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源码详解系列(八) ------ 全面讲解hikari的使用和源码

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ZhangZiSheng001/hikari-demo

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简介

HikariCP是什么?

HikariCP 本质上就是一个数据库连接池。

HikariCP 解决了哪些问题?

创建和关闭数据库连接的开销很大,HikariCP 通过“池”来复用连接,减小开销。

为什么要使用 HikariCP?

  1. HikariCP 是目前最快的连接池。就连风靡一时的 boneCP 也停止维护,主动让位给它。SpringBoot 也把它设置为默认连接池。

  1. HikariCP 非常轻量。本文用到的 4.0.3 版本的 jar 包仅仅只有 156 KB,它的源码真的非常精炼。

本文要讲什么?

本文将包含以下内容(因为篇幅较长,可根据需要选择阅读):

  1. 如何使用 HikariCP(入门、JMX 等)
  2. 配置参数详解
  3. 源码分析

如何使用 HikariCP

需求

使用 HikariCP 获取连接对象,对用户数据进行简单的增删改查。

项目环境

JDK:1.8.0_231

maven:3.6.3

IDE:Spring Tool Suite 4.6.1.RELEASE

mysql-connector-java:8.0.15

mysql:5.7.28

Hikari:4.0.3

引入依赖

项目类型 Maven Project,打包方式 jar。

 		<!-- test -->
        <dependency>
            <groupId>junit</groupId>
            <artifactId>junit</artifactId>
            <version>4.12</version>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
        <!-- hikari -->
        <dependency>
            <groupId>com.zaxxer</groupId>
            <artifactId>HikariCP</artifactId>
            <version>4.0.3</version>
        </dependency>
        <!-- mysql驱动 -->
        <dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            <version>8.0.15</version>
        </dependency>
        <!-- log -->
        <dependency>
            <groupId>ch.qos.logback</groupId>
            <artifactId>logback-core</artifactId>
            <version>1.2.3</version>
            <type>jar</type>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>ch.qos.logback</groupId>
            <artifactId>logback-classic</artifactId>
            <version>1.2.3</version>
            <type>jar</type>
        </dependency>

编写 hikari.properties

本文使用配置文件的方式来配置 HikariCP,当然,我们也可以在代码中显式配置,但不提倡。因为是入门例子,这里我只给出了必需的参数,其他的参数后面会详细介绍。

jdbcUrl=jdbc:mysql://localhost:3306/github_demo?characterEncoding=utf8&serverTimezone=GMT%2B8
username=root
password=root

初始化连接池

初始化连接池时,我们可以在代码中显式指定配置文件,也可以通过启动参数配置。

// 加载配置文件,也可以无参构造并使用启动参数 hikaricp.configurationFile 指定配置文件(不推荐,后面会说原因)
HikariConfig config = new HikariConfig("/hikari2.properties");
HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(config);

初始化连接池之后,我们可以通过HikariDataSource.getConnection()方法获取连接对象,然后进行增删改查操作,这部分内容这里就不展示了。

如何使用 JMX 管理连接池

需求

开启 JMX 功能,并使用 jconsole 管理连接池。

开启JMX

在入门例子的基础上增加配置。这要设置 registerMbeans 为 true,JMX 功能就会开启。

#-------------JMX--------------------------------
# 是否开启 JMX
# 默认 false
registerMbeans=true

# 是否允许通过 JMX 挂起和恢复连接池
# 默认为 false
allowPoolSuspension=true

# 连接池名称。
# 默认自动生成
poolName=zzsCP

启动连接池

为了查看具体效果,这里让主线程进入睡眠 20 分钟。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        HikariConfig config = new HikariConfig("/hikaricp_base.properties");
        HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(config);
        Thread.sleep(20 * 60 * 1000);
        dataSource.close();
    }

使用jconsole查看

运行 main 方法,使用 JDK 的工具 jconsole 连接我们的项目,在 MBean 选项卡可以看到我们的连接池。接下里,我们可以进行这样的操作:

  1. 通过 PoolConfig 动态修改配置(只有部分参数允许修改);
  2. 通过 Pool 获取连接池的连接数(活跃、空闲和所有)、获取等待连接的线程数、挂起和恢复连接池、丢弃未使用连接等。

hikaricp_jmx

想了解更多 JMX 功能可以参考我的博客文章: 如何使用JMX来管理程序?

配置参数详解

相比其他连接池,HikariCP 的配置参数非常简单,其中有几个功能需要注意:

  1. HikariCP 借出连接时强制检查连接的活性,不像其他连接池一样可以选择不检查;
  2. 默认会检查 idleTimeout、maxLifetime,可以选择禁用,但不推荐;
  3. 默认不检查 keepaliveTime、leakDetectionThreshold,可以选择开启,推荐开启 leakDetectionThreshold 即可。

必需的参数

注意,这里 jdbcUrl 和 dataSourceClassName 二选一。

#-------------必需的参数--------------------------------
# JDBC 驱动中 DataSource 的实现类全限定类名。不支持 XA DataSource
# 如果指定, HikariCP 将使用 DataSouce.getConnection 获取连接而不是使用 DriverManager.getConnection,官方建议指定(mysql 除外)
# dataSourceClassName=

# 如果指定, HikariCP 将使用 DriverManager.getConnection 获取连接而不是使用 DataSouce.getConnection
jdbcUrl=jdbc:mysql://localhost:3306/github_demo?characterEncoding=utf8&serverTimezone=GMT%2B8

# 用户名和密码
username=root
password=root

常用的参数

# 从池中借出的连接是否默认自动提交事务
# 默认 true
autoCommit=true

# 当我从池中借出连接时,愿意等待多长时间。如果超时,将抛出 SQLException
# 默认 30000 ms,最小值 250 ms。支持 JMX 动态修改
connectionTimeout=30000

# 一个连接在池里闲置多久时会被抛弃
# 当 minimumIdle < maximumPoolSize 才生效
# 默认值 600000 ms,最小值为 10000 ms,0表示禁用该功能。支持 JMX 动态修改
idleTimeout=600000

# 多久检查一次连接的活性
# 检查时会先把连接从池中拿出来(空闲的话),然后调用isValid()或执行connectionTestQuery来校验活性,如果通过校验,则放回池里。
# 默认 0 (不启用),最小值为 30000 ms,必须小于 maxLifetime。支持 JMX 动态修改
keepaliveTime=0

# 当一个连接存活了足够久,HikariCP 将会在它空闲时把它抛弃
# 默认 1800000  ms,最小值为 30000 ms,0 表示禁用该功能。支持 JMX 动态修改
maxLifetime=1800000

# 用来检查连接活性的 sql,要求是一个查询语句,常用select 'x'
# 如果驱动支持 JDBC4.0,建议不设置,这时默认会调用  Connection.isValid() 来检查,该方式会更高效一些
# 默认为空
# connectionTestQuery=

# 池中至少要有多少空闲连接。
# 当空闲连接 < minimumIdle,总连接 < maximumPoolSize 时,将新增连接
# 默认等于 maximumPoolSize。支持 JMX 动态修改
minimumIdle=5

# 池中最多容纳多少连接(包括空闲的和在用的)
# 默认为 10。支持 JMX 动态修改
maximumPoolSize=10

# 用于记录连接池各项指标的 MetricRegistry 实现类
# 默认为空,只能通过代码设置
# metricRegistry=

# 用于报告连接池健康状态的 HealthCheckRegistry 实现类
# 默认为空,只能通过代码设置
# healthCheckRegistry=

# 连接池名称。
# 默认自动生成
poolName=zzsCP

很少用的参数

# 如果启动连接池时不能成功初始化连接,是否快速失败 TODO
# >0 时,会尝试获取连接。如果获取时间超过指定时长,不会开启连接池,并抛出异常
# =0 时,会尝试获取并验证连接。如果获取成功但验证失败则不开启池,但是如果获取失败还是会开启池
# <0 时,不管是否获取或校验成功都会开启池。
# 默认为 1
initializationFailTimeout=1

# 是否在事务中隔离 HikariCP 自己的查询。
# autoCommit 为 false 时才生效
# 默认 false
isolateInternalQueries=false

# 是否允许通过 JMX 挂起和恢复连接池
# 默认为 false
allowPoolSuspension=false

# 当连接从池中取出时是否设置为只读
# 默认值 false
readOnly=false

# 是否开启 JMX
# 默认 false
registerMbeans=true

# 数据库 catalog
# 默认由驱动决定
# catalog=

# 在每个连接创建后、放入池前,需要执行的初始化语句
# 如果执行失败,该连接会被丢弃
# 默认为空
# connectionInitSql=

# JDBC 驱动使用的 Driver 实现类
# 一般根据 jdbcUrl 判断就行,报错说找不到驱动时才需要加
# 默认为空
# driverClassName=

# 连接的默认事务隔离级别
# 默认值为空,由驱动决定
# transactionIsolation=

# 校验连接活性允许的超时时间
# 默认 5000 ms,最小值为 250 ms,要求小于 connectionTimeout。支持 JMX 动态修改
validationTimeout=5000

# 连接对象可以被借出多久
# 默认 0(不开启),最小允许值为 2000 ms。支持 JMX 动态修改
leakDetectionThreshold=0

# 直接指定 DataSource 实例,而不是通过 dataSourceClassName 来反射构造
# 默认为空,只能通过代码设置
# dataSource=

# 数据库 schema
# 默认由驱动决定
# schema=

# 指定连接池获取线程的 ThreadFactory 实例
# 默认为空,只能通过代码设置
# threadFactory=

# 指定连接池开启定时任务的 ScheduledExecutorService 实例(建议设置setRemoveOnCancelPolicy(true))
# 默认为空,只能通过代码设置
# scheduledExecutor=

# JNDI 配置的数据源名
# 默认为空
# dataSourceJndiName=

源码分析

HikariCP 的源码少且精,可读性非常高。如果你没见过像诗一样的代码,可以来看看 HikariCP。

提醒一下,在阅读 HiakriCP 源码之前,需要掌握CopyOnWriteArrayListAtomicIntegerSynchronousQueueSemaphoreAtomicIntegerFieldUpdaterLockSupport等 JDK 自带类的使用。

注意,考虑到篇幅和可读性,以下代码经过删减。

HikariCP为什么快?

数据库连接池已经发展了很久了,也算是比较成熟的技术,使用比较广泛的类库有 boneCP、DBCP、C3P0、Druid 等等。眼看着数据库连接池已经发展到了瓶颈,所谓的性能提升也仅仅是一些代码细节的优化,这个时候,HikariCP 出现并快速地火了起来,与其他连接池相比,它的快不是普通的快,而是跨越性的快。下面是 JMH 测试的结果([测试项目地址](brettwooldridge/HikariCP-benchmark: JHM benchmarks for JDBC Connection Pools (github.com)))。

DataSource_performance_test

HikariCP 为什么快?我看网上有很多的解释,例如,大量使用 JDK 并发包的工具来避免粗颗粒度的锁、FastList 等自定义类的使用、动态代理类等等。我觉得,这些都不是主要原因。

HikariCP 之所以快,更多的还是由于抽象层面的优化

传统模型--中规中矩的模型

连接池,顾名思义,就是一个存放连接对象的池塘。几乎所有的连接池都会从代码层面抽象出一个池塘。池里的连接数量不是一成不变的,例如,连接失效了需要移除、新连接创建、用户借出或归还连接,等等,总结起来,对连接池的操作不外乎四个:borrow、return、add、remove

连接池一般是这样设计的:borrow、remove 动作会将连接从池塘里拿出来,add、return 动作则会往池塘里添加连接。我把这种模型称为“传统模型”。

hikaricp_pool01

“传统模型”是比较中规中矩的模型,从抽象层面讲,它非常符合我们的现实生活,例如,某人借走我的钱,钱就不在我的钱包里了。我们熟知的 DBCP、C3P0、Druid 等等都是基于“传统模型”开发的。

标记模型--更少的锁

但是 HikariCP 就不一样了,它没有走老路,而是优化了“传统模型”,让连接池真正意义地实现了提速。

在“传统模型”中,borrow、return、add、remove 四个动作都需要加同一把锁,即同一时刻只允许一个线程操作池,并发高时线程切换将非常频繁。因为多个线程操作同一个池塘,连接出入池需要加锁来保证线程安全。针对这一点,我们是不是能做些什么呢?

HikariCP 是这样做的,borrow 的连接不会从池塘里取出,而是打上“已借出”的标记,return 的时候,再把这个连接的“已借出”标记去掉。我把这种做法称为“标记模型”。“标记模型”可以实现 borrow 和 return 动作不加锁。具体怎么做到的呢?

hikaricp_pool02

首先,我要 borrow 时,我需要看看池塘里哪一个连接可以借出。这里就涉及到读连接池的操作,因为池塘里的连接数量不是一成不变的,为了一致性,我们就必须加锁。但是,HikariCP 没有加,为什么呢?因为 HikariCP 容忍了读的不一致。borrow 的时候,我们实际上读的不是真正的池塘,而是当前池塘的一份快照。我们看看 HikariCP 存放连接的地方,是一个CopyOnWriteArrayList对象,我们知道,CopyOnWriteArrayList是一个写安全、读不安全的集合。

public class ConcurrentBag<T extends IConcurrentBagEntry> implements AutoCloseable {
   // 存放连接的集合
   private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
}

接着,当我们找到了一个可借出的连接时,需要给它打上借出的标记。注意,这时有可能出现多个线程都想给它打标记的情况,该怎么办呢?难道要加锁了吗?别忘了我们可以用 CAS 机制来更新连接的标记,这个时候就不需要加锁了。看看 HikariCP 就是这么实现的。

   public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException {
      final int waiting = waiters.incrementAndGet();
      try {
         for (T bagEntry : sharedList) {
            if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
               return bagEntry;
            }
         }


         return null;
      }
      finally {
         waiters.decrementAndGet();
      }
   }

于是,在“标记模型”里,只有 add 和 remove 才需要加锁,borrow 和 return 不需要加锁。通过这种颠覆式的设计,连接池的性能得到极大的提高。

这就是我认为的 HikariCP 快的最主要原因。

HikariCP主要的类

那么,我们来看看 HikariCP 的源码吧。

HikariCP 的类不多,最主要的就这几个,如图。不难发现,这种类结构和 DBCP2 很像。

这几个类可以分成四个部分:

  1. 用户接口。用户一般会使用DataSource.getConnection()来获取连接对象。
  2. JMX 支持。
  3. 配置信息。使用HikariConfig加载配置文件,或手动配置HikariConfig的参数,它一般会作为入参来构造HikariDataSource对象;
  4. 连接池。获取连接的过程为HikariDataSource.getConnection()->HikariPool.getConnection()->ConcurrentBag.borrow(long, TimeUnit)需要注意的是,ConcurrentBag才是真正的连接池,而HikariPool是用来管理连接池的

ConcurrentBag--最核心的类

ConcurrentBag可以算是 HikariCP 最核心的一个类,它是 HikariCP 底层真正的连接池,上面说的“标记模型”只要就是靠它来实现的。如果大家不想看太多代码的话,只看它就足够了。

在设计上,ConcurrentBag是一个比较通用的资源池,它可以是数据库连接的池,也可以是其他对象的池,只要存放的资源对象实现了IConcurrentBagEntry接口即可。所以,如果我们的项目中需要自己构建池的话,可以直接拿这个现成的组件来用。

public class ConcurrentBag<T extends IConcurrentBagEntry> implements AutoCloseable {
	private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
}

下面简单介绍下ConcurrentBag的几个字段:

ConCurrentBagUml

属性 描述
CopyOnWriteArrayList sharedList 存放着状态为使用中、未使用和保留三种状态的资源对象
ThreadLocal threadList 存放着当前线程归还的资源对象
SynchronousQueue handoffQueue 这是一个无容量的阻塞队列,出队和入队都可以选择是否阻塞
AtomicInteger waiters 当前等待获取元素的线程数

这几个字段在ConcurrentBag中如何使用呢,这里拿borrow方法来说明下:

   public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException
   {
      // 1. 首先从threadList获取资源
       
      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)) {
            return bagEntry;
         }
      }

      // 等待获取连接的线程数+1
      final int waiting = waiters.incrementAndGet();
      try {
         // 2.如果还没获取到,会从sharedList中获取对象
         for (T bagEntry : sharedList) {
            if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
               // 这一步我不是很懂,好像可有可无
               if (waiting > 1) {
                  listener.addBagItem(waiting - 1);
               }
               return bagEntry;
            }
         }
         // 从sharedList中获取不到资源,通知监听器创建资源(不一定会创建)
         listener.addBagItem(waiting);
        
         // 3.如果还没获取到,会堵塞等待空闲连接
         timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
         do {
            final long start = currentTime();
            // 这里会出现三种情况,
            // 1.超时,返回null
            // 2.获取到资源,但状态为正在使用,继续循环
            // 3.获取到资源,元素状态为未使用,修改为已使用并返回
            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);
         // 4.超时了还是没有获取到,返回null
         return null;
      }
      finally {
         // 等待获取连接的线程数-1
         waiters.decrementAndGet();
      }
   }

在上面的方法中,唯一会造成线程阻塞的就是handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS),除此之外,我们没有看到任何的 synchronized 和 lock。

HikariPool--管理连接池

除了ConcurrentBagHikariPool也是一个比较重要的类,它用来管理连接池

HikariPoolUML

HikariPool 的几个字段说明如下:

属性类型和属性名 说明
DataSource dataSource 用于获取原生连接对象的数据源。一般我们不指定的话,使用的是DriverDataSource
ThreadPoolExecutor addConnectionExecutor 执行创建连接任务的线程池。只开启一个线程执行任务
ThreadPoolExecutor closeConnectionExecutor 执行关闭原生连接任务的线程池。只开启一个线程执行任务
ScheduledExecutorService houseKeepingExecutorService 用于执行检查 idleTimeout、leakDetectionThreshold、keepaliveTime、maxLifetime 等任务的线程池。

为了更清晰地理解上面几个字段的含义,我简单画了个图,不是很严谨,将就看下吧。在这个图中,客户端线程可以调用进行 borrow、requite 和 remove 操作,houseKeepingExecutorService 线程可以调用进行 remove 操作,只有 addConnectionExecutor 可以进行 add 操作。

HikariPoolSimpleProcess

一些有趣的地方

掌握了上面的两个类,HikariCP 的整个源码视图应该就比较完整了。下面再说一些有趣的地方。

为什么HikariDataSource有两个HikariPool

在下面的代码中,HikariDataSource里竟然有两个HikariPool

public class HikariDataSource extends HikariConfig implements DataSource, Closeable
{
   private final HikariPool fastPathPool;
   private volatile HikariPool pool;
}

为什么要这样做呢?

首先,从性能方面考虑,使用 fastPathPool 来创建连接会比 pool 更好一些,因为 pool 被 volatile 修饰了,为了保证可见性不能使用缓存。那为什么还要用到 pool 呢?

我们打开HikariDataSource.getConnection(),可以看到,pool 的存在可以用来支持双重检查锁。这里我比较好奇的是,为什么不把 HikariPool的引用给 fastPathPool??这个问题大家感兴趣可以研究一下。

   public Connection getConnection() throws SQLException
   {
      if (fastPathPool != null) {
         return fastPathPool.getConnection();
      }

      HikariPool result = pool;
      if (result == null) {
         synchronized (this) {
            result = pool;
            if (result == null) {
               validate();
               pool = result = new HikariPool(this);
               this.seal();
            }
         }
      }

      return result.getConnection();
   }

其实,这两个HikariPool对象有两种取值情况:

取值一:fastPathPool = pool = new HikariPool(this)。当通过有参构造new HikariDataSource(HikariConfig configuration)来创建HikariDataSource就会出现这样取值;

取值二:fastPathPool = null;pool = new HikariPool(this)。当通过无参构造new HikariDataSource()来创建HikariDataSource就会出现这样取值。

所以,我更推荐使用new HikariDataSource(HikariConfig configuration)的方式,因为这样做的话,我们将使用 fastPathPool 来获取连接。

如何加载配置

HikariCP 加载配置的代码非常简洁。我们直接从PropertyElf.setTargetFromProperties(Object, Properties)方法开始看,如下。

   // 这个方法就是将properties的参数设置到HikariConfig中
   public static void setTargetFromProperties(final Object target, final Properties properties)
   {
      if (target == null || properties == null) {
         return;
      }
    
      // 获取HikariConfig的所有方法
      List<Method> methods = Arrays.asList(target.getClass().getMethods());
      properties.forEach((key, value) -> {
         // 如果是dataSource.*的参数,直接加入到dataSourceProperties属性
         if (target instanceof HikariConfig && key.toString().startsWith("dataSource.")) {
            ((HikariConfig) target).addDataSourceProperty(key.toString().substring("dataSource.".length()), value);
         }
         else {
            // 找到参数对应的setter方法并赋值
            setProperty(target, key.toString(), value, methods);
         }
      });
   }

相比其他类库(尤其是 druid),HikariCP 加载配置的过程非常简洁,不需要按照参数名一个个地加载,这样后期会更好维护。当然,这种方式我们也可以运用到实际项目中。

另外,配置 HikariCP 的时候不允许写错参数或者添加一些无关的参数,否则会因为找不到对应的 setter 方法而报错。

以上基本讲完 HikariCP 的源码。后续发现其他有趣的地方再做补充,也欢迎大家指正不足的地方。

最后,感谢阅读。

参考资料

HikariCP github

2021-05-20 修改

相关源码请移步:https://github.com/ZhangZiSheng001/hikari-demo

本文为原创文章,转载请附上原文出处链接: https://www.cnblogs.com/ZhangZiSheng001/p/12329937.html

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