return getConnection(); }
归还连接
将连接返还给连接池
public void releaseConnection(){ // code to close the database resources.. // setAutoCommit true, rollback transaction, etc. // free up the connection back into the pool try{ pconn.freeConnection(this.conn); logger.info("Released connection [" + conn + "] back to the pool."); } catch (SQLException e){ logger.error("Error returning connection ["+conn+"] back to the pool", e); } finally{ this.conn = null; // mark the connection as closed // clean up any other allocated resources such as statement caches etc. } }
5.具体代码实例和解释说明
下面给出了一个连接池管理工具类的代码示例。在该类中，实现了连接池管理的四个基本功能：
- 添加一个连接到连接池
- 从连接池中获取一个连接
- 检测连接是否有效
- 释放一个连接到连接池
import java.sql.*;
import javax.naming.InitialContext;
import javax.naming.NamingException;
import javax.sql.DataSource;
public class DBConnectionPoolManager implements AutoCloseable {
private final String poolName;
private DataSource ds;
/**
* Constructor that initializes the datasource based on the jndi name of the pool.
*/
public DBConnectionPoolManager(String poolName) throws NamingException {
this.poolName = poolName;
ds = (DataSource) new InitialContext().lookup(poolName);
}
@Override
public void close() throws Exception {
if (!ds.equals((Object)null))
ds.close();
}
/**
* Adds a connection to the pool by checking it's validity first before adding it to the queue.
* If there are already maximum number of connections in the queue then waits till some connection is released
* @throws SQLException
*/
public synchronized void addConnectionToPool() throws SQLException {
int waitTime = 5000; // Wait period before giving up.
while (numConnectionsInQueue() >= getMaxConnections()) {
wait(waitTime); // Sleeps until a connection is released or timeout occurs.
}
boolean isValid = false;
try (Connection con = ds.getConnection()) {
isValid = con.isValid(1); // Check if the connection is still valid after waiting period.
}
if (!isValid)
throw new SQLException("The provided connection is invalid!");
Connection c = ds.getConnection();
((PooledConnection)c).addConnectionEventListener(new ConnectionEventListenerImpl());
numConnections++;
}
/**
* Gets a connection from the pool. First checks if there are idle connections in the queue, otherwise tries to create one
* Throws an exception when the maximum number of connections has been reached.
* Also adds a connection listener to validate each created connection.
* @return A connection to the underlying database
* @throws SQLException
*/
public synchronized Connection getConnectionFromPool() throws SQLException {
int maxConnections = getMaxConnections();
if (numConnections < maxConnections && numConnectionsInQueue() > 0) {
numConnections--;
return ((PooledConnection)queue[head].obj).getConnection();
} else if (numConnections < maxConnections) {
++numConnections;
Connection con = ds.getConnection();
((PooledConnection)con).addConnectionEventListener(new ConnectionEventListenerImpl());
return con;
} else {
throw new SQLException("Maximum Number of Connections Exceeded!");
}
}
/**
* Validates a given connection. Checks whether its still alive or not. In case of failure attempts to recreate another connection.
* @param conn The connection to be validated
* @return True if the connection is still valid, false otherwise
* @throws SQLException
*/
public synchronized boolean validateConnection(Connection conn) throws SQLException {
if (((PooledConnection)conn).isClosed() ||!conn.isValid(1)) {
--numConnections;
removeEldestConnection();
conn = getConnectionFromPool();
++numConnections;
return false;
}
return true;
}
/**
* Releases a connection back to the pool so that it can be used again later
* @param conn The connection to be released
* @throws SQLException
*/
public synchronized void releaseConnection(Connection conn) throws SQLException {
if (conn!= null) {
((PooledConnection)conn).removeConnectionEventListener(new ConnectionEventListenerImpl());
((PooledConnection)conn).freeConnection(((DelegatingConnection)conn).getInnermostDelegate());
--numConnections;
}
}
protected int getNumConnections() {
return numConnections;
}
private int numConnectionsInQueue() {
int count = 0;
for (int i=head; i!=tail; i=(i+1)%queueSize) {
if (queue[i]!= null)
++count;
}
return count;
}
private static final int MAX_CONNECTIONS = 10;
private int getMaxConnections() {
return Math.min(MAX_CONNECTIONS, queueSize);
}
private class ConnectionEventListenerImpl implements ConnectionEventListener {
public void connectionClosed(ConnectionEvent event) {
if (!(event instanceof ConnectionEventImpl)){
throw new IllegalArgumentException("This implementation only supports instances of "+ConnectionEventImpl.class);
}
ConnectionEventImpl ce = (ConnectionEventImpl) event;
synchronized (DBConnectionPoolManager.this) {
--numConnections;
removeEldestConnection();
numConnectionsInQueue(); // notify all threads to wakeup
DBConnectionPoolManager.this.notifyAll();
}
}
public void connectionErrorOccurred(ConnectionEvent event) {
// do nothing
}
}
private static class QueueElement<T> {
T obj;
long timestamp;
QueueElement(T obj) {
this.obj = obj;
timestamp = System.currentTimeMillis();
}
}
private final int DEFAULT_QUEUE_SIZE = 10;
private QueueElement[] queue;
private int head;
private int tail;
private int numConnections;
private int queueSize;
private void initQueue() {
queue = new QueueElement[DEFAULT_QUEUE_SIZE];
head = 0;
tail = -1;
numConnections = 0;
queueSize = DEFAULT_QUEUE_SIZE;
}
private synchronized void expandQueue() {
int oldCapacity = queue.length;
int newCapacity = oldCapacity << 1;
QueueElement[] newQueue = new QueueElement[newCapacity];
for (int i=head; i<=tail; i++) {
newQueue[(i+oldCapacity)%newCapacity] = queue[i%oldCapacity];
}
queue = newQueue;
head = 0;
tail = numConnections - 1;
queueSize = newCapacity;
}
private synchronized void shrinkQueue() {
if (numConnections <= queueSize >>> 1) {
int oldCapacity = queue.length;
int newCapacity = queueSize >>> 1;
if (newCapacity < MIN_QUEUE_CAPACITY)
newCapacity = MIN_QUEUE_CAPACITY;
QueueElement[] newQueue = new QueueElement[newCapacity];
for (int i=head; i<=tail; i++) {
newQueue[(i+oldCapacity)%newCapacity] = queue[i%oldCapacity];
}
queue = newQueue;
head = 0;
tail = numConnections - 1;
queueSize = newCapacity;
}
}
private void enqueue(T obj) {
if (++tail == queueSize)
tail = 0;
queue[tail] = new QueueElement<>(obj);
}
private T dequeue() {
if (tail == -1)
return null;
T obj = queue[head].obj;
queue[head] = null;
if (++head == queueSize)
head = 0;
return obj;
}
private void removeEldestConnection() {
T eldestObj = dequeue();
if (eldestObj!= null) {
((PooledConnection)eldestObj).invalidate();
}
}
private static final int MIN_QUEUE_CAPACITY = 4;
static {
if (Boolean.getBoolean("org.apache.tomcat.jdbc.pool.ConnectionPool")) {
System.setProperty("org.apache.tomcat.jdbc.pool.ValidatorClassName","org.apache.tomcat.jdbc.pool.DisposableConnectionFacade");
}
}
}此处，主要使用到了以下几个方法：
getConnection()方法：从连接池中获取一个连接对象，首先先看队列中有没有空闲连接，如果有，则直接取出一个空闲连接，如果没有，则尝试创建一个新的连接；当超过最大连接数时，抛出异常。releaseConnection(Connection)方法：归还连接的方法，将连接返还给连接池，包括数据库资源清理、连接池资源释放等。validateConnection(Connection)方法：校验连接的方法，在调用getConnection()方法时，如果连接不可用，则尝试重新创建一个连接；如果超过最大连接数，则关闭该连接；如果仍然不可用，则抛出异常。
除此之外，连接池还提供了很多配置选项，可以通过配置文件来设置。本文只简单介绍了一些原理和方法。