基于代理的Java 數(shù)據(jù)庫連接池設(shè)計研究

楊 鑫

（長春職工大學(xué) 吉林 長春 130000）

0 引言

在當(dāng)今的軟件開發(fā)世界中，數(shù)據(jù)庫連接池是一種常見的工具，用于管理數(shù)據(jù)庫連接，以優(yōu)化性能并減少資源浪費(fèi)。 然而，在代理模式下設(shè)計Java 數(shù)據(jù)庫連接池時，需要考慮許多額外的因素。 首先，代理模式是一種設(shè)計模式，它允許通過對象的一個接口來控制該對象的訪問［1］。 在Java 數(shù)據(jù)庫連接池設(shè)計中，代理模式可以用來隱藏數(shù)據(jù)庫連接的細(xì)節(jié)，并提供一個統(tǒng)一的接口給應(yīng)用程序使用。 其次，Java 數(shù)據(jù)庫連接池的設(shè)計需要考慮連接的創(chuàng)建、管理和關(guān)閉。 創(chuàng)建連接時，需要考慮數(shù)據(jù)庫的位置、類型和配置。 再次，Java 數(shù)據(jù)庫連接池的設(shè)計還需要考慮線程安全［2］。 在多線程環(huán)境下，連接池需要保證同時為多個線程提供服務(wù)，且不能出現(xiàn)線程安全問題。 最后，代理模式下的Java 數(shù)據(jù)庫連接池設(shè)計還需要考慮代理對象的創(chuàng)建和管理。 代理對象應(yīng)該能夠控制對數(shù)據(jù)庫連接的訪問，并提供給應(yīng)用程序一個方便使用的接口。 Java 數(shù)據(jù)庫連接（Java database connectivity， JDBC）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫的交互，通過連接訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，但該方法消耗時間長，存在系統(tǒng)性能瓶頸。 基于代理的Java 數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)，能夠確保數(shù)據(jù)庫連接得到高效復(fù)用，提升系統(tǒng)性能。

1 基于代理Java 數(shù)據(jù)庫的訪問機(jī)制

數(shù)據(jù)庫訪問是現(xiàn)代企業(yè)級應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，使用代理模式進(jìn)行Java 數(shù)據(jù)庫訪問，有助于實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的同時，有效地隔離上層業(yè)務(wù)代碼與底層數(shù)據(jù)庫訪問的復(fù)雜性。這種機(jī)制的核心思想是將數(shù)據(jù)庫訪問封裝在代理類中，使業(yè)務(wù)代碼只需要與代理類進(jìn)行交互，而無需直接處理數(shù)據(jù)庫連接和結(jié)構(gòu)化查詢語言（structured query language，SQL）語句，基于代理Java 數(shù)據(jù)庫的訪問機(jī)制如圖1 所示。 作為Java 應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的連接橋梁，JDBC 提供了面向開發(fā)人員與底層JDBC 驅(qū)動程序的應(yīng)用程序接口，底層采用了直接JDBC 驅(qū)動程序與開放數(shù)據(jù)庫互連（open database connectivity，ODBC）橋驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的有效連接［3］。 數(shù)據(jù)庫的訪問通常涉及數(shù)據(jù)庫建立、利用SQL 語句操作數(shù)據(jù)庫、斷開數(shù)據(jù)庫連接。

圖1 基于代理Java 數(shù)據(jù)庫的訪問機(jī)制

一般應(yīng)用系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫頻率低，因此采用常規(guī)的數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制便能夠滿足需求。 但Web 應(yīng)用系統(tǒng)擁有龐大的用戶量，數(shù)據(jù)庫訪問頻率高，需要頻繁與數(shù)據(jù)庫建立連接或關(guān)閉，導(dǎo)致處理器消耗時間過長，影響系統(tǒng)性能，且當(dāng)連接數(shù)目達(dá)到一定量，容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題，引起系統(tǒng)癱瘓。 采用連接池技術(shù)則能夠?qū)ι鲜鰡栴}予以解決。在代理類中，可以通過連接池來獲取數(shù)據(jù)庫連接。 當(dāng)業(yè)務(wù)代碼調(diào)用代理類的方法時，代理類會首先檢查連接池中是否有可用的連接。 若有則直接使用；若無則會向連接池申請一個新的連接，這樣可以有效地復(fù)用數(shù)據(jù)庫連接［4］。 在執(zhí)行SQL 語句時，代理類可以使用預(yù)編譯語句來提高性能。 預(yù)編譯語句可以一次性編譯SQL 語句，然后多次執(zhí)行，這不僅可以提高執(zhí)行效率，還可以有效防止SQL 注入攻擊。 此外，代理類還可以提供日志和異常處理功能，通過日志可以方便地追蹤和調(diào)試問題，處理各種可能的錯誤情況，提高系統(tǒng)性能。

2 連接池的工作原理

連接池是數(shù)據(jù)庫連接管理的重要技術(shù)之一，它的工作原理基于預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫連接，并在需要時從連接池中獲取連接，使用完畢后再放回連接池中，這種技術(shù)可以有效地減少數(shù)據(jù)庫連接的創(chuàng)建和銷毀次數(shù)，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。 連接池工作原理涉及連接池建立、使用管理及關(guān)閉三個環(huán)節(jié)，具體如圖2 所示。

圖2 連接池工作原理示意圖

（1）連接池的創(chuàng)建。 在系統(tǒng)啟動時，連接池會預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫連接，這些連接的數(shù)量通常是根據(jù)系統(tǒng)的最大并發(fā)連接數(shù)來設(shè)置的。 連接池中的每個連接都是一個數(shù)據(jù)庫連接對象，可以用于與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信［5］。

（2）使用管理。 當(dāng)系統(tǒng)需要與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信時，會從連接池中獲取一個連接，連接池會根據(jù)一定的策略，如先入先出或最小活躍數(shù)等，來選擇一個可用的連接。 如果連接池中沒有可用的連接，則會創(chuàng)建一個新的連接。 一旦從連接池中獲取到連接，系統(tǒng)就可以使用該連接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。 在通信過程中，連接會保持打開狀態(tài)，直到通信結(jié)束。

（3）連接池的關(guān)閉。 當(dāng)系統(tǒng)使用完一個連接后，它會將該連接放回連接池中，而不是關(guān)閉它。 這樣做的好處是可以避免頻繁地創(chuàng)建和銷毀連接，從而減少系統(tǒng)的開銷和提高性能。 同時，如果系統(tǒng)在短時間內(nèi)需要再次使用數(shù)據(jù)庫連接，那么從連接池中獲取一個已經(jīng)存在的連接會比創(chuàng)建一個新的連接更快。

3 基于代理的Java 數(shù)據(jù)庫連接池設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 連接對象與代理的綁定

連接池要想實現(xiàn)對其中連接的獨(dú)占性控制，需要將每個連接對象綁定在動態(tài)代理商，并提供用于實現(xiàn)InvocationHandler 接口的實例對象。 研究人員需要定義一個數(shù)據(jù)庫連接代理類，這個類將負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫連接的創(chuàng)建、釋放和重用。 在該類中，研究人員可以使用Java 中的并發(fā)集合，如ConcurrentHashMap，來存儲連接對象及其相關(guān)信息。 接下來，研究人員需要實現(xiàn)連接代理的方法。 其中包括：（1）getConnection。 根據(jù)數(shù)據(jù)庫連接信息創(chuàng)建一個新的連接對象，并將其存儲在連接池中［6］。 如果連接池中已存在相同配置的連接， 則直接返回該連接。（2）releaseConnection。 將連接對象從連接池中移除，并關(guān)閉連接。 （3）borrowConnection。 從連接池中獲取一個可用的連接對象。 如果連接池為空，則等待直到有連接對象可用。 （4）returnConnection。 將使用的連接對象放回連接池中。 需要注意的是在創(chuàng)建新的連接對象時，需要對其進(jìn)行初始化，如設(shè)置自動提交、字符集等。 在獲取連接對象時，需要檢查該對象的狀態(tài)，如果對象已經(jīng)關(guān)閉或異常，則需要重新獲取新的連接對象。

3.2 連接池的構(gòu)建

本研究在普通連接池的構(gòu)造基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的連接池性能進(jìn)行優(yōu)化。 數(shù)據(jù)庫連接池的構(gòu)建，需要考慮用戶的使用習(xí)慣，通常在連接時需要按照規(guī)定的方法，且數(shù)據(jù)庫往往不能直接關(guān)閉，導(dǎo)致數(shù)據(jù)池在使用過程中存在不便。 基于此，研究創(chuàng)建了連接代理，并采用getFreeConnection 的方法返回接管類，攔截Close，然后建立一個新的Close 方法，用于未被接管的連接調(diào)用，可直接將數(shù)據(jù)庫關(guān)閉。 數(shù)據(jù)庫連接池應(yīng)維持正常連接狀態(tài)，若數(shù)據(jù)庫連接創(chuàng)建的資源得不到及時釋放，會對下一次數(shù)據(jù)連接的使用產(chǎn)生影響。 以SQL 2K 為例，由于一個連接無法同時完成多個Statement 創(chuàng)建，因此需要?dú)w還連接后釋放相應(yīng)的資源，以避免出現(xiàn)連接占線的情況。 同時可以為連接設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志，明確程序有無應(yīng)用CLose 方法。 數(shù)據(jù)庫連接池的構(gòu)建可采用內(nèi)部私有類或指定類，避免違例使用。 在用戶接口方面本研究采用靜態(tài)方法創(chuàng)建連接工廠，操作簡單且無任何限制，同時對連接參數(shù)、工廠參數(shù)作出了相應(yīng)的設(shè)置，以便連接池的順利運(yùn)行。

3.3 連接池的分配與釋放

連接池的分配是指將連接從連接池中取出并分配給需要使用數(shù)據(jù)庫連接的客戶端。 連接池的分配通常采用以下步驟：（1）客戶端向連接池發(fā)出連接請求；（2）連接池管理系統(tǒng)根據(jù)客戶端的請求，從連接池中取出一張連接并將其分配給客戶端；（3）客戶端通過獲得的連接與數(shù)據(jù)庫建立連接關(guān)系，并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問操作。 在連接池的分配過程中，為了確保分配的公平性和高效性，可以按照連接的優(yōu)先級進(jìn)行分配，優(yōu)先級高的連接先被取出；根據(jù)客戶端的請求量和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)載情況，將請求分配給不同的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；采用輪詢策略，按照一定順序循環(huán)分配連接，確保每個連接都被平等使用。 連接池的釋放是指將不再使用的數(shù)據(jù)庫連接歸還到連接池中，以供后續(xù)使用［7］。 客戶端完成數(shù)據(jù)訪問操作后，向連接池發(fā)出釋放連接的請求；連接池管理系統(tǒng)將該連接標(biāo)記為可用狀態(tài)，以供后續(xù)使用；如果連接池中的所有連接都被釋放，連接池管理系統(tǒng)可以關(guān)閉一些閑置的連接，以節(jié)省系統(tǒng)資源。 在客戶端釋放連接時，要確保該連接確實不再使用，避免出現(xiàn)“假釋放”的情況；連接池管理系統(tǒng)應(yīng)該能夠及時將釋放的連接標(biāo)記為可用狀態(tài)，以便其他客戶端可以迅速獲取到該連接。

3.4 連接池的配置

連接池的大小是指連接池中可用的數(shù)據(jù)庫連接數(shù)。 在確定連接池大小時，需要考慮系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)、系統(tǒng)的峰值并發(fā)用戶數(shù)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理能力。 通常情況下，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際需求和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理能力來確定連接池的大小。 如果系統(tǒng)需要處理大量的并發(fā)用戶，則應(yīng)該將連接池的大小設(shè)置得稍大一些，以確保系統(tǒng)可以處理高并發(fā)的情況。 連接池的連接數(shù)是每個連接池中實際使用的數(shù)據(jù)庫連接數(shù)。 在配置連接池的連接數(shù)時，需要考慮系統(tǒng)的負(fù)載情況和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理能力。 如果系統(tǒng)需要處理大量的請求，則應(yīng)該將連接池的連接數(shù)設(shè)置得稍大一些，以確保系統(tǒng)可以處理高負(fù)載的情況。 但是，如果連接池的連接數(shù)過大，則可能會浪費(fèi)系統(tǒng)資源，增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。 因此，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的連接數(shù)［8］。 在配置連接池的超時時間時，需要考慮系統(tǒng)的實際需求和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理能力。 除了上述主要的配置項外，還有一些其他的配置項也需要考慮。 例如，可以配置連接池的線程池大小、是否啟用空閑連接的檢測和清理、是否啟用數(shù)據(jù)庫連接的日志記錄等［9］。

3.5 連接池的實現(xiàn)

ConnectionPool，作為連接池的實現(xiàn)，通過統(tǒng)一管理和復(fù)用數(shù)據(jù)庫連接，為企業(yè)級應(yīng)用提供了高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫訪問方式。 如下為ConnectionPool 連接池的實現(xiàn)過程：

在這個實現(xiàn)中，ConnectionPool 類代表了數(shù)據(jù)庫連接池，它包含一個連接列表，用于存儲可用的連接。 在構(gòu)造函數(shù)中，它通過調(diào)用－initializePool（）方法初始化連接池，創(chuàng)建了初始的連接。 getConnection（）方法從連接池中獲取一個連接，如果連接池中沒有可用連接，且當(dāng)前連接數(shù)未超過最大連接數(shù)，則創(chuàng)建一個新連接。 如果連接池中沒有可用連接，且當(dāng)前連接數(shù)已達(dá)到最大連接數(shù)，則拋出一個異常。 releaseConnection（）方法將連接釋放回連接池。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)庫連接池的設(shè)計和管理對于提高應(yīng)用程序的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，基于代理的Java 模式的應(yīng)用，能夠幫助有效地管理和控制數(shù)據(jù)庫連接，減少資源浪費(fèi)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。 但仍有一些開放問題和研究方向值得研究人員進(jìn)一步探索。 例如，如何更有效地管理和監(jiān)控數(shù)據(jù)庫連接池中的連接，如何處理不同類型和規(guī)模的數(shù)據(jù)庫以及如何優(yōu)化代理模式的實現(xiàn)細(xì)節(jié)等，進(jìn)一步推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。