JDBC数据库连接池的实现及原理

1.前言
数据库应用，在许多软件系统中经常用到，是开发中大型系统不可缺少的辅助。但如果对数据库资源没有很好地管理(如：没有及时回收数据库的游标(ResultSet)、Statement、连接 (Connection)等资源)，往往会直接导致系统的稳定。这类不稳定因素，不单单由数据库或者系统本身一方引起，只有系统正式使用后，随着流量、用户的增加，才会逐步显露。
在基于Java开发的系统中，JDBC是程序员和数据库打交道的主要途径，提供了完备的数据库操作方法接口。但考虑到规范的适用性，JDBC只提供了最直接的数据库操作规范，对数据库资源管理，如：对物理连接的管理及缓冲，期望第三方应用服务器(Application Server)的提供。
本文，以JDBC规范为基础，介绍相关的数据库连接池机制，并就如果以简单的方式，实现有效地管理数据库资源介绍相关实现技术。

2.连接池技术背景
2.1 JDBC
JDBC是一个规范，遵循JDBC接口规范，各个数据库厂家各自实现自己的驱动程序(Driver)，如下图所示:

 

应用在获取数据库连接时，需要以URL的方式指定是那种类型的Driver，在获得特定的连接后，可按照固定的接口操作不同类型的数据库，如: 分别获取Statement、执行SQL获得ResultSet等，如下面的例子 :

import java.sql.*;
…
DriverManager.registerDriver(new oracle.jdbc.driver.OracleDriver());
Connection dbConn = DriverManager.getConnection("jdbc:oracle:thin:@127.0.0.1:1521:oracle","username","password");
Statement st = dbConn.createStatement();
ResultSet rs = st.executeQuery("select * from demo_table");

…some data source operation in here

rs.close();
st.close();
dbConn.close();

在完成数据操作后，还一定要关闭所有涉及到的数据库资源。这虽然对应用程序的逻辑没有任何影响，但是关键的操作。上面是个简单的例子，如果搀和众多的if-else、exception，资源的管理也难免百密一疏。如同C中的内存泄漏问题，Java系统也同样会面临崩溃的恶运。所以数据库资源的管理依赖于应用系统本身，是不安全、不稳定的一种隐患。

2.2 JDBC连接池
在标准JDBC对应用的接口中，并没有提供资源的管理方法。所以，缺省的资源管理由应用自己负责。虽然在JDBC规范中，多次提及资源的关闭/回收及其他的合理运用。但最稳妥的方式，还是为应用提供有效的管理手段。所以，JDBC为第三方应用服务器（Application Server）提供了一个由数据库厂家实现的管理标准接口：连接缓冲(connection pooling)。引入了连接池( Connection Pool )的概念 ，也就是以缓冲池的机制管理数据库的资源。

JDBC最常用的资源有三类:
— Connection: 数据库连接。
— Statement: 会话声明。
— ResultSet: 结果集游标。

分别存在以下的关系 ：

这是一种“爷—父—子”的关系，对Connection的管理，就是对数据库资源的管理。举个例子: 如果想确定某个数据库连接(Connection)是否超时，则需要确定其（所有的）子Statement是否超时，同样，需要确定所有相关的 ResultSet是否超时；在关闭Connection前，需要关闭所有相关的Statement和ResultSet。
因此，连接池(Connection Pool)所起到的作用，不仅仅简单地管理Connection，还涉及到 Statement和ResultSet。

2.3 连接池(ConnectionPool)与资源管理
ConnectionPool以缓冲池的机制，在一定数量上限范围内，控制管理Connection，Statement和ResultSet。任何数据库的资源是有限的，如果被耗尽，则无法获得更多的数据服务。
在大多数情况下，资源的耗尽不是由于应用的正常负载过高，而是程序原因。
在实际工作中，数据资源往往是瓶颈资源，不同的应用都会访问同一数据源。其中某个应用耗尽了数据库资源后，意味其他的应用也无法正常运行。因此，ConnectionPool的第一个任务是限制：每个应用或系统可以拥有的最大资源。也就是确定连接池的大小(PoolSize)。
ConnectionPool的第二个任务：在连接池的大小(PoolSize)范围内，最大限度地使用资源，缩短数据库访问的使用周期。许多数据库中，连接（Connection）并不是资源的最小单元，控制Statement资源比Connection更重要。以Oracle为例：
每申请一个连接（Connection）会在物理网络（如 TCP/IP网络）上建立一个用于通讯的连接，在此连接上还可以申请一定数量的Statement。同一连接可提供的活跃Statement数量可以达到几百。在节约网络资源的同时，缩短了每次会话周期（物理连接的建立是个费时的操作）。但在一般的应用中，多数按照2.1范例操作，这样有10个程序调用，则会产生10次物理连接，每个Statement单独占用一个物理连接，这是极大的资源浪费。 ConnectionPool可以解决这个问题，让几十、几百个Statement只占用同一个物理连接， 发挥数据库原有的优点。
通过ConnectionPool对资源的有效管理，应用可以获得的Statement总数到达 ：

（并发物理连接数）×（每个连接可提供的Statement数量）

例如某种数据库可同时建立的物理连接数为 200个，每个连接可同时提供250个Statement，那么ConnectionPool最终为应用提供的并发Statement总数为: 200 × 250 = 50,000个。这是个并发数字，很少有系统会突破这个量级。所以在本节的开始，指出资源的耗尽与应用程序直接管理有关。
对资源的优化管理，很大程度上依靠数据库自身的JDBC Driver是否具备。有些数据库的JDBC Driver并不支持Connection与Statement之间的逻辑连接功能，如SQLServer，我们只能等待她自身的更新版本了。
对资源的申请、释放、回收、共享和同步，这些管理是复杂精密的。所以，ConnectionPool另一个功能就是，封装这些操作，为应用提供简单的，甚至是不改变应用风格的调用接口。

3.简单JDBC连接池的实现
根据第二章中原理机制，Snap-ConnectionPool（一种简单快速的连接池工具，可在www.snapbug.net下载）按照部分的JDBC规范，实现了连接池所具备的对数据库资源有效管理功能。
3.1 体系描述
在JDBC规范中，应用通过驱动接口（Driver Interface）直接方法数据库的资源。为了有效、合理地管理资源，在应用与JDBC Driver之间，增加了连接池: Snap-ConnectionPool。并且通过面向对象的机制，使连接池的大部分操作是透明的。参见下图，Snap-ConnectionPool的体系：

 

图中所示，通过实现JDBC的部分资源对象接口( Connection, Statement, ResultSet )，在 Snap-ConnectionPool内部分别产生三种逻辑资源对象: PooledConnection, PooledStatement和 PooledResultSet。它们也是连接池主要的管理操作对象，并且继承了JDBC中相应的从属关系。这样的体系有以下几个特点：
— 透明性。在不改变应用原有的使用JDBC驱动接口的前提下，提供资源管理的服务。应用系统，如同原有的 JDBC，使用连接池提供的逻辑对象资源。简化了应用程序的连接池改造。
— 资源封装。复杂的资源管理被封装在 Snap-ConnectionPool内部，不需要应用系统过多的干涉。管理操作的可靠性、安全性由连接池保证。应用的干涉（如：主动关闭资源），只起到优化系统性能的作用，遗漏操作不会带来负面影响。
— 资源合理应用。按照JDBC中资源的从属关系，Snap-ConnectionPool不仅对Connection进行缓冲处理，对Statement也有相应的机制处理。在2.3已描述，合理运用Connection和Statement之间的关系，可以更大限度地使用资源。所以，Snap- ConnectionPool封装了Connection资源，通过内部管理PooledConnection，为应用系统提供更多的Statement 资源。
— 资源连锁管理。Snap-ConnectionPool包含的三种逻辑对象，继承了JDBC中相应对象之间的从属关系。在内部管理中，也依照从属关系进行连锁管理。例如：判断一个Connection是否超时，需要根据所包含的Statement是否活跃；判断Statement也要根据 ResultSet的活跃程度。

3.2 连接池集中管理ConnectionManager
ConnectionPool是Snap-ConnectionPool的连接池对象。在Snap-ConnectionPool内部，可以指定多个不同的连接池(ConnectionPool)为应用服务。ConnectionManager管理所有的连接池，每个连接池以不同的名称区别。通过配置文件适应不同的数据库种类。如下图所示：

 

　　通过ConnectionManager，可以同时管理多个不同的连接池，提供通一的管理界面。在应用系统中通过 ConnectionManager和相关的配置文件，可以将凌乱散落在各自应用程序中的数据库配置信息（包括：数据库名、用户、密码等信息），集中在一个文件中。便于系统的维护工作。

　　3.3 连接池使用范例

　　对2.1的标准JDBC的使用范例，改为使用连接池，结果如下：

import java.sql.*;
import net.snapbug.util.dbtool.*;
…
..ConnectionPool dbConn = ConnectionManager
.getConnectionPool("testOracle" );
Statement st = dbConn.createStatement();
ResultSet rs = st.executeQuery(
“select * from demo_table” );
…
some data source operation
in herers.close();st.close();

　　在例子中，Snap-ConnectionPool封装了应用对Connection的管理。只要改变JDBC获取Connection的方法，为获取连接池(ConnectionPool)(粗体部分)，其他的数据操作都可以不做修改。按照这样的方式，Snap- ConnectionPool可帮助应用有效地管理数据库资源。如果应用忽视了最后资源的释放: rs.close() 和 st.close()，连接池会通过超时(time-out)机制，自动回收。

　　4.小结

　　无论是Snap-ConnectionPool还是其他的数据库连接池，都应当具备一下基本功能：

　　-对源数据库资源的保护

　　-充分利用发挥数据库的有效资源

　　-简化应用的数据库接口，封闭资源管理。

　　-对应用遗留资源的自动回收和整理，提高资源的再次利用率。

　　在这个前提下，应用程序才能投入更多的精力于各自的业务逻辑中。数据库资源也不再成为系统的瓶颈