基于代理的Java 数据库连接池设计研究
2024-02-03杨鑫
杨 鑫
（长春职工大学 吉林 长春 130000）
0 引言
在当今的软件开发世界中，数据库连接池是一种常见的工具，用于管理数据库连接，以优化性能并减少资源浪费。 然而，在代理模式下设计Java 数据库连接池时，需要考虑许多额外的因素。 首先，代理模式是一种设计模式，它允许通过对象的一个接口来控制该对象的访问［1］。 在Java 数据库连接池设计中，代理模式可以用来隐藏数据库连接的细节，并提供一个统一的接口给应用程序使用。 其次，Java 数据库连接池的设计需要考虑连接的创建、管理和关闭。 创建连接时，需要考虑数据库的位置、类型和配置。 再次，Java 数据库连接池的设计还需要考虑线程安全［2］。 在多线程环境下，连接池需要保证同时为多个线程提供服务，且不能出现线程安全问题。 最后，代理模式下的Java 数据库连接池设计还需要考虑代理对象的创建和管理。 代理对象应该能够控制对数据库连接的访问，并提供给应用程序一个方便使用的接口。 Java 数据库连接（Java database connectivity， JDBC）能够实现数据库的交互，通过连接访问数据库中的数据，但该方法消耗时间长，存在系统性能瓶颈。 基于代理的Java 数据库连接池技术，能够确保数据库连接得到高效复用，提升系统性能。
1 基于代理Java 数据库的访问机制
数据库访问是现代企业级应用的核心环节，使用代理模式进行Java 数据库访问，有助于实现业务功能的同时，有效地隔离上层业务代码与底层数据库访问的复杂性。这种机制的核心思想是将数据库访问封装在代理类中，使业务代码只需要与代理类进行交互，而无需直接处理数据库连接和结构化查询语言（structured query language，SQL）语句，基于代理Java 数据库的访问机制如图1 所示。 作为Java 应用程序与数据库的连接桥梁，JDBC 提供了面向开发人员与底层JDBC 驱动程序的应用程序接口，底层采用了直接JDBC 驱动程序与开放数据库互连（open database connectivity，ODBC）桥驱动两种驱动方式，能够实现与数据库的有效连接［3］。 数据库的访问通常涉及数据库建立、利用SQL 语句操作数据库、断开数据库连接。
图1 基于代理Java 数据库的访问机制
一般应用系统访问数据库频率低，因此采用常规的数据库访问机制便能够满足需求。 但Web 应用系统拥有庞大的用户量，数据库访问频率高，需要频繁与数据库建立连接或关闭，导致处理器消耗时间过长，影响系统性能，且当连接数目达到一定量，容易出现内存泄漏问题，引起系统瘫痪。 采用连接池技术则能够对上述问题予以解决。在代理类中，可以通过连接池来获取数据库连接。 当业务代码调用代理类的方法时，代理类会首先检查连接池中是否有可用的连接。 若有则直接使用；若无则会向连接池申请一个新的连接，这样可以有效地复用数据库连接［4］。 在执行SQL 语句时，代理类可以使用预编译语句来提高性能。 预编译语句可以一次性编译SQL 语句，然后多次执行，这不仅可以提高执行效率，还可以有效防止SQL 注入攻击。 此外，代理类还可以提供日志和异常处理功能，通过日志可以方便地追踪和调试问题，处理各种可能的错误情况，提高系统性能。
2 连接池的工作原理
连接池是数据库连接管理的重要技术之一，它的工作原理基于预先创建一定数量的数据库连接，并在需要时从连接池中获取连接，使用完毕后再放回连接池中，这种技术可以有效地减少数据库连接的创建和销毁次数，提高系统的性能和稳定性。 连接池工作原理涉及连接池建立、使用管理及关闭三个环节，具体如图2 所示。
图2 连接池工作原理示意图
（1）连接池的创建。 在系统启动时，连接池会预先创建一定数量的数据库连接，这些连接的数量通常是根据系统的最大并发连接数来设置的。 连接池中的每个连接都是一个数据库连接对象，可以用于与数据库进行通信［5］。
（2）使用管理。 当系统需要与数据库进行通信时，会从连接池中获取一个连接，连接池会根据一定的策略，如先入先出或最小活跃数等，来选择一个可用的连接。 如果连接池中没有可用的连接，则会创建一个新的连接。 一旦从连接池中获取到连接，系统就可以使用该连接与数据库进行通信。 在通信过程中，连接会保持打开状态，直到通信结束。
（3）连接池的关闭。 当系统使用完一个连接后，它会将该连接放回连接池中，而不是关闭它。 这样做的好处是可以避免频繁地创建和销毁连接，从而减少系统的开销和提高性能。 同时，如果系统在短时间内需要再次使用数据库连接，那么从连接池中获取一个已经存在的连接会比创建一个新的连接更快。
3 基于代理的Java 数据库连接池设计与实现
3.1 连接对象与代理的绑定
连接池要想实现对其中连接的独占性控制，需要将每个连接对象绑定在动态代理商，并提供用于实现InvocationHandler 接口的实例对象。 研究人员需要定义一个数据库连接代理类，这个类将负责管理数据库连接的创建、释放和重用。 在该类中，研究人员可以使用Java 中的并发集合，如ConcurrentHashMap，来存储连接对象及其相关信息。 接下来，研究人员需要实现连接代理的方法。 其中包括：（1）getConnection。 根据数据库连接信息创建一个新的连接对象，并将其存储在连接池中［6］。 如果连接池中已存在相同配置的连接， 则直接返回该连接。（2）releaseConnection。 将连接对象从连接池中移除，并关闭连接。 （3）borrowConnection。 从连接池中获取一个可用的连接对象。 如果连接池为空，则等待直到有连接对象可用。 （4）returnConnection。 将使用的连接对象放回连接池中。 需要注意的是在创建新的连接对象时，需要对其进行初始化，如设置自动提交、字符集等。 在获取连接对象时，需要检查该对象的状态，如果对象已经关闭或异常，则需要重新获取新的连接对象。
3.2 连接池的构建
本研究在普通连接池的构造基础上，对现有的连接池性能进行优化。 数据库连接池的构建，需要考虑用户的使用习惯，通常在连接时需要按照规定的方法，且数据库往往不能直接关闭，导致数据池在使用过程中存在不便。 基于此，研究创建了连接代理，并采用getFreeConnection 的方法返回接管类，拦截Close，然后建立一个新的Close 方法，用于未被接管的连接调用，可直接将数据库关闭。 数据库连接池应维持正常连接状态，若数据库连接创建的资源得不到及时释放，会对下一次数据连接的使用产生影响。 以SQL 2K 为例，由于一个连接无法同时完成多个Statement 创建，因此需要归还连接后释放相应的资源，以避免出现连接占线的情况。 同时可以为连接设置相应的状态标志，明确程序有无应用CLose 方法。 数据库连接池的构建可采用内部私有类或指定类，避免违例使用。 在用户接口方面本研究采用静态方法创建连接工厂，操作简单且无任何限制，同时对连接参数、工厂参数作出了相应的设置，以便连接池的顺利运行。
3.3 连接池的分配与释放
连接池的分配是指将连接从连接池中取出并分配给需要使用数据库连接的客户端。 连接池的分配通常采用以下步骤：（1）客户端向连接池发出连接请求；（2）连接池管理系统根据客户端的请求，从连接池中取出一张连接并将其分配给客户端；（3）客户端通过获得的连接与数据库建立连接关系，并开始进行数据访问操作。 在连接池的分配过程中，为了确保分配的公平性和高效性，可以按照连接的优先级进行分配，优先级高的连接先被取出；根据客户端的请求量和数据库服务器的负载情况，将请求分配给不同的数据库服务器；采用轮询策略，按照一定顺序循环分配连接，确保每个连接都被平等使用。 连接池的释放是指将不再使用的数据库连接归还到连接池中，以供后续使用［7］。 客户端完成数据访问操作后，向连接池发出释放连接的请求；连接池管理系统将该连接标记为可用状态，以供后续使用；如果连接池中的所有连接都被释放，连接池管理系统可以关闭一些闲置的连接，以节省系统资源。 在客户端释放连接时，要确保该连接确实不再使用，避免出现“假释放”的情况；连接池管理系统应该能够及时将释放的连接标记为可用状态，以便其他客户端可以迅速获取到该连接。
3.4 连接池的配置
连接池的大小是指连接池中可用的数据库连接数。 在确定连接池大小时，需要考虑系统的并发用户数、系统的峰值并发用户数以及数据库服务器的处理能力。 通常情况下，可以根据系统的实际需求和数据库服务器的处理能力来确定连接池的大小。 如果系统需要处理大量的并发用户，则应该将连接池的大小设置得稍大一些，以确保系统可以处理高并发的情况。 连接池的连接数是每个连接池中实际使用的数据库连接数。 在配置连接池的连接数时，需要考虑系统的负载情况和数据库服务器的处理能力。 如果系统需要处理大量的请求，则应该将连接池的连接数设置得稍大一些，以确保系统可以处理高负载的情况。 但是，如果连接池的连接数过大，则可能会浪费系统资源，增加系统的维护成本。 因此，需要根据实际情况进行权衡，选择合适的连接数［8］。 在配置连接池的超时时间时，需要考虑系统的实际需求和数据库服务器的处理能力。 除了上述主要的配置项外，还有一些其他的配置项也需要考虑。 例如，可以配置连接池的线程池大小、是否启用空闲连接的检测和清理、是否启用数据库连接的日志记录等［9］。
3.5 连接池的实现
ConnectionPool，作为连接池的实现，通过统一管理和复用数据库连接，为企业级应用提供了高效、稳定的数据库访问方式。 如下为ConnectionPool 连接池的实现过程：
在这个实现中，ConnectionPool 类代表了数据库连接池，它包含一个连接列表，用于存储可用的连接。 在构造函数中，它通过调用－initializePool（）方法初始化连接池，创建了初始的连接。 getConnection（）方法从连接池中获取一个连接，如果连接池中没有可用连接，且当前连接数未超过最大连接数，则创建一个新连接。 如果连接池中没有可用连接，且当前连接数已达到最大连接数，则抛出一个异常。 releaseConnection（）方法将连接释放回连接池。
4 结语
数据库连接池的设计和管理对于提高应用程序的性能和稳定性至关重要，基于代理的Java 模式的应用，能够帮助有效地管理和控制数据库连接，减少资源浪费，提高系统响应速度。 但仍有一些开放问题和研究方向值得研究人员进一步探索。 例如，如何更有效地管理和监控数据库连接池中的连接，如何处理不同类型和规模的数据库以及如何优化代理模式的实现细节等，进一步推动相关领域的发展。
