JDBC 4.2 Specifications 中文翻译 -- 第十一章 连接池

在基本的 DataSource 实现中,客户端的 Connection 对象与物理数据库连接有着1:1的关系。当 Connection 被关闭以后,物理连接也会被关闭。因此,连接的频繁打开、初始化以及关闭,会在一个客户端会话中上演多次,带来了过重的性能消耗。
而连接池就能解决这个问题,连接池维护了一系列物理数据库连接的缓存,可以被多个客户端会话重复使用。连接池能够极大地提高性能和可扩展性,特别是在一个三层架构的环境中,大量的客户端可以共享一个数量比较小的物理数据库连接池。在图11-1中,JDBC 驱动提供了一个 ConnectionPoolDataSource 的实现,应用服务器可以用它来创建和管理连接池。
ConnectionPoolDataSource实现.png

连接池的管理策略跟具体的实现有关,也跟具体的应用服务器有关。应用服务器对客户端提供了一个 DataSource 接口的具体实现,使得连接池化对于客户端来说是透明的。最终,客户端使用 DataSource API 就能和之前使用 JNDI 一样,获得了更好的性能和可扩展性。

下文将会介绍 ConnectionPoolDataSource 接口、PooledConnection 接口以及 ConnectionEvent 类,这三个组成部分是一个相互合作的关系,下文将以一个经典线程池的实现的角度,逐步描述这几部分。这一章也会介绍基本的 DataSource 对象和池化的 DataSource 对象之间的区别,此外,还会讨论一个池化的连接如何能够维护一堆可重用的 PreparedStatement 对象。

尽管本章中的所有讨论都是假设在三层架构环境下的,但连接的池化在两层架构的环境下也同样有用。
在两层架构的环境中,JDBC 驱动既实现了 DataSource 接口,也实现 ConnectionPoolDataSource 接口,这种实现方式允许客户端打开或者关闭多个连接。

11.1 ConnectionPoolDataSource 和 PooledConnection

一般来说, 一个 JDBC 驱动会去实现 ConnectionPoolDataSource 接口,应用服务器可以使用这个接口来获得 PooledConnection 对象,以下代码展示了 getPooledConnection 方法的两种版本

public interface ConnectionPoolDataSource {
    PooledConnection getPooledConnection() throws SQLException;
    PooledConnection getPooledConnection(String user, String password) throws SQLException;
}

一个 PooledConnection 对象代表一条与数据源之间的物理连接。JDBC 驱动对于 PooledConnection 的实现,则会封装所有与维护这条连接相关的细节。
应用服务器则会在它的 DataSource 接口的实现中,缓存和重用这些 PooledConnection。当客户端调用 DataSource.getConnection 方法时,应用服务器将会使用物理 PooledConnection 去获取一个逻辑 Connection 对象。以下代码是 PooledConnection 接口的一些方法定义:

public interface PooledConnection {
    Connection getConnection() throws SQLException;
    void close() throws SQLException;
    void addConnectionEventListener(
    ConnectionEventListener listener);
    void addStatementEventListener(
    StatementEventListener listener);
    void removeConnectionEventListener(
    ConnectionEventListener listener);
    void removeStatementEventListener(
    StatementEventListener listener);
}

当客户端使用完连接以后,它使用 Connection.close 方法来关闭这条逻辑连接,这个动作只是关闭了逻辑连接,但并不会关闭物理连接。物理连接会被归还到池子里,以待重用。
在这里,连接的池化对于客户端来说完全是透明的,客户端能像使用非池化连接那样去使用池化连接。

需要注意的是,当对池化的连接调用 Connection.close() 方法时,之前通过 Connection.setClientInfo 设置的属性将会被清除掉。

11.2 连接事件

回忆先前说过的,当 Connection.close 方法被调用后,底层的物理连接 PooledConnection 就可以再次被重用。当一个 PooledConnection 可以被回收的时候,将会使用 JavaBean 风格的事件去通知连接池管理器(应用服务器)。
为了发生连接事件时能被通知到,连接池管理器必须实现 ConnectionEventListener 接口,然后 PooledConnection 会将其注册为连接事件的一个监听者。ConnectionEventListener 接口定义了两个方法,也体现出了可能发生的两种不同的事件:

  • connectionClosed 事件 --- 当逻辑连接 Connection.close 被调用时产生此事件
  • connectionErrorOccurred --- 当出现一些致命的错误,比如说数据库宕机导致连接丢失的时候,会触发这个事件

连接池管理器通过调用 PooledConnection.addConnectionEventListener 方法来将自己注册为一个 PooledConnection 的监听者。一般情况下,注册的动作都发生在将连接归还到池子里之前。
JDBC 驱动负责在对应的事件发生的时候,调用回调方法,这两个方法都需要一个 ConnectionEvent 对象作为参数,通过这个对象可以判断到底是哪个 PooledConnection 被关闭了或者发生了错误。
当客户端关闭了逻辑连接的时候,JDBC 驱动会通过调用监听者所实现的 connectionClosed 方法来通知监听者,此时,监听者(连接池管理器)可以将该连接归还到池子里以便重用。当致命性错误发生时,JDBC 驱动首先会调用监听者实现的 connectionErrorOccurred 方法,然后再抛出一个 SQLException 异常。这个时候,监听者就可以通过 PooledConnection.close 方法来将物理连接关闭。

11.3 三层架构环境中的连接池化

以下步骤列出了客户端使用连接池池化时,实际上发生的事情:

  • 客户端调用 DataSource.getConnection 方法
  • 应用服务器在它自己支持连接池的 DataSource 实现中,查找是否有可用的 PooledConnection 对象
  • 如果没有可用的 PooledConnection 对象,应用服务器调用 ConnectionPoolDataSource.getPooledConnection 来创建一条物理连接,JDBC 驱动的具体实现会负责连接创建的具体细节,并把它交给应用服务器管理。
  • 无论是新建的 PooledConnection 还是已经创建好的处于可用状态的,应用服务器会对这条连接进行一些标识,标记它处于正在使用的状态。
  • 应用服务器调用 PooledConnection.getConnection 方法来获得一个逻辑上的 Connection 对象,这个对象底层实际上关联了一个物理的 PooledConnection 对象,客户端调用 DataSource.getConnection 方法,返回值拿到的是逻辑上的 Connection 对象。
  • 应用服务器通过调用 PooledConnection.addConnectionEventListener 方法将它自己注册为一个 ConnectionEventListener,当 PooledConnection 处于可用状态时,应用服务器就会得到相应的事件通知。
  • 由 DataSource.getConnection 方法返回的逻辑 Connection 对象,依然是使用 Connection API,直到 Connection.close 被调用之前,底层的 PooledConnection 都处于使用状态,不可被重用。

即使在没有应用服务器的两层架构环境中,连接依然可以做到池化。这种情况下,JDBC 驱动需要实现 DataSource 接口和 ConnectionPoolDataSource 接口。

11.4 DataSource 实现与连接池化

抛开对性能和扩展性的提升不说,客户端使用 DataSource 接口的时候,不需要去关心它底层的实现是否池化,客户端面向的是一套统一的,无差别的使用方式。
常规的 DataSource 实现,即不实现连接池化功能的实现,一般由 JDBC 驱动实现,通常有以下两个观点被认为是正确的:

  • DataSource.getConnection 方法创建一个新的 Connection 对象来代表一条真正的物理连接,并且封装了所有维护和管理这条物理连接的细节。
  • Connection.close 方法关闭底层的物理连接并释放相关的资源

在一个实现了池化的 DataSource 实现中,情况则有些不一样,以下几个观点被认为是正确的:

  • 在 DataSource 的实现中,包含了一个提供了连接池化功能的模块,这个模块要怎么实现没有一个统一的标准,因人而异。这个模块会缓存一系列 PooledConnection 对象。DataSource 的实现类,通常处于驱动实现的 ConnectionPoolDataSource 和 PooledConnection 接口的上层。
  • DataSource.getConnection 方法会调用 PooledConnection 方法去获得对底层物理连接的一个句柄,如果已有的连接池里没有现成可用的连接,那么这个时候就需要新建物理连接,只有在这种情况下,新建物理连接对性能的消耗才体现出来。当需要创建新的物理连接的时候,ConnectionPoolDataSource 的 getPooledConnection 会被调用,对于物理连接的管理细节,则委托给了 PooledConnection 对象。
  • Connection.close 方法被调用时,只是关闭逻辑上的连接句柄,并不会关闭实际上的物理连接。连接池管理者此时会收到一个事件通知,被告知一个 PooledConnection 处于可重用状态了。如果此时客户端仍然企图使用这个逻辑上的连接句柄,那么只会得到一个 SQLException 异常。
  • 一个物理 PooledConnection 在它的整个生命周期中,可能会产生许多的逻辑 Connection 对象,但只有最近一次产生的 Connection 对象才是有效的,当 PooledConnection.getConnection 方法被调用时,先前已经存在的 Connection 对象,将会被自动关闭。这种情况下,关闭不会产生相应的事件去通知监听者。
这给了应用服务器一种从客户端强行拿走连接的方式,这种情形可能很少见,但是当应用服务器需要进行强制关闭时,这个特性可能会很有用
  • 连接池的管理者通过调用 PooledConnection.close 方法来关闭物理连接,一般发生以下情况时,才会这么做:当应用服务器正常退出时,当需要重新初始化连接的缓存时,或者是该连接上发生一些不可恢复的致命性错误时。

11.5 部署

进行连接池化的部署,需要提供一个客户端代码可以接触到的 DataSource 对象,并且还需要把一个 ConnectionPoolDataSource 对象注册到 JNDI 中。
第一步,部署 ConnectionPoolDataSource,如下代码所示:

// ConnectionPoolDS implements the ConnectionPoolDataSource
// interface. Create an instance and set properties.
com.acme.jdbc.ConnectionPoolDS cpds = new com.acme.jdbc.ConnectionPoolDS();
cpds.setServerName(“bookserver”);
cpds.setDatabaseName(“booklist”);
cpds.setPortNumber(9040);
cpds.setDescription(“Connection pooling for bookserver”);
// Register the ConnectionPoolDS with JNDI, using the logical name
// “jdbc/pool/bookserver_pool”
Context ctx = new InitialContext();
ctx.bind(“jdbc/pool/bookserver_pool”, cpds);    

上述步骤做好以后,ConnectionPoolDataSource 对象就可以被对客户端代码可见的 DataSource 使用了,DataSource 的部署需要依赖于先前部署的 ConnectionPoolDataSource,如下代码所示:

// PooledDataSource implements the DataSource interface.
// Create an instance and set properties.
com.acme.appserver.PooledDataSource ds =
new com.acme.appserver.PooledDataSource();
ds.setDescription(“Datasource with connection pooling”);
// Reference the previously registered ConnectionPoolDataSource
ds.setDataSourceName(“jdbc/pool/bookserver_pool”);
// Register the DataSource implementation with JNDI, using the logical
// name “jdbc/bookserver”.
Context ctx = new InitialContext();
ctx.bind(“jdbc/bookserver”, ds);

到此,客户端代码就可以使用这个 DataSource 了。

11.6 池化连接的 Statement 重用

JDBC 规范对于 statement 的池化也提供了一些支持。statement 池化这个特性,能让应用层像 connection 重用一样,对 PreparedStatement 进行重用,这个特性需要以连接池化为基础。
下图展示了 PooledConnection 与 PreparedStament 之间的关系。逻辑 Connection 可以透明地使用多个 PreparedStatement 对象。

statement池化.png

上图中,连接池和 statement 池由应用服务器来实现。不过,这些功能其实也可以由驱动来实现,或者是数据源来实现。这里我们对于 statement 池化的讨论,其实是适用于以上提到的所有实现方式的。

11.6.1 使用池化 Statement

对于 statement 的重用,必须对应用透明。也就是说,从应用开发的角度,对一个 statement 的使用,不需要关心它是否是池化的实现。statement 在底层会一直保持处于打开状态,应用层的代码也不需要改变。如果应用层关闭了这个 statement,它依然需要调用 Connection.prepareStatement 方法来继续使用它。statement 的池化对于应用层来说,使用方式上是透明的,应用层唯一能感知到不同的,是它带来的明显的性能提升。
应用层需要通过调用 DatabaseMetadata 的 supportStatementPooling 方法,来判断一个数据源是否支持 statement 重用。
在很多情况下,对于 statement 的重用,是一种非常有意义的优化,尤其是负责的 prepared statement。不过,需要注意的是,大量的 statement 处于打开状态,有可能会对资源带来影响。

11.6.2 关闭池化 Statement

一旦应用层关闭了一个 statement,无论它是否是池化的,它都不能再继续被使用了,否则会导致异常抛出。
以下几个方法会关闭一个池化的 statement:

  • Statement.close --- 由应用层调用。如果一个 statement 是池化的,调用这个方法会关闭逻辑上的 statement,但不会关闭底层的已经池化的物理 statement。
  • Connection.close --- 由应用层调用。

    • 非池化连接 --- 关闭底层的物理连接和由这个连接创建的所有 statement。这样做是必要的,因为垃圾回收机制无法检测到外部的资源什么时候会被释放。
    • 池化连接 --- 仅关闭逻辑上的连接和这个连接所创建的逻辑 statement,底层的物理连接以及相关的 statement 不会被关闭。
  • PooledConnection.close --- 由连接池管理者调用。会关闭底层的物理连接以及所有相关的 statement。

应用层无法直接关闭一个已经池化的物理 statement,这是连接池管理器做的事情。PooledConnection.close 方法关闭物理连接以及所有的关联 statement,释放掉相关的资源。
应用层也无法直接控制 statement 应该如何被池化。一个池化的 statement 总是与一个 PooledConnection 相关联的,ConnectionPoolDataSource 可以用来对池化做一些属性设置。

11.7 statement 事件

如果连接池管理器支持 statement 池化,它必须实现 StatementEventListener 接口,然后将自己注册为 PooledConnection 对象的监听者。这个接口定义了以下两个方法,用来监听有可能发生在一个 PreparedStatement 对象上的两种事件。

  • statementClosed --- 当与 PooledConnection 对象相关联的逻辑 PreparedStatement 对象被关闭时触发,也就是说,当应用层调用 PreparedStatement.close 方法时。
  • statementErrorOccurred --- 当 JDBC 驱动监测到 PreparedStatement 对象不可用时触发。

连接池管理器通过 PooledConnection.addStatementEventListener 方法将自己注册为监听者。一般来说,在连接池管理器返回一个 PreparedStatement 对象给应用层使用之前,它必须先把自己注册为一个监听者。
当对应的事件发生时,驱动会调用 StatementEventListener 的 statementClosed 方法和 statementErrorOccurred 方法,这两个方法都接收一个 statementEvent 对象作为参数,这个参数就可以用来判断是发生了关闭事件还是异常事件。当 JDBC 应用关闭逻辑 statement ,或者一些错误发生时,JDBC 驱动会调用相关的方法,这个时候,连接池管理器它就可以将这个 statement 放回池子以便重用,或者是抛出异常。

11.8 ConnectionPoolDataSource 属性

JDBC 的 API 定义了一系列的属性来设置与池化相关的属性:

属性名 类型 描述
maxStatements int 允许池化的最大 statement 数,0 代表不池化
initialPoolSize int 当连接池创建时需要创建的初始物理连接数
minPoolSize int 连接池最小物理连接数
maxPoolSize int 连接池最大物理连接数,0代表无限制
maxIdleTime int 连接空闲最大空闲时间,0代表无限制
propertyCycle int 属性生效时间,单位为秒

连接池的配置风格遵循 JavaBean 风格。连接池厂商如果需要增加配置属性,那这些新增的属性名不应与已有的标准属性名重复。
与 DataSource 的实现一样,ConnectionPoolDataSource 的实现也必须为每个属性增加 setter 和 getter 方法,以下代码是一个示例:

VendorConnectionPoolDS vcp = new VendorConnectionPoolDS();
vcp.setMaxStatements(25);
vcp.setInitialPoolSize(10);
vcp.setMinPoolSize(1);
vcp.setMaxPoolSize(0);
vcp.setMaxIdleTime(0);
vcp.setPropertyCycle(300);

应用服务器会根据设置的属性,来决定应该如何管理相关的池子。
ConnectionPoolDataSource 的配置属性无须被 JDBC 客户端直接访问。一些管理工具需要访问的话,建议通过反射的方式。

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