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SpringBoot HikariCP連接池怎麼創建

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2023-05-25 13:11:481016瀏覽

公用池化套件 Commons Pool 2

我們先研究一下Java中通用的物件池化套件Commons Pool 2，以了解一般的物件池結構。

根據我們的業務需求，使用這套 API 能夠輕鬆實現物件的池化管理。 

<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    <version>2.11.1</version>
</dependency>

GenericObjectPool 是物件池的核心類，透過傳入一個物件池的配置和一個物件的工廠，即可快速建立物件池。 

public GenericObjectPool( 
            final PooledObjectFactory<T> factory, 
            final GenericObjectPoolConfig<T> config)

案例

Redis 的常用客戶端 Jedis，就是使用 Commons Pool 管理連接池的，可以說是一個最佳實踐。下圖是 Jedis 使用工廠創建物件的主要程式碼區塊。

物件工廠類別最主要的方法就是makeObject，它的傳回值是 PooledObject 類型，可以將物件使用 new DefaultPooledObject(obj) 進行簡單包裝回傳。

redis.clients.jedis.JedisFactory，使用工廠建立物件。 

@Override
public PooledObject<Jedis> makeObject() throws Exception {
  Jedis jedis = null;
  try {
    jedis = new Jedis(jedisSocketFactory, clientConfig);
    //主要的耗时操作
    jedis.connect();
    //返回包装对象
    return new DefaultPooledObject<>(jedis);
  } catch (JedisException je) {
    if (jedis != null) {
      try {
        jedis.quit();
      } catch (RuntimeException e) {
        logger.warn("Error while QUIT", e);
      }
      try {
        jedis.close();
      } catch (RuntimeException e) {
        logger.warn("Error while close", e);
      }
    }
    throw je;
  }
}

我們再來介紹一下對象的生成過程，如下圖，對像在進行獲取時，將首先嘗試從對像池裡拿出一個，如果對像池中沒有空閒的對象，就使用工廠類提供的方法，產生一個新的。 

public T borrowObject(final Duration borrowMaxWaitDuration) throws Exception {
    //此处省略若干行
    while (p == null) {
        create = false;
        //首先尝试从池子中获取。
        p = idleObjects.pollFirst();
        // 池子里获取不到，才调用工厂内生成新实例
        if (p == null) {
            p = create();
            if (p != null) {
                create = true;
            }
        }
        //此处省略若干行
    }
    //此处省略若干行
}

那物件是存在什麼地方的呢？這個儲存的職責，就是由一個叫作LinkedBlockingDeque 的結構來承擔的，它是一個雙向的佇列。

接下來看一下 GenericObjectPoolConfig 的主要屬性：

// GenericObjectPoolConfig本身的属性
private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
// 其父类BaseObjectPoolConfig的属性
private boolean lifo = DEFAULT_LIFO;
private boolean fairness = DEFAULT_FAIRNESS;
private long maxWaitMillis = DEFAULT_MAX_WAIT_MILLIS;
private long minEvictableIdleTimeMillis = DEFAULT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
private long evictorShutdownTimeoutMillis = DEFAULT_EVICTOR_SHUTDOWN_TIMEOUT_MILLIS;
private long softMinEvictableIdleTimeMillis = DEFAULT_SOFT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
private int numTestsPerEvictionRun = DEFAULT_NUM_TESTS_PER_EVICTION_RUN;
private EvictionPolicy<T> evictionPolicy = null; 
// Only 2.6.0 applications set this 
private String evictionPolicyClassName = DEFAULT_EVICTION_POLICY_CLASS_NAME;
private boolean testOnCreate = DEFAULT_TEST_ON_CREATE;
private boolean testOnBorrow = DEFAULT_TEST_ON_BORROW;
private boolean testOnReturn = DEFAULT_TEST_ON_RETURN;
private boolean testWhileIdle = DEFAULT_TEST_WHILE_IDLE;
private long timeBetweenEvictionRunsMillis = DEFAULT_TIME_BETWEEN_EVICTION_RUNS_MILLIS;
private boolean blockWhenExhausted = DEFAULT_BLOCK_WHEN_EXHAUSTED;

參數很多，要想了解參數的意義，我們先來看看一個池化物件在整個池子中的生命週期。

如下圖所示，池子的操作主要有兩個：一個是業務線程，一個是偵測線程。

SpringBoot HikariCP連接池怎麼創建

物件池在進行初始化時，要指定三個主要的參數：

  • maxTotal 物件池中管理的物件上限

  • maxIdle 最大空閒數

  • #minIdle 最小空閒數

其中maxTotal 和業務執行緒有關，當業務執行緒想要取得物件時，會先偵測是否有空閒的物件。

如果有，則傳回一個；否則進入建立邏輯。如果池中已經達到最大值，建立物件將會失敗並傳回空物件。

物件在取得的時候，有一個非常重要的參數，那就是最大等待時間（maxWaitMillis），這個參數對應用方的效能影響是比較大的。此參數預設為 -1，表示永不逾時，直到有物件空閒。

如下圖，如果物件建立非常緩慢或使用非常繁忙，業務執行緒會持續阻塞 （blockWhenExhausted 預設為 true），進而導致正常服務也無法運作。

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面試題

在面試時通常會被問到："你會將超時參數設定為多久？" 我的做法是將最大等待時間設為介面能夠忍受的最大延遲。

例如，一個正常服務回應時間 10ms 左右，達到 1 秒就會感覺到卡頓，那麼這個參數設定成 500~1000ms 都是可以的。

逾時之後，會拋出 NoSuchElementException 異常，請求會快速失敗，不會影響其他業務線程，這種 Fail Fast 的思想，在互聯網應用非常廣泛。

帶有 evcit 字樣的參數，主要是處理物件逐出的。池化物件的建立和銷毀操作不僅耗費時間，在運作時還會佔用系統資源。

例如，連接池會佔用多條連接，執行緒池會增加調度開銷等。當業務遇到突發流量時，它會從池子中申請超出正常情況所需的物件資源。等這些物件不再被使用，我們就需要把它清理掉。

超出minEvictableIdleTimeMillis 參數指定值的對象，就會被強制回收掉，這個值預設是30 分鐘；softMinEvictableIdleTimeMillis 參數類似，但它只有在當前物件數量大於minIdle 的時候才會執行移除，所以前者的動作要更暴力一些。

還有 4 個 test 參數：testOnCreate、testOnBorrow、testOnReturn、testWhileIdle，分別指定了在建立、取得、歸還、空閒偵測的時候，是否對池化物件進行有效性檢測。

開啟這些偵測，能保證資源的有效性，但它會耗費效能，所以預設為 false。

在生產環境上，建議只將 testWhileIdle 設定為 true，並透過調整空閒偵測時間間隔（timeBetweenEvictionRunsMillis），例如 1 分鐘，來確保資源的可用性，同時也保證效率。

JMH 測試

使用連接池和不使用連接池，它們之間的效能差距到底有多大呢？

下面是一個簡單的 JMH 測試範例（請參閱倉庫），進行一個簡單的 set 操作，為 redis 的 key 設定一個隨機值。 

@Fork(2)
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 5, time = 1)
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
public class JedisPoolVSJedisBenchmark { 
   JedisPool pool = new JedisPool("localhost", 6379);
@Benchmarkpublicvoid testPool() { 
    Jedis jedis = pool.getResource(); jedis.set("a", UUID.randomUUID().toString()); 
    jedis.close();
}
@Benchmarkpublicvoid testJedis() { 
    Jedis jedis = new Jedis("localhost",6379); 
    jedis.set("a", UUID.randomUUID().toString()); 
    jedis.close(); 
}//此处省略若干行}

将测试结果使用 meta-chart 作图，展示结果如下图所示，可以看到使用了连接池的方式，它的吞吐量是未使用连接池方式的 5 倍！

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数据库连接池 HikariCP

HikariCP 源于日语“光る”，光的意思，寓意软件工作速度和光速一样快，它是 SpringBoot 中默认的数据库连接池。

数据库是我们工作中经常使用到的组件，针对数据库设计的客户端连接池是非常多的，它的设计原理与我们在本文开头提到的基本一致，可以有效地减少数据库连接创建、销毁的资源消耗。

同是连接池，它们的性能也是有差别的，下图是 HikariCP 官方的一张测试图，可以看到它优异的性能，官方的 JMH 测试代码见 Github。

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一般面试题是这么问的：HikariCP 为什么快呢？

主要有三个方面：

  • 它使用 FastList 替代 ArrayList，通过初始化的默认值，减少了越界检查的操作

  • 优化并精简了字节码，通过使用 Javassist，减少了动态代理的性能损耗，比如使用 invokestatic 指令代替 invokevirtual 指令

  • 实现了无锁的 ConcurrentBag，减少了并发场景下的锁竞争

HikariCP 对性能的一些优化操作，是非常值得我们借鉴的，在之后的博客中，我们将详细分析几个优化场景。

数据库连接池同样面临一个最大值（maximumPoolSize）和最小值（minimumIdle）的问题。一个在面试中经常被问到的问题是：你通常会将连接池设置为多大？

许多学生误以为，连接池设置得越大越好，有些学生甚至将该值设置为1000以上。

根据经验，数据库连接，只需要 20~50 个就够用了。具体的大小，要根据业务属性进行调整，但大得离谱肯定是不合适的。

HikariCP 官方是不推荐设置 minimumIdle 这个值的，它将被默认设置成和 maximumPoolSize 一样的大小。如果你的数据库Server端的连接资源空闲很多，你可以考虑禁用连接池的动态调整功能。

另外，根据数据库查询和事务类型，一个应用中是可以配置多个数据库连接池的，这个优化技巧很少有人知道，在此简要描述一下。

业务类型通常有两种：一种需要快速的响应时间，把数据尽快返回给用户；另外一种是可以在后台慢慢执行，耗时比较长，对时效性要求不高。

如果这两种业务类型，共用一个数据库连接池，就容易发生资源争抢，进而影响接口响应速度。

虽然微服务能够解决这种情况，但大多数服务是没有这种条件的，这时就可以对连接池进行拆分。

如图，在同一个业务中，根据业务的属性，我们分了两个连接池，就是来处理这种情况的。

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HikariCP 还提到了另外一个知识点，在 JDBC4 的协议中，通过 Connection.isValid() 就可以检测连接的有效性。

这样，我们就不用设置一大堆的 test 参数了，HikariCP 也没有提供这样的参数。

结果缓存池

到了这里你可能会发现池（Pool）与缓存（Cache）有许多相似之处。

它们有一个共同点，即将经过加工的对象存储在相对高速的区域中。我习惯性将缓存看作是数据对象，而把池中的对象看作是执行对象。缓存中的数据有一个命中率问题，而池中的对象一般都是对等的。

考虑下面一个场景，jsp 提供了网页的动态功能，它可以在执行后，编译成 class 文件，加快执行速度；再或者，一些媒体平台，会将热门文章，定时转化成静态的 html 页面，仅靠 nginx 的负载均衡即可应对高并发请求（动静分离）。

这些时候，你很难说清楚，这是针对缓存的优化，还是针对对象进行了池化，它们在本质上只是保存了某个执行步骤的结果，使得下次访问时不需要从头再来。

我通常把这种技术叫作结果缓存池（Result Cache Pool），属于多种优化手段的综合。

小结

下面我来简单总结一下本文的内容重点：我们从 Java 中最通用的公用池化包 Commons Pool 2 说起，介绍了它的一些实现细节，并对一些重要参数的应用做了讲解。

Jedis 就是在 Commons Pool 2 的基础上封装的，通过 JMH 测试，我们发现对象池化之后，有了接近 5 倍的性能提升。

接下来介绍了数据库连接池中速度很快的 HikariCP ，它在池化技术之上，又通过编码技巧进行了进一步的性能提升，HikariCP 是我重点研究的类库之一，我也建议你加入自己的任务清单中。

总体来说，当你遇到下面的场景，就可以考虑使用池化来增加系统性能：

  • 对象的创建或者销毁，需要耗费较多的系统资源

  • 对象的创建或者销毁，耗时长，需要繁杂的操作和较长时间的等待

  • 对象创建后，通过一些状态重置，可被反复使用

将对象池化之后，只是开启了第一步优化。要想达到最优性能，就不得不调整池的一些关键参数，合理的池大小加上合理的超时时间，就可以让池发挥更大的价值。和缓存的命中率类似，对池的监控也是非常重要的。

如下图，可以看到数据库连接池连接数长时间保持在高位不释放，同时等待的线程数急剧增加，这就能帮我们快速定位到数据库的事务问题。

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平常的编码中，有很多类似的场景。比如 Http 连接池，Okhttp 和 Httpclient 就都提供了连接池的概念，你可以类比着去分析一下，关注点也是在连接大小和超时时间上。

在底层的中间件，比如 RPC，也通常使用连接池技术加速资源获取，比如 Dubbo 连接池、 Feign 切换成 httppclient 的实现等技术。

你会发现，在不同资源层面的池化设计也是类似的。在后续的文章中，我们将介绍线程池的功能，例如利用队列对任务进行二层缓冲、提供多种拒绝策略等。

线程池的这些特性，你同样可以借鉴到连接池技术中，用来缓解请求溢出，创建一些溢出策略。

现实情况中，我们也会这么做。那么具体怎么做？有哪些做法？这部分内容就留给大家思考了。

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    <description>Demo project for Spring Boot</description>
    <properties>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>com.baomidou</groupId>
            <artifactId>mybatis-plus-generator</artifactId>
            <version>3.5.2</version>
        </dependency>
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            <groupId>org.freemarker</groupId>
            <artifactId>freemarker</artifactId>
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            <groupId>com.baomidou</groupId>
            <artifactId>mybatis-plus-boot-starter</artifactId>
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            <artifactId>swagger-spring-boot-starter</artifactId>
            <version>1.9.1.RELEASE</version>
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            <artifactId>mybatis-spring-boot-starter</artifactId>
            <version>2.2.2</version>
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            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            <scope>runtime</scope>
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            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <excludes>
                        <exclude>
                            <groupId>org.projectlombok</groupId>
                            <artifactId>lombok</artifactId>
                        </exclude>
                    </excludes>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

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