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基于HiKariCP组件，分析连接池原理
strikeeagle
发布于 2022-11-16 14:37
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池塘里养：Connection；
一、设计与原理
1、基础案例
HiKariCP作为SpringBoot2框架的默认连接池，号称是跑的最快的连接池，数据库连接池与之前两篇提到的线程池和对象池，从设计的原理上都是基于池化思想，只是在实现方式上有各自的特点；首先还是看HiKariCP用法的基础案例：
import com.zaxxer.hikari.HikariConfig;
import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import java.sql.Connection;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.Statement;
public class ConPool {
private static HikariConfig buildConfig (){
HikariConfig hikariConfig = new HikariConfig() ;
// 基础配置
hikariConfig.setJdbcUrl("jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/junit_test?characterEncoding=utf8");
hikariConfig.setUsername("root");
hikariConfig.setPassword("123456");
// 连接池配置
hikariConfig.setPoolName("dev-hikari-pool");
hikariConfig.setMinimumIdle(4);
hikariConfig.setMaximumPoolSize(8);
hikariConfig.setIdleTimeout(600000L);
return hikariConfig ;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 构建数据源
HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(buildConfig()) ;
// 获取连接
Connection connection = dataSource.getConnection() ;
// 声明SQL执行
Statement statement = connection.createStatement();
ResultSet resultSet = statement.executeQuery("SELECT count(1) num FROM jt_activity") ;
// 输出执行结果
if (resultSet.next()) {
System.out.println("query-count-result："+resultSet.getInt("num"));
}
}
}2、核心相关类
- HikariDataSource类：汇集数据源描述的相关信息，例如配置、连接池、连接对象、状态管理等；
- HikariConfig类：维护数据源的配置管理，以及参数校验，例如userName、passWord、minIdle、maxPoolSize等；
- HikariPool类：提供对连接池与池中对象管理的核心能力，并实现池相关监控数据的查询方法；
- ConcurrentBag类：抛弃了常规池中采用的阻塞队列作为容器的方式，自定义该并发容器来存储连接对象；
- PoolEntry类：拓展连接对象的信息，例如状态、时间等，方便容器中追踪这些实例化对象；
通过对连接池中几个核心类的分析，也能直观地体会到该源码的设计原理，与上篇总结的对象池应用有异曲同工之妙，只是不同的组件不同的开发者在实现的时候，都具备各自的抽象逻辑。
3、加载逻辑
通过配置信息去构建数据源描述，在构造方法中基于配置再去实例化连接池，在HikariPool的构造中，实例化ConcurrentBag容器对象；下面再从源码层面分析实现细节。
二、容器分析
1、容器结构
容器ConcurrentBag类提供PoolEntry类型的连接对象存储，以及基本的元素管理能力，对象的状态描述；虽然被HikariPool对象池类所持有，但是实际的操作逻辑是在该类中；
1.1 基础属性
其中最为核心的是sharedList共享集合、threadList线程级缓存、handoffQueue即时队列；
// 共享对象集合，存放数据库连接
private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
// 缓存线程级连接对象，会被优先使用，避免被争抢
private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
// 等待获取连接的线程数
private final AtomicInteger waiters;
// 标记是否关闭
private volatile boolean closed;
// 即时处理连接的队列，当有等待线程时，通过该队列将连接分配给等待线程
private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;1.2 状态描述
在ConcurrentBag类中的IConcurrentBagEntry内部接口，被PoolEntry类实现，该接口定义连接对象的状态：
- STATE_NOT_IN_USE：未使用，即闲置中；
- STATE_IN_USE：使用中；
- STATE_REMOVED：被废弃；
- STATE_RESERVED：保留态，中间状态，用于尝试驱逐连接对象时；
2、包装对象
容器的基本能力是用来存储连接对象的，而对象的管理则需要很多扩展的跟踪信息，以有效的完成各种场景下的识别，此时就需要借助包装类的引入；
// 业务真正使用的连接对象
Connection connection;
// 最近访问时间
long lastAccessed;
// 最近借出时间
long lastBorrowed;
// 状态描述
private volatile int state = 0;
// 是否驱逐
private volatile boolean evict;
// 生命周期结束时的调度任务
private volatile ScheduledFuture<?> endOfLife;
// 连接生成的Statement对象
private final FastList<Statement> openStatements;
// 池对象
private final HikariPool hikariPool;这里需要注意FastList类实现List接口，为HiKariCP组件自定义，相比ArrayList类，出于对性能的追求，在元素的管理时，去掉诸多的范围校验。
三、对象管理
基于连接池的常规用法，来看看连接对象具体是如何管理，比如被借出，被释放，被废弃等，以及这些操作下对象的状态转换过程；
1、初始化
上文加载逻辑的描述中，已经提到在构建数据源的时候，会根据配置实例化连接池，在初始化的时候，基于两个核心切入点来分析源码：1.实例化多少连接对象、2.连接对象转换包装对象；
在连接池的构造中执行了checkFailFast方法，在该方法内执行MinIdle最小空闲数的判断，如果大于0，则创建一个包装对象并放入容器中；
public HikariPool(final HikariConfig config);
private void checkFailFast(){
final PoolEntry poolEntry = createPoolEntry();
if (config.getMinimumIdle() > 0) {
connectionBag.add(poolEntry);
}
}需要注意两个问题，创建的连接包装对象，初始状态是0即闲置中；另外虽然案例中设置MinIdle=4的值，但是这里的判断大于0，也只在容器中预先放入一个空闲对象；
2、借用对象
从池中获取连接对象时，实际调用的是容器类中的borrow方法：
public Connection HikariPool.getConnection(final long hardTimeout) throws SQLException ;
public T ConcurrentBag.borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException ;
在执行borrow方法时，涉及如下几个核心步骤与逻辑：
public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException
{
// 遍历本地线程缓存
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;
if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) { }
}
// 增加等待线程数
final int waiting = waiters.incrementAndGet();
try {
// 遍历Shared共享集合
for (T bagEntry : sharedList) {
if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) { }
}
// 一定时间内轮询handoff队列
listener.addBagItem(waiting);
timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
do {
final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
}
} finally {
// 减少等待线程数
waiters.decrementAndGet();
}
}- 首先反向遍历本地线程缓存，如果存在空闲连接，则返回该对象；如果没有则寻找共享集合；
- 遍历Shared共享集合前，会标记等待线程数加1，如果存在空闲连接则直接返回；
- 当Shared共享集合中也没有空闲连接时，这时当前线程进行一定时间的
handoffQueue队列轮询，可能会有资源的释放，也可能是新添加的资源；
注意这里在遍历集合时，取出的对象都会对状态进行判断和更新，如果得到空闲对象，会更新为IN_USE状态，然后返回；
3、释放对象
从池中释放连接对象时，实际调用的是容器类中的requite方法：
void HikariPool.recycle(final PoolEntry poolEntry) ;
public void ConcurrentBag.requite(final T bagEntry) ;
在释放连接对象时，首先更新对象状态为空闲，然后判断当前是否有等待的线程，在borrow方法中等待线程会进入一定时间的轮询，如果没有的话则把对象放入本地线程缓存中：
public void requite(final T bagEntry){
// 更新状态
bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
// 等待线程判断
for (int i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE || handoffQueue.offer(bagEntry)) { }
}
// 本地线程缓存
final List<Object> threadLocalList = threadList.get();
if (threadLocalList.size() < 50) {
threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
}
}注意这里涉及到连接对象的状态从使用中转为NOT_IN_USE空闲；borrow与requite作为连接池中两个核心方法，负责资源创建与回收；
最后本篇文章并没有站在HiKariCP组件的整体设计上构思，只是分析连接池这冰山一角，尽管只是部分源码，但是已经足够彰显出作者对于性能的极致追求，比如：本地线程缓存、自定义容器类型、FastList等；能被普遍采用必然存在诸多支撑的理由。
四、参考源码
应用仓库：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent
组件封装：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-frame-parent本文转载自公众号知了一笑
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已于2022-11-16 14:37:26修改
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