HiKariCPコンポーネントに基づいて、接続プールの原理を分析します

池で育った：接続;

1.設計と原則

1.基本的なケース

SpringBoot2フレームワークのデフォルトの接続プールとして、HiKariCPは最速の接続プールとして知られています。前の2つの記事で説明したデータベース接続プールとスレッドプールおよびオブジェクトプールは、設計の観点からプールするという考えに基づいています。ただし、実装されているだけです。メソッドには独自の特性があります。まず、HiKariCPの基本的な使用例を見てみましょう。

import com.zaxxer.hikari.HikariConfig;
import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import java.sql.Connection;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.Statement;

public class ConPool {
    private static HikariConfig buildConfig (){
        HikariConfig hikariConfig = new HikariConfig() ;
        // 基础配置
        hikariConfig.setJdbcUrl("jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/junit_test?characterEncoding=utf8");
        hikariConfig.setUsername("root");
        hikariConfig.setPassword("123456");
        // 连接池配置
        hikariConfig.setPoolName("dev-hikari-pool");
        hikariConfig.setMinimumIdle(4);
        hikariConfig.setMaximumPoolSize(8);
        hikariConfig.setIdleTimeout(600000L);
        return hikariConfig ;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 构建数据源
        HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(buildConfig()) ;
        // 获取连接
        Connection connection = dataSource.getConnection() ;
        // 声明SQL执行
        Statement statement = connection.createStatement();
        ResultSet resultSet = statement.executeQuery("SELECT count(1) num FROM jt_activity") ;
        // 输出执行结果
        if (resultSet.next()) {
            System.out.println("query-count-result："+resultSet.getInt("num"));
        }
    }
}
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2.コア関連クラス

• HikariDataSourceクラス：構成、接続プール、接続オブジェクト、状態管理など、データソースの説明に関連する情報を収集します。
• HikariConfigクラス：データソースの構成管理、およびuserName、passWord、minIdle、maxPoolSizeなどのパラメーター検証を維持します。
• HikariPoolクラス：接続プールとプール内のオブジェクト管理のコア機能を提供し、プール関連の監視データのクエリメソッドを実装します。
• ConcurrentBagクラス：従来のプールでコンテナーとして使用されていたブロッキングキューを破棄し、接続オブジェクトを格納するために並行コンテナーをカスタマイズします。
• PoolEntryクラス：ステータス、時間などの接続オブジェクトの情報を拡張して、コンテナー内のこれらのインスタンス化されたオブジェクトの追跡を容易にします。

接続プール内のいくつかのコアクラスを分析することで、ソースコードの設計原理も直感的に理解できます。これは、前の記事で要約したオブジェクトプールアプリケーションに似ていますが、さまざまなコンポーネントがさまざまな開発者によって実装されている場合、それぞれ独自の抽象的なロジックがあります。

3.ロードロジック

データソースの説明は構成情報を介して構築され、接続プールは構築メソッドの構成に基づいてインスタンス化されます。HikariPoolの構築では、ConcurrentBagコンテナオブジェクトがインスタンス化されます。実装の詳細はソースコードレベルから分析されます。下。

2.コンテナ分析

1.コンテナ構造

コンテナConcurrentBagクラスは、PoolEntryタイプの接続オブジェクトストレージ、および基本的な要素管理機能、オブジェクト状態の説明を提供します。これはHikariPoolオブジェクトプールクラスによって保持されますが、実際の操作ロジックはこのクラスにあります。

1.1基本的なプロパティ

其中最为核心的是sharedList共享集合、threadList线程级缓存、handoffQueue即时队列；

// 共享对象集合，存放数据库连接
private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
// 缓存线程级连接对象，会被优先使用，避免被争抢
private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
// 等待获取连接的线程数
private final AtomicInteger waiters;
// 标记是否关闭
private volatile boolean closed;
// 即时处理连接的队列，当有等待线程时，通过该队列将连接分配给等待线程
private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;
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1.2 状态描述

在ConcurrentBag类中的IConcurrentBagEntry内部接口，被PoolEntry类实现，该接口定义连接对象的状态：

• STATE_NOT_IN_USE：未使用，即闲置中；
• STATE_IN_USE：使用中；
• STATE_REMOVED：被废弃；
• STATE_RESERVED：保留态，中间状态，用于尝试驱逐连接对象时；

2、包装对象

容器的基本能力是用来存储连接对象的，而对象的管理则需要很多扩展的跟踪信息，以有效的完成各种场景下的识别，此时就需要借助包装类的引入；

// 业务真正使用的连接对象
Connection connection;
// 最近访问时间
long lastAccessed;
// 最近借出时间
long lastBorrowed;
// 状态描述
private volatile int state = 0;
// 是否驱逐
private volatile boolean evict;
// 生命周期结束时的调度任务
private volatile ScheduledFuture<?> endOfLife;
// 连接生成的Statement对象
private final FastList<Statement> openStatements;
// 池对象
private final HikariPool hikariPool;
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这里需要注意FastList类实现List接口，为HiKariCP组件自定义，相比ArrayList类，出于对性能的追求，在元素的管理时，去掉诸多的范围校验。

三、对象管理

基于连接池的常规用法，来看看连接对象具体是如何管理，比如被借出，被释放，被废弃等，以及这些操作下对象的状态转换过程；

1、初始化

上文加载逻辑的描述中，已经提到在构建数据源的时候，会根据配置实例化连接池，在初始化的时候，基于两个核心切入点来分析源码：1.实例化多少连接对象、2.连接对象转换包装对象；

在连接池的构造中执行了checkFailFast方法，在该方法内执行MinIdle最小空闲数的判断，如果大于0，则创建一个包装对象并放入容器中；

public HikariPool(final HikariConfig config) ;
private void checkFailFast() {
    final PoolEntry poolEntry = createPoolEntry();
    if (config.getMinimumIdle() > 0) {
        connectionBag.add(poolEntry);
    }
}
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需要注意两个问题，创建的连接包装对象，初始状态是0即闲置中；另外虽然案例中设置MinIdle=4的值，但是这里的判断大于0，也只在容器中预先放入一个空闲对象；

2、借用对象

从池中获取连接对象时，实际调用的是容器类中的borrow方法：

public Connection HikariPool.getConnection(final long hardTimeout) throws SQLException ;
public T ConcurrentBag.borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException ;
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在执行borrow方法时，涉及如下几个核心步骤与逻辑：

public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException
{
    // 遍历本地线程缓存
    final List<Object> list = threadList.get();
    for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
       final Object entry = list.remove(i);
       final T bagEntry = weakThreadLocals ? ((WeakReference<T>) entry).get() : (T) entry;
       if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) { }
    }
    // 增加等待线程数
    final int waiting = waiters.incrementAndGet();
    try {
        // 遍历Shared共享集合
        for (T bagEntry : sharedList) {
           if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) { }
        }
        // 一定时间内轮询handoff队列
        listener.addBagItem(waiting);
        timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
        do {
           final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
        } 
    } finally {
        // 减少等待线程数
       waiters.decrementAndGet();
    }
}
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• 首先反向遍历本地线程缓存，如果存在空闲连接，则返回该对象；如果没有则寻找共享集合；
• 遍历Shared共享集合前，会标记等待线程数加1，如果存在空闲连接则直接返回；
• 当Shared共享集合中也没有空闲连接时，这时当前线程进行一定时间的handoffQueue队列轮询，可能会有资源的释放，也可能是新添加的资源；

注意这里在遍历集合时，取出的对象都会对状态进行判断和更新，如果得到空闲对象，会更新为IN_USE状态，然后返回；

3、释放对象

从池中释放连接对象时，实际调用的是容器类中的requite方法：

void HikariPool.recycle(final PoolEntry poolEntry) ;
public void ConcurrentBag.requite(final T bagEntry) ;
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在释放连接对象时，首先更新对象状态为空闲，然后判断当前是否有等待的线程，在borrow方法中等待线程会进入一定时间的轮询，如果没有的话则把对象放入本地线程缓存中：

public void requite(final T bagEntry) {
    // 更新状态
    bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
    // 等待线程判断
    for (int i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
        if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE || handoffQueue.offer(bagEntry)) { }
    }
    // 本地线程缓存
    final List<Object> threadLocalList = threadList.get();
    if (threadLocalList.size() < 50) {
        threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
    }
}
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注意这里涉及到连接对象的状态从使用中转为NOT_IN_USE空闲；borrow与requite作为连接池中两个核心方法，负责资源创建与回收；

最后本篇文章并没有站在HiKariCP组件的整体设计上构思，只是分析连接池这冰山一角，尽管只是部分源码，但是已经足够彰显出作者对于性能的极致追求，比如：本地线程缓存、自定义容器类型、FastList等；能被普遍采用必然存在诸多支撑的理由。

四、参考源码

应用仓库：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent

组件封装：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-frame-parent
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