Spring Boot 配置 Hikari 數(shù)據(jù)庫連接池

前言

數(shù)據(jù)庫連接池是一個提高程序與數(shù)據(jù)庫的連接的優(yōu)化，連接池它主要作用是提高性能、節(jié)省資源、控制連接數(shù)、連接管理等操作；
程序中的線程池與之同理，都是為了優(yōu)化、提高性能。

配置

spring:
  datasource:
    hikari:
      # 設置是否自動提交事務，默認為true
      auto-commit: true
      # 設置用于測試連接的SQL查詢語句
      connection-test-query: SELECT 1
      # 設置獲取數(shù)據(jù)庫連接的超時時間，默認為30秒，單位是秒
      connection-timeout: 30000
      # 設置連接在連接池中保持空閑的最長時間，默認為10分鐘，單位是秒
      idle-timeout: 30000
      # 設置連接在連接池中允許存在的最長時間，默認為30分鐘，單位是秒
      max-lifetime: 1800000
      # 設置連接池中允許的最大連接數(shù)，默認為10
      maximum-pool-size: 15
      # 設置連接池中保持的最小空閑連接數(shù)，默認為10
      minimum-idle: 5
      # 設置連接池的名稱，默認為"HikariPool-1"
      pool-name: agriculture
      # 設置連接驗證的超時時間，默認為5秒，單位是秒
      validation-timeout: 10

補充：SpringBoot 2.0 中 HikariCP 數(shù)據(jù)庫連接池原理解析

作為后臺服務開發(fā)，在日常工作中我們天天都在跟數(shù)據(jù)庫打交道，一直在進行各種CRUD操作，都會使用到數(shù)據(jù)庫連接池。按照發(fā)展歷程，業(yè)界知名的數(shù)據(jù)庫連接池有以下幾種：c3p0、DBCP、Tomcat JDBC Connection Pool、Druid 等，不過最近最火的是 HiKariCP。

HiKariCP 號稱是業(yè)界跑得最快的數(shù)據(jù)庫連接池，自從 SpringBoot 2.0 將其作為默認數(shù)據(jù)庫連接池后，其發(fā)展勢頭銳不可當。那它為什么那么快呢？今天咱們就重點聊聊其中的原因。

一、什么是數(shù)據(jù)庫連接池

在講解HiKariCP之前，我們先簡單介紹下什么是數(shù)據(jù)庫連接池（Database Connection Pooling），以及為什么要有數(shù)據(jù)庫連接池。

從根本上而言，數(shù)據(jù)庫連接池和我們常用的線程池一樣，都屬于池化資源，它在程序初始化時創(chuàng)建一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫連接對象并將其保存在一塊內存區(qū)中。它允許應用程序重復使用一個現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫連接，當需要執(zhí)行 SQL 時，我們是直接從連接池中獲取一個連接，而不是重新建立一個數(shù)據(jù)庫連接，當 SQL 執(zhí)行完，也并不是將數(shù)據(jù)庫連接真的關掉，而是將其歸還到數(shù)據(jù)庫連接池中。我們可以通過配置連接池的參數(shù)來控制連接池中的初始連接數(shù)、最小連接、最大連接、最大空閑時間等參數(shù)，來保證訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)量在一定可控制的范圍類，防止系統(tǒng)崩潰，同時保證用戶良好的體驗。數(shù)據(jù)庫連接池示意圖如下所示：

因此使用數(shù)據(jù)庫連接池的核心作用，就是避免數(shù)據(jù)庫連接頻繁創(chuàng)建和銷毀，節(jié)省系統(tǒng)開銷。因為數(shù)據(jù)庫連接是有限且代價昂貴，創(chuàng)建和釋放數(shù)據(jù)庫連接都非常耗時，頻繁地進行這樣的操作將占用大量的性能開銷，進而導致網(wǎng)站的響應速度下降，甚至引起服務器崩潰。

二、常見數(shù)據(jù)庫連接池對比分析

這里詳細總結了常見數(shù)據(jù)庫連接池的各項功能比較，我們重點分析下當前主流的阿里巴巴Druid與HikariCP，HikariCP在性能上是完全優(yōu)于Druid連接池的。而Druid的性能稍微差點是由于鎖機制的不同，并且Druid提供更豐富的功能，包括監(jiān)控、sql攔截與解析等功能，兩者的側重點不一樣，HikariCP追求極致的高性能。

下面是官網(wǎng)提供的性能對比圖，在性能上面這五種數(shù)據(jù)庫連接池的排序如下：HikariCP>druid>tomcat-jdbc>dbcp>c3p0：

三、HikariCP 數(shù)據(jù)庫連接池簡介

HikariCP 號稱是史上性能最好的數(shù)據(jù)庫連接池，SpringBoot 2.0將它設置為默認的數(shù)據(jù)源連接池。Hikari相比起其它連接池的性能高了非常多，那么，這是怎么做到的呢？通過查看HikariCP官網(wǎng)介紹，對于HikariCP所做優(yōu)化總結如下：

1. 字節(jié)碼精簡 ：優(yōu)化代碼，編譯后的字節(jié)碼量極少，使得CPU緩存可以加載更多的程序代碼；

HikariCP在優(yōu)化并精簡字節(jié)碼上也下了功夫，使用第三方的Java字節(jié)碼修改類庫Javassist來生成委托實現(xiàn)動態(tài)代理.動態(tài)代理的實現(xiàn)在ProxyFactory類，速度更快，相比于JDK Proxy生成的字節(jié)碼更少，精簡了很多不必要的字節(jié)碼。

2. 優(yōu)化代理和攔截器：減少代碼，例如HikariCP的Statement proxy只有100行代碼，只有BoneCP的十分之一；

3. 自定義數(shù)組類型（FastStatementList）代替ArrayList：避免ArrayList每次get()都要進行range check，避免調用remove()時的從頭到尾的掃描（由于連接的特點是后獲取連接的先釋放）；

4. 自定義集合類型（ConcurrentBag）：提高并發(fā)讀寫的效率；

5. 其他針對BoneCP缺陷的優(yōu)化，比如對于耗時超過一個CPU時間片的方法調用的研究。

當然作為一個數(shù)據(jù)庫連接池，不能說快就會被消費者所推崇，它還具有非常好的健壯性及穩(wěn)定性。HikariCP從15年推出以來，已經(jīng)經(jīng)受了廣大應用市場的考驗，并且成功地被SpringBoot2.0作為默認數(shù)據(jù)庫連接池進行推廣，在可靠性上面是值得信任的。其次借助于其代碼量少，占用cpu和內存量小的優(yōu)點，使得它的執(zhí)行率非常高。最后，Spring配置HikariCP和druid基本沒什么區(qū)別，遷移過來非常方便，這些都是為什么HikariCP目前如此受歡迎的原因。

字節(jié)碼精簡、優(yōu)化代理和攔截器、自定義數(shù)組類型。

四、HikariCP 核心源碼解析

4.1 FastList 是如何優(yōu)化性能問題的 首先我們來看一下執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作規(guī)范化的操作步驟：

• 通過數(shù)據(jù)源獲取一個數(shù)據(jù)庫連接；
• 創(chuàng)建 Statement；
• 執(zhí)行 SQL；
• 通過 ResultSet 獲取 SQL 執(zhí)行結果；
• 釋放 ResultSet；
• 釋放 Statement；
• 釋放數(shù)據(jù)庫連接。

當前所有數(shù)據(jù)庫連接池都是嚴格地根據(jù)這個順序來進行數(shù)據(jù)庫操作的，為了防止最后的釋放操作，各類數(shù)據(jù)庫連接池都會把創(chuàng)建的 Statement 保存在數(shù)組 ArrayList 里，來保證當關閉連接的時候，可以依次將數(shù)組中的所有 Statement 關閉。HiKariCP 在處理這一步驟中，認為 ArrayList 的某些方法操作存在優(yōu)化空間，因此對List接口的精簡實現(xiàn)，針對List接口中核心的幾個方法進行優(yōu)化，其他部分與ArrayList基本一致 。

首先是get()方法，ArrayList每次調用get()方法時都會進行rangeCheck檢查索引是否越界，F(xiàn)astList的實現(xiàn)中去除了這一檢查，是因為數(shù)據(jù)庫連接池滿足索引的合法性，能保證不會越界，此時rangeCheck就屬于無效的計算開銷，所以不用每次都進行越界檢查。省去頻繁的無效操作，可以明顯地減少性能消耗。

FastList get()操作

public T get(int index)
{
   // ArrayList 在此多了范圍檢測 rangeCheck(index);
   return elementData[index];
}

其次是remove方法，當通過 conn.createStatement() 創(chuàng)建一個 Statement 時，需要調用 ArrayList 的 add() 方法加入到 ArrayList 中，這個是沒有問題的；但是當通過 stmt.close() 關閉 Statement 的時候，需要調用 ArrayList 的 remove() 方法來將其從 ArrayList 中刪除，而ArrayList的remove(Object)方法是從頭開始遍歷數(shù)組，而FastList是從數(shù)組的尾部開始遍歷，因此更為高效。假設一個 Connection 依次創(chuàng)建 6 個 Statement，分別是 S1、S2、S3、S4、S5、S6，而關閉 Statement 的順序一般都是逆序的，從S6 到 S1，而 ArrayList 的 remove(Object o) 方法是順序遍歷查找，逆序刪除而順序查找，這樣的查找效率就太慢了。因此FastList對其進行優(yōu)化，改成了逆序查找。如下代碼為FastList 實現(xiàn)的數(shù)據(jù)移除操作，相比于ArrayList的 remove()代碼， FastList 去除了檢查范圍 和 從頭到尾遍歷檢查元素的步驟，其性能更快。

public boolean remove(Object element)
{
   // 刪除操作使用逆序查找
   for (int index = size - 1; index >= 0; index--) {
      if (element == elementData[index]) {
         final int numMoved = size - index - 1;
         // 如果角標不是最后一個，復制一個新的數(shù)組結構
         if (numMoved > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
         }
         //如果角標是最后面的 直接初始化為null
         elementData[--size] = null;
         return true;
      }
   }
   return false;
}

通過上述源碼分析，F(xiàn)astList 的優(yōu)化點還是很簡單的。相比ArrayList僅僅是去掉了rage檢查，擴容優(yōu)化等細節(jié)處，刪除時數(shù)組從后往前遍歷查找元素等微小的調整，從而追求性能極致。當然FastList 對于 ArrayList 的優(yōu)化，我們不能說ArrayList不好。所謂定位不同、追求不同，ArrayList作為通用容器，更追求安全、穩(wěn)定，操作前rangeCheck檢查，對非法請求直接拋出異常，更符合 fail-fast(快速失敗)機制，而FastList追求的是性能極致。

下面我們再來聊聊 HiKariCP 中的另外一個數(shù)據(jù)結構 ConcurrentBag，看看它又是如何提升性能的。

4.2 ConcurrentBag 實現(xiàn)原理分析

當前主流數(shù)據(jù)庫連接池實現(xiàn)方式，大都用兩個阻塞隊列來實現(xiàn)。一個用于保存空閑數(shù)據(jù)庫連接的隊列 idle，另一個用于保存忙碌數(shù)據(jù)庫連接的隊列 busy；獲取連接時將空閑的數(shù)據(jù)庫連接從 idle 隊列移動到 busy 隊列，而關閉連接時將數(shù)據(jù)庫連接從 busy 移動到 idle。這種方案將并發(fā)問題委托給了阻塞隊列，實現(xiàn)簡單，但是性能并不是很理想。因為 Java SDK 中的阻塞隊列是用鎖實現(xiàn)的，而高并發(fā)場景下鎖的爭用對性能影響很大。

HiKariCP 并沒有使用 Java SDK 中的阻塞隊列，而是自己實現(xiàn)了一個叫做 ConcurrentBag 的并發(fā)容器，在連接池（多線程數(shù)據(jù)交互）的實現(xiàn)上具有比LinkedBlockingQueue和LinkedTransferQueue更優(yōu)越的性能。

ConcurrentBag 中最關鍵的屬性有 4 個，分別是：用于存儲所有的數(shù)據(jù)庫連接的共享隊列 sharedList、線程本地存儲 threadList、等待數(shù)據(jù)庫連接的線程數(shù) waiters 以及分配數(shù)據(jù)庫連接的工具 handoffQueue。其中，handoffQueue 用的是 Java SDK 提供的 SynchronousQueue，SynchronousQueue 主要用于線程之間傳遞數(shù)據(jù)。

ConcurrentBag 中的關鍵屬性

// 存放共享元素，用于存儲所有的數(shù)據(jù)庫連接
private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
// 在 ThreadLocal 緩存線程本地的數(shù)據(jù)庫連接，避免線程爭用
private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
// 等待數(shù)據(jù)庫連接的線程數(shù)
private final AtomicInteger waiters;
// 接力隊列，用來分配數(shù)據(jù)庫連接
private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;

ConcurrentBag 保證了全部的資源均只能通過 add() 方法進行添加，當線程池創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)庫連接時，通過調用 ConcurrentBag 的 add() 方法加入到 ConcurrentBag 中，并通過 remove() 方法進行移出。下面是 add() 方法和 remove() 方法的具體實現(xiàn)，添加時實現(xiàn)了將這個連接加入到共享隊列 sharedList 中，如果此時有線程在等待數(shù)據(jù)庫連接，那么就通過 handoffQueue 將這個連接分配給等待的線程。

public void add(final T bagEntry)
{
   if (closed) {
      LOGGER.info("ConcurrentBag has been closed, ignoring add()");
      throw new IllegalStateException("ConcurrentBag has been closed, ignoring add()");
   }
   // 新添加的資源優(yōu)先放入sharedList
   sharedList.add(bagEntry);
   // 當有等待資源的線程時，將資源交到等待線程 handoffQueue 后才返回
   while (waiters.get() > 0 && bagEntry.getState() == STATE_NOT_IN_USE && !handoffQueue.offer(bagEntry)) {
      yield();
   }
}
public boolean remove(final T bagEntry)
{
   // 如果資源正在使用且無法進行狀態(tài)切換，則返回失敗
   if (!bagEntry.compareAndSet(STATE_IN_USE, STATE_REMOVED) && !bagEntry.compareAndSet(STATE_RESERVED, STATE_REMOVED) && !closed) {
      LOGGER.warn("Attempt to remove an object from the bag that was not borrowed or reserved: {}", bagEntry);
      return false;
   }
   // 從sharedList中移出
   final boolean removed = sharedList.remove(bagEntry);
   if (!removed && !closed) {
      LOGGER.warn("Attempt to remove an object from the bag that does not exist: {}", bagEntry);
   }
   return removed;
}

同時ConcurrentBag通過提供的 borrow() 方法來獲取一個空閑的數(shù)據(jù)庫連接，并通過requite()方法進行資源回收，borrow() 的主要邏輯是：

查看線程本地存儲 threadList 中是否有空閑連接，如果有，則返回一個空閑的連接；如果線程本地存儲中無空閑連接，則從共享隊列 sharedList 中獲取；如果共享隊列中也沒有空閑的連接，則請求線程需要等待。ConcurrentBag 的 borrow() 與 requite() 方法

// 該方法會從連接池中獲取連接, 如果沒有連接可用, 會一直等待timeout超時
public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException
{
   // 首先查看線程本地資源threadList是否有空閑連接
   final List<Object> list = threadList.get();
   // 從后往前反向遍歷是有好處的, 因為最后一次使用的連接, 空閑的可能性比較大, 之前的連接可能會被其他線程提前借走了
   for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
      final Object entry = list.remove(i);
      @SuppressWarnings("unchecked")
      final T bagEntry = weakThreadLocals ? ((WeakReference<T>) entry).get() : (T) entry;
      // 線程本地存儲中的連接也可以被竊取， 所以需要用CAS方法防止重復分配
      if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
         return bagEntry;
      }
   }
   // 當無可用本地化資源時，遍歷全部資源，查看可用資源，并用CAS方法防止資源被重復分配
   final int waiting = waiters.incrementAndGet();
   try {
      for (T bagEntry : sharedList) {
         if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
            // 因為可能“搶走”了其他線程的資源，因此提醒包裹進行資源添加
            if (waiting > 1) {
               listener.addBagItem(waiting - 1);
            }
            return bagEntry;
         }
      }
      listener.addBagItem(waiting);
      timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
      do {
         final long start = currentTime();
         // 當現(xiàn)有全部資源都在使用中時，等待一個被釋放的資源或者一個新資源
         final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
         if (bagEntry == null || bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
            return bagEntry;
         }
         timeout -= elapsedNanos(start);
      } while (timeout > 10_000);
      return null;
   }
   finally {
      waiters.decrementAndGet();
   }
}
public void requite(final T bagEntry)
{
   // 將資源狀態(tài)轉為未在使用
   bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
   // 判斷是否存在等待線程，若存在，則直接轉手資源
   for (int i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
      if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE || handoffQueue.offer(bagEntry)) {
         return;
      }
      else if ((i & 0xff) == 0xff) {
         parkNanos(MICROSECONDS.toNanos(10));
      }
      else {
         yield();
      }
   }
   // 否則，進行資源本地化處理
   final List<Object> threadLocalList = threadList.get();
   if (threadLocalList.size() < 50) {
      threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
   }
}

borrow() 方法可以說是整個 HikariCP 中最核心的方法，它是我們從連接池中獲取連接的時候最終會調用到的方法。需要注意的是 borrow() 方法只提供對象引用，不移除對象，因此使用時必須通過 requite() 方法進行放回，否則容易導致內存泄露。requite() 方法首先將數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)改為未使用，之后查看是否存在等待線程，如果有則分配給等待線程；否則將該數(shù)據(jù)庫連接保存到線程本地存儲里。

ConcurrentBag 實現(xiàn)采用了queue-stealing的機制獲取元素：首先嘗試從ThreadLocal中獲取屬于當前線程的元素來避免鎖競爭，如果沒有可用元素則再次從共享的CopyOnWriteArrayList中獲取。此外，ThreadLocal和CopyOnWriteArrayList在ConcurrentBag中都是成員變量，線程間不共享，避免了偽共享(false sharing)的發(fā)生。同時因為線程本地存儲中的連接是可以被其他線程竊取的，在共享隊列中獲取空閑連接，所以需要用 CAS 方法防止重復分配。 

五、總結

Hikari 作為 SpringBoot2.0默認的連接池，目前在行業(yè)內使用范圍非常廣，對于大部分業(yè)務來說，都可以實現(xiàn)快速接入使用，做到高效連接。

參考資料 

https://github.com/brettwooldridge/HikariCP

https://github.com/alibaba/druid

到此這篇關于Spring Boot 配置 Hikari 數(shù)據(jù)庫連接池的文章就介紹到這了,更多相關Spring Boot 配置 Hikari 連接池內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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