HikariCP源码分析之获取连接流程一

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HikariDataSource的getConnection()方法 HikariCP源码分析之获取连接流程一
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7_hikari.png HikariCP获取连接的方法是com.zaxxer.hikari.HikariDataSource#getConnection(), 这个方法在HikariDataSource类中。HikariDataSource类中是 HikariCP 提供用户使用的主要类,有获取连接,关闭连接池,剔除连接等方法。我们主要看一下getConnection(), 这是对外暴露的获取连接的方法,不管是Spring获取连接还是我们自己手工调用 HikariCP,都是调用这个方法从连接池中取连接。
代码如下:

public Connection getConnection() throws SQLException { //① if (isClosed()) { throw new SQLException("HikariDataSource " + this + " has been closed."); } //② if (fastPathPool != null) { return fastPathPool.getConnection(); }/** * ③ * See http://en.wikipedia.org/wiki/Double-checked_locking#Usage_in_Java * GFC: 双重检查锁 * https://www.cnblogs.com/xz816111/p/8470048.html * 如果是使用无参构造{@link #HikariDataSource()}初始化的HikariDataSource,那么默认是延迟构建HikariDataSource, * 在第一次获取连接的时候才构建HikariDataSource */ HikariPool result = pool; //B才执行到这里 if (result == null) { synchronized (this) { result = pool; if (result == null) { validate(); //A 执行到打印日志 LOGGER.info("{} - Started.", getPoolName()); pool = result = new HikariPool(this); } } }return result.getConnection(); }

其实一看,HikariDataSource的getConnection()代码还是非常简单的,更多的细节,放在了HikariPool的getConnection()方法中。
但是,我们还是要分析一下的,毕竟,我们看开源代码的目的是学习大师的设计和技巧。
①检查连接池状态
//① if (isClosed()) { throw new SQLException("HikariDataSource " + this + " has been closed."); }

这里的代码主要是判断连接池是不是已经关闭了,如果isClosed()返回 true,那么连接池已经关闭, 那么直接抛出异常。虽然是一个简单的判断,其实也有值得我们学习的地方。
isClosed()方法实现只有一句代码:return isShutdown.get(); ,这个isShutdown其实就是一个连接池的关闭状态对吧?它有个get()方法,猜猜是个什么类型? OK,它的声明是private final AtomicBoolean isShutdown = new AtomicBoolean();
我们知道带Atomic前缀的一些类型,都是原子操作,它是线程安全的,在高并发情况下,能保证isShutdown的值在各个线程中是一致的,类似的还有AtomicIntegerAtomicLong等等,那么AtomicBoolean就是一个线程安全的布尔类型,这样就可以保证关闭连接池的时候,其他线程可以及时的感知到。
那么线程不安全的原因是什么?
CPU 有一级缓存,二级缓存,三级缓存,还有内存。一级缓存,二级缓存,三级缓存是每个 CPU 核独享的,而内存是整个 CPU 共享的。在CPU计算的时候会把值从内存读取到最近的一级缓存中,这样的话,很可能在多个核之间,isShutdown的值不一致,这就是线程不安全。
AtomicBoolean是如何保证多个核之间的线程数据一致呢?
AtomicBoolean内部,有一个private volatile int value; 的属性,用于记录Boolean的值,0 是 false,1 是 true。关键就是volatile修饰符,可以强制 CPU 在修改value的时候,必须要同步到内存中,而读取的时候,必须要从内存中读取。这样,各个线程之间就是数据一致了吧。但是,它也有个显而易见的劣处,大家看出来了吗,那就是会比较慢,因为它每次都有从内存中读取数据,这就是性能较差,对吧?所以我们只能在需要使用volatile的时候再用,不能滥用。
在我经验不多的年纪,写类似代码标记一个状态的时候,是直接在类中定义一个类成员变量,没有用volatile。现在想来还是太年轻了,好在那些状态对实时的要求不高,也没有出现什么问题。所以我们还是要多读源码,学习前辈的经验。
不知道有没有同学会感慨,都涉及到 CPU 了,好底层啊。那么大家继续学习 HikariCP 的源码会发现,很多代码都是考虑到了非常底层的优化,比如控制了字节码的大小,方便 JVM优化代码。另外大家也可以学习下Disruptor并发框架,也是一个涉及到 CPU 缓存优化的框架,好多大数据框架学习了它的设计,据说性能高到能把 CPU 跑冒烟。
越是了解底层,越能写出更好的代码。学习了这些优秀的框架,我的感慨是:那些年上大学睡的觉,终究是要还的,现在终于到时候了.......
② 两个连接池?
//② if (fastPathPool != null) { return fastPathPool.getConnection(); }

这里的代码,又是非常简单,有没有设计?有!
它的实现是直接调用了fastPathPoolgetConnection()方法对吧。但是请大家注意最后的 return语句,是result.getConnection(); ,这个resultfastPathPool吗?看下③处HikariPool result = pool; ,这个result其实是pool。那么有点奇怪,HikariDataSource中有两个连接池?不会吧,谁会这么设计呢 !那该如何解释?
其实在HikariDataSource中,还真的有两个连接池的成员变量。定义如下:
private final HikariPool fastPathPool; private volatile HikariPool pool;

除了变量名字不同之外,他们的修饰符也不一样,fastPathPoolfinal的,poolvolatile的。volatile在上面已经解释过了,就是为了线程安全嘛,保证多线程情况下pool的值是一致的。fastPathPool呢,是final的,HikariDataSource初始化的时候必须赋值,之后就改不了了对吧。
其实这里涉及到了HikariCP 连接池的创建方式。HikariDataSource有两个构造方法,第一个是无参构造:
public HikariDataSource() { super(); fastPathPool = null; }

第二个是有参的:
public HikariDataSource(HikariConfig configuration) { configuration.validate(); configuration.copyState(this); LOGGER.info("{} - Started.", configuration.getPoolName()); pool = fastPathPool = new HikariPool(this); }

我们不在此详细解析这两个构造方法了,我们只看这两个构造方法的最后一句,无参构造的是fastPathPool = null; ,有参构造的是pool = fastPathPool = new HikariPool(this);
那么, 我们可以推断出,如果使用无参构造初始化HikariDataSource,fastPathPool就永远是 null;如果使用有参构造初始化HikariDataSource,那么fastPathPool就永远跟pool是一样的。
fastPathPoolpool都是HikariPool类型的对吧,HikariPool其实是代表了连接池。那么我们最初的问题,为什么使用了两个连接池的成员变量?我们在①处解析了volatile的劣处,性能略差,如果每次获取连接都从pool读取的话,是不是每次都要损失一些性能?所以我们在使用有参构造创建连接池的时候,将fastPathPool也赋值,那么我们从fastPathPool获取连接,相当于变相的不使用volatile,这样就能不损耗volatile的性能。volatile的主要目的就是在创建连接池的时候,如果有多个线程同时创建,不会创建出多个连接池。我们会在下面详细描述。
除了学习到这种设计之外,我们还可以知道,使用有参构造来初始化HikariDataSource会有一些性能提升,官方也推荐大家使用有参构造来初始化 HikariCP。其实这种性能提升不是非常大,但是 Hikari作者还是不放过一点点的让 HikariCP 更快的机会,这就是为什么 HikariCP 是最快的数据库连接池。
详细的性能测试结果,大家可以看下作者的回答:
https://groups.google.com/forum/#!msg/hikari-cp/yAtDD-3Qzgo/MgnNPLUkPqEJ
③双重检查锁
//③ HikariPool result = pool; //B才执行到这里 if (result == null) { synchronized (this) { result = pool; if (result == null) { validate(); //A 执行到打印日志 LOGGER.info("{} - Started.", getPoolName()); pool = result = new HikariPool(this); } } }return result.getConnection();

此处的代码,我相信大家都能看懂,就是检查连接池是不是 null,如果是 null,就创建一个连接池,然后从新创建的连接池中获取连接返回。
如果我只写到上面,那我就跟有一些源码解析的文章一样了,看了跟没看一样, 没有任何收获。这不是我们的目的。当初就是因为他们写的不详细,我看不明白,所以我才打算自己写,大家也才能看到这篇文章。我们的目的就是学习到代码背后的东西, 而不是写一篇这个方法调用了这个方法,那个方法调用了那个方法这种没有营养的东西,因为方法调用大家都能看懂。
闲话少叙,代码背后的东西来了。这里的设计就是:双重检查锁,英文名:double checked locking。其实在写文章之前,我也不知道它叫什么,只会写。那么,什么是双重检查锁?其实就是在加锁之前检查一下对象是否为 null,加锁之后再检查一遍对象是否为 null,这种结构就是双重检查锁。
为什么这么写?已经有了锁,肯定就只能有一个线程创建连接池啊,检查两次这不是多此一举吗?我曾经遇到一个多年经验的老手也这么问我,由于我当时不知道双重检查锁这个名字,我只能给他讲了一遍如下过程:
我们假如有两个线程(A, B)都在执行这个方法。A 执行快一点,拿到了锁,执行到了打印日志的地方,但是还没有创建连接池,此时连接池pool还是 null。此时 B 执行到了检查pool是否是null 的地方,因为此时pool是 null,所以 B 要去申请锁了。A 执行完创建连接池了,此时pool不是 null 了,同时释放了锁。B 拿到了锁,再判断一次pool是否是null,此时pool不是null了,那么就不创建连接池了。如果没有拿到锁之后的第二次判断,那么连接池会被 B再创建一次,这才是多此一举!
还有人问:那么直接在获取锁之后检查一次就可以了,为什么还要在获取锁之前检查一次呢?
因为锁这个东西,很耗性能,如果只有一个拿到锁之后的检查的话,相当于所有线程要排队检查是不是连接池已经创建了,相当于只能排队获取连接,这是不行的,我们要高性能!在拿锁之前判断的话,如果连接池已经创建了的话,我们就直接跳过拿锁,直接获取连接了,可以多线程,高并发!
到这里,这个双重检查锁还不完美!我们继续看:
我们知道,创建一个对象,可以大体分为 3 步:
  1. 分配内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将对象指向刚分配的内存空间
有时候编译器和CPU 会在保证最后结果不变的情况下,对指令重排序,这就是 CPU 的乱序执行。上面的 3 步,可能会变成 132 来执行。也就是说,pool可能不是 null 了,但是它没有被初始化,这样调用的时候也会报错的。那怎么办?答案还是volatilepool是一个volatile的,大家还记得吧?我们上面说了,它是保证线程安全的。此处还要解释volatile的第二个功能:可以阻止指令重排序。它是怎么阻止重排序的呢?它会对pool加入一个内存屏障,又称内存栅栏,是一个CPU指令,可以阻止对指令的重排序,所有的写(write)操作都将发生在读(read)操作之前。
这样,我们就可以完美的保证高并发下,连接池可以被正确的创建出来。
在 HikariCP 框架的使用上,我们可以得知,如果使用无参构造初始化HikariCP,其实是一个延迟初始化,在第一次获取连接的时候,才能初始化连接池。如果大家的应用,在启动之后可能有大量请求,导致大量数据库连接创建,那么使用无参构造可以会不太合适,会导致请求有阻塞,数据库压力加大。所以,不管在什么情况下,还是要推荐大家使用有参构造初始化 HikariCP。
关于双重检查锁,大家还可以参考如下资料继续学习:
  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Double-checked_locking#Usage_in_Java
  2. 【HikariCP源码分析之获取连接流程一】https://www.cnblogs.com/xz816111/p/8470048.html

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