数据库：数据库连接池原理详解与自定义连接池实现

数据库连接池在初始化时将创建一定数量的数据库连接放到连接池中，这些数据库连接的数量是由最小数据库连接数制约。无论这些数据库连接是否被使用，连接池都将一直保证至少拥有这么多的连接数量。连接池的最大数据库连接数量限定了这个连接池能占有的最大连接数，当应用程序向连接池请求的连接数超过最大连接数量时，这些请求将被加入到等待队列中。

连接池基本的思想是在系统初始化的时候，将数据库连接作为对象存储在内存中，当用户需要访问数据库时，并非建立一个新的连接，而是从连接池中取出一个已建立的空闲连接对象。使用完毕后，用户也并非将连接关闭，而是将连接放回连接池中，以供下一个请求访问使用。而连接的建立、断开都由连接池自身来管理。同时，还可以通过设置连接池的参数来控制连接池中的初始连接数、连接的上下限数以及每个连接的最大使用次数、最大空闲时间等等。也可以通过其自身的管理机制来监视数据库连接的数量、使用情况等。

注意事项

• 1、数据库连接池的最小连接数是连接池一直保持的数据库连接，所以如果应用程序对数据库连接的使用量不大，将会有大量的数据库连接资源被浪费。
• 2、数据库连接池的最大连接数是连接池能申请的最大连接数，如果数据库连接请求超过此数，后面的数据库连接请求将被加入到等待队列中，这会影响之后的数据库操作。
• 3、最大连接数具体值要看系统的访问量.要经过不断测试取一个平衡值
• 4、隔一段时间对连接池进行检测,发现小于最小连接数的则补充相应数量的新连接
• 5、最小连接数与最大连接数差距，最小连接数与最大连接数相差太大，那么最先的连接请求将会获利，之后超过最小连接数量的连接请求等价于建立一个新的数据库连接。不过，这些大于最小连接数的数据库连接在使用完不会马上被释放，它将被放到连接池中等待重复使用或是空闲超时后被释放。

数据库连接池配置属性

目前数据库连接池种类繁多，不同种类基本的配置属性大同小异，例如c3p0、Proxool、DDConnectionBroker、DBPool、XAPool、Druid、dbcp，这里我们以dbcp为例说说主要的配置项：

#最大连接数量：连接池在同一时间能够分配的最大活动连接的数量,，如果设置为非正数则表示不限制，默认值8
maxActive=15
#最小空闲连接：连接池中容许保持空闲状态的最小连接数量，低于这个数量将创建新的连接，如果设置为0则不创建，默认值0
minIdle=5
#最大空闲连接：连接池中容许保持空闲状态的最大连接数量，超过的空闲连接将被释放，如果设置为负数表示不限制，默认值8
maxIdle=10
#初始化连接数：连接池启动时创建的初始化连接数量，默认值0
initialSize=5
#连接被泄露时是否打印
logAbandoned=true
#是否自动回收超时连接
removeAbandoned=true 
#超时时间(以秒数为单位)
removeAbandonedTimeout=180
# 最大等待时间:当没有可用连接时，连接池等待连接被归还的最大时间(以毫秒计数)，超过时间则抛出异常，如果设置为-1表示无限等待，默认值无限
maxWait=3000
#在空闲连接回收器线程运行期间休眠的时间值(以毫秒为单位).
timeBetweenEvictionRunsMillis=10000
#在每次空闲连接回收器线程(如果有)运行时检查的连接数量
numTestsPerEvictionRun=8
#连接在池中保持空闲而不被空闲连接回收器线程
minEvictableIdleTimeMillis=10000
#用来验证从连接池取出的连接
validationQuery=SELECT 1
#指明是否在从池中取出连接前进行检验
testOnBorrow=true
#testOnReturn  false  指明是否在归还到池中前进行检验
testOnReturn=true
#设置为true后如果要生效,validationQuery参数必须设置为非空字符串
testWhileIdle

自定义数据库连接池示例

首先看一下连接池的定义。它通过构造函数初始化连接的最大上限，通过一个双向队列来维护连接，调用方需要先调用fetchConnection(long)方法来指定在多少毫秒内超时获取连接，当连接使用完成后，需要调用releaseConnection(Connection)方法将连接放回线程池

public class ConnectionPool {
    private LinkedList<Connection> pool = new LinkedList<Connection>();

    /**
     * 初始化连接池的大小
     * @param initialSize
     */
    public ConnectionPool(int initialSize) {
        if (initialSize > 0) {
            for (int i = 0; i < initialSize; i++) {
                pool.addLast(ConnectionDriver.createConnection());
            }
        }
    }

    /**
     * 释放连接，放回到连接池
     * @param connection
     */
    public void releaseConnection(Connection connection){
        if(connection != null){
            synchronized (pool) {
                // 连接释放后需要进行通知，这样其他消费者能够感知到连接池中已经归还了一个连接
                pool.addLast(connection);
                pool.notifyAll();
            }
        }
    }

    /**
     * 在mills内无法获取到连接，将会返回null
     * @param mills
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    public Connection fetchConnection(long mills) throws InterruptedException{
        synchronized (pool) {
            // 无限制等待
            if (mills <= 0) {
                while (pool.isEmpty()) {
                    pool.wait();
                }
                return pool.removeFirst();
            }else{
                long future = System.currentTimeMillis() + mills;
                long remaining = mills;
                while (pool.isEmpty() && remaining > 0) {
                    // 等待超时
                    pool.wait(remaining);
                    remaining = future - System.currentTimeMillis();
                }
                Connection result = null;
                if (!pool.isEmpty()) {
                    result = pool.removeFirst();
                }
                return result;
            }
        }
    }
}

由于java.sql.Connection是一个接口，最终的实现是由数据库驱动提供方来实现的，考虑到只是个示例，我们通过动态代理构造了一个Connection，该Connection的代理实现仅仅是在commit()方法调用时休眠100毫秒

public class ConnectionDriver {
    static class ConnectionHandler implements InvocationHandler{
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            if(method.equals("commit")){
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            }
            return null;
        }
    }

    /**
     * 创建一个Connection的代理，在commit时休眠100毫秒
     * @return
     */
    public static final Connection createConnection(){
        return (Connection) Proxy.newProxyInstance(ConnectionDriver.class.getClassLoader(),
                new Class[] { Connection.class },new ConnectionHandler());
    }
}

下面通过一个示例来测试简易数据库连接池的工作情况，模拟客户端ConnectionRunner获取、使用、最后释放连接的过程，当它使用时连接将会增加获取到连接的数量，反之，将会增加未获取到连接的数量

public class ConnectionPoolTest {
    static ConnectionPool pool = new ConnectionPool(10);
    // 保证所有ConnectionRunner能够同时开始
    static CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
    // main线程将会等待所有ConnectionRunner结束后才能继续执行
    static CountDownLatch end;
    public static void main(String[] args) {
        // 线程数量，可以修改线程数量进行观察
        int threadCount = 10;
        end = new CountDownLatch(threadCount);
        int count = 20;
        AtomicInteger got = new AtomicInteger();
        AtomicInteger notGot = new AtomicInteger();
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            Thread thread = new Thread(new ConnetionRunner(count, got, notGot), "ConnectionRunnerThread");
            thread.start();
        }
        start.countDown();
        try {
            end.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("total invoke: " + (threadCount * count));
        System.out.println("got connection: " + got);
        System.out.println("not got connection " + notGot);
    }

    static class ConnetionRunner implements Runnable {

        int count;
        AtomicInteger got;
        AtomicInteger notGot;
        public ConnetionRunner(int count, AtomicInteger got, AtomicInteger notGot) {
            this.count = count;
            this.got = got;
            this.notGot = notGot;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                start.await();
            } catch (Exception ex) {
            }
            while (count > 0) {
                try {
                    // 从线程池中获取连接，如果1000ms内无法获取到，将会返回null
                    // 分别统计连接获取的数量got和未获取到的数量notGot
                    Connection connection = pool.fetchConnection(1);
                    if (connection != null) {
                        try {
                            connection.createStatement();
                            connection.commit();
                        } finally {
                            pool.releaseConnection(connection);
                            got.incrementAndGet();
                        }
                    } else {
                        notGot.incrementAndGet();
                    }
                } catch (Exception ex) {
                } finally {
                    count--;
                }
            }
            end.countDown();
        }

    }

}

CountDownLatch类是一个同步计数器,构造时传入int参数,该参数就是计数器的初始值，每调用一次countDown()方法，计数器减1,计数器大于0 时，await()方法会阻塞程序继续执行CountDownLatch如其所写，是一个倒计数的锁存器，当计数减至0时触发特定的事件。利用这种特性，可以让主线程等待子线程的结束。这这里保证让所有的ConnetionRunner
都执行完再执行main进行打印。

运行结果：
20个客户端

total invoke: 200
got connection: 200
not got connection 0

50个客户端

total invoke: 1000
got connection: 999
not got connection 1

在资源一定的情况下（连接池中的10个连接），随着客户端线程的逐步增加，客户端出现超时无法获取连接的比率不断升高。虽然客户端线程在这种超时获取的模式下会出现连接无法获取的情况，但是它能够保证客户端线程不会一直挂在连接获取的操作上，而是“按时”返回，并告知客户端连接获取出现问题，是系统的一种自我保护机制。数据库连接池的设计也可以复用到其他的资源获取的场景，针对昂贵资源（比如数据库连接）的获取都应该加以超时限制。