面試官：Java池化技術(shù)你了解多少？

在我們平常的編碼中，通常會(huì)將一些對象保存起來，這主要考慮的是對象的創(chuàng)建成本。比如像線程資源、數(shù)據(jù)庫連接資源或者 TCP 連接等，這類對象的初始化通常要花費(fèi)比較長的時(shí)間，如果頻繁地申請和銷毀，就會(huì)耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，造成不必要的性能損失。

并且這些對象都有一個(gè)顯著的特征，就是通過輕量級(jí)的重置工作，可以循環(huán)、重復(fù)地使用。這個(gè)時(shí)候，我們就可以使用一個(gè)虛擬的池子，將這些資源保存起來，當(dāng)使用的時(shí)候，我們就從池子里快速獲取一個(gè)即可。

在 Java 中，池化技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，常見的就有數(shù)據(jù)庫連接池、線程池等，本文主講連接池，線程池我們將在后續(xù)的博客中進(jìn)行介紹。

公用池化包 Commons Pool 2

簡介

我們首先來看一下 Java 中公用的池化包 Commons Pool 2，來了解一下對象池的一般結(jié)構(gòu)。根據(jù)我們的業(yè)務(wù)需求，使用這套 API 能夠很容易實(shí)現(xiàn)對象的池化管理。

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-pool2 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    <version>2.11.1</version>
</dependency>

GenericObjectPool 是對象池的核心類，通過傳入一個(gè)對象池的配置和一個(gè)對象的工廠，即可快速創(chuàng)建對象池。

public GenericObjectPool( 
            final PooledObjectFactory<T> factory, 
            final GenericObjectPoolConfig<T> config)

案例

Redis 的常用客戶端 Jedis，就是使用 Commons Pool 管理連接池的，可以說是一個(gè)最佳實(shí)踐。下圖是 Jedis 使用工廠創(chuàng)建對象的主要代碼塊。對象工廠類最主要的方法就是makeObject，它的返回值是 PooledObject 類型，可以將對象使用 new DefaultPooledObject<>(obj) 進(jìn)行簡單包裝返回。

redis.clients.jedis.JedisFactory，使用工廠創(chuàng)建對象。

@Override
public PooledObject<Jedis> makeObject() throws Exception {
  Jedis jedis = null;
  try {
    jedis = new Jedis(jedisSocketFactory, clientConfig);
    //主要的耗時(shí)操作
    jedis.connect();
    //返回包裝對象
    return new DefaultPooledObject<>(jedis);
  } catch (JedisException je) {
    if (jedis != null) {
      try {
        jedis.quit();
      } catch (RuntimeException e) {
        logger.warn("Error while QUIT", e);
      }
      try {
        jedis.close();
      } catch (RuntimeException e) {
        logger.warn("Error while close", e);
      }
    }
    throw je;
  }
}

我們再來介紹一下對象的生成過程，如下圖，對象在進(jìn)行獲取時(shí)，將首先嘗試從對象池里拿出一個(gè)，如果對象池中沒有空閑的對象，就使用工廠類提供的方法，生成一個(gè)新的。

public T borrowObject(final Duration borrowMaxWaitDuration) throws Exception {
    //此處省略若干行
    while (p == null) {
        create = false;
        //首先嘗試從池子中獲取。
        p = idleObjects.pollFirst();
        // 池子里獲取不到，才調(diào)用工廠內(nèi)生成新實(shí)例
        if (p == null) {
            p = create();
            if (p != null) {
                create = true;
            }
        }
        //此處省略若干行
    }
    //此處省略若干行
}

那對象是存在什么地方的呢？這個(gè)存儲(chǔ)的職責(zé)，就是由一個(gè)叫作 LinkedBlockingDeque的結(jié)構(gòu)來承擔(dān)的，它是一個(gè)雙向的隊(duì)列。

接下來看一下 GenericObjectPoolConfig 的主要屬性：

// GenericObjectPoolConfig本身的屬性
private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
// 其父類BaseObjectPoolConfig的屬性
private boolean lifo = DEFAULT_LIFO;
private boolean fairness = DEFAULT_FAIRNESS;
private long maxWaitMillis = DEFAULT_MAX_WAIT_MILLIS;
private long minEvictableIdleTimeMillis = DEFAULT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
private long evictorShutdownTimeoutMillis = DEFAULT_EVICTOR_SHUTDOWN_TIMEOUT_MILLIS;
private long softMinEvictableIdleTimeMillis = DEFAULT_SOFT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
private int numTestsPerEvictionRun = DEFAULT_NUM_TESTS_PER_EVICTION_RUN;
private EvictionPolicy<T> evictionPolicy = null; 
// Only 2.6.0 applications set this 
private String evictionPolicyClassName = DEFAULT_EVICTION_POLICY_CLASS_NAME;
private boolean testOnCreate = DEFAULT_TEST_ON_CREATE;
private boolean testOnBorrow = DEFAULT_TEST_ON_BORROW;
private boolean testOnReturn = DEFAULT_TEST_ON_RETURN;
private boolean testWhileIdle = DEFAULT_TEST_WHILE_IDLE;
private long timeBetweenEvictionRunsMillis = DEFAULT_TIME_BETWEEN_EVICTION_RUNS_MILLIS;
private boolean blockWhenExhausted = DEFAULT_BLOCK_WHEN_EXHAUSTED;

參數(shù)很多，要想了解參數(shù)的意義，我們首先來看一下一個(gè)池化對象在整個(gè)池子中的生命周期。如下圖所示，池子的操作主要有兩個(gè)：一個(gè)是業(yè)務(wù)線程，一個(gè)是檢測線程。

對象池在進(jìn)行初始化時(shí)，要指定三個(gè)主要的參數(shù)：

• maxTotal 對象池中管理的對象上限
• maxIdle 最大空閑數(shù)
• minIdle 最小空閑數(shù)

其中 maxTotal 和業(yè)務(wù)線程有關(guān)，當(dāng)業(yè)務(wù)線程想要獲取對象時(shí)，會(huì)首先檢測是否有空閑的對象。如果有，則返回一個(gè)；否則進(jìn)入創(chuàng)建邏輯。此時(shí)，如果池中個(gè)數(shù)已經(jīng)達(dá)到了最大值，就會(huì)創(chuàng)建失敗，返回空對象。

對象在獲取的時(shí)候，有一個(gè)非常重要的參數(shù)，那就是最大等待時(shí)間（maxWaitMillis），這個(gè)參數(shù)對應(yīng)用方的性能影響是比較大的。該參數(shù)默認(rèn)為 -1，表示永不超時(shí)，直到有對象空閑。

如下圖，如果對象創(chuàng)建非常緩慢或者使用非常繁忙，業(yè)務(wù)線程會(huì)持續(xù)阻塞 （blockWhenExhausted 默認(rèn)為 true），進(jìn)而導(dǎo)致正常服務(wù)也不能運(yùn)行。

面試題

一般面試官會(huì)問：你會(huì)把超時(shí)參數(shù)設(shè)置成多大呢？

我一般都會(huì)把最大等待時(shí)間，設(shè)置成接口可以忍受的最大延遲。比如，一個(gè)正常服務(wù)響應(yīng)時(shí)間 10ms 左右，達(dá)到 1 秒鐘就會(huì)感覺到卡頓，那么這個(gè)參數(shù)設(shè)置成 500~1000ms 都是可以的。超時(shí)之后，會(huì)拋出 NoSuchElementException 異常，請求會(huì)快速失敗，不會(huì)影響其他業(yè)務(wù)線程，這種 Fail Fast 的思想，在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛。

帶有evcit 字樣的參數(shù)，主要是處理對象逐出的。池化對象除了初始化和銷毀的時(shí)候比較昂貴，在運(yùn)行時(shí)也會(huì)占用系統(tǒng)資源。比如，連接池會(huì)占用多條連接，線程池會(huì)增加調(diào)度開銷等。業(yè)務(wù)在突發(fā)流量下，會(huì)申請到超出正常情況的對象資源，放在池子中。等這些對象不再被使用，我們就需要把它清理掉。

超出 minEvictableIdleTimeMillis 參數(shù)指定值的對象，就會(huì)被強(qiáng)制回收掉，這個(gè)值默認(rèn)是 30 分鐘；softMinEvictableIdleTimeMillis 參數(shù)類似，但它只有在當(dāng)前對象數(shù)量大于 minIdle 的時(shí)候才會(huì)執(zhí)行移除，所以前者的動(dòng)作要更暴力一些。

還有 4 個(gè) test 參數(shù)：testOnCreate、testOnBorrow、testOnReturn、testWhileIdle，分別指定了在創(chuàng)建、獲取、歸還、空閑檢測的時(shí)候，是否對池化對象進(jìn)行有效性檢測。

開啟這些檢測，能保證資源的有效性，但它會(huì)耗費(fèi)性能，所以默認(rèn)為 false。生產(chǎn)環(huán)境上，建議只將 testWhileIdle 設(shè)置為 true，并通過調(diào)整空閑檢測時(shí)間間隔（timeBetweenEvictionRunsMillis），比如 1 分鐘，來保證資源的可用性，同時(shí)也保證效率。

JMH 測試

使用連接池和不使用連接池，它們之間的性能差距到底有多大呢？下面是一個(gè)簡單的 JMH 測試?yán)樱ㄒ妭}庫），進(jìn)行一個(gè)簡單的 set 操作，為 redis 的 key 設(shè)置一個(gè)隨機(jī)值。

@Fork(2) 
@State(Scope.Benchmark) 
@Warmup(iterations = 5, time = 1) 
@Measurement(iterations = 5, time = 1) 
@BenchmarkMode(Mode.Throughput) 
public class JedisPoolVSJedisBenchmark { 
   JedisPool pool = new JedisPool("localhost", 6379); 

   @Benchmark 
   public void testPool() { 
       Jedis jedis = pool.getResource(); 
       jedis.set("a", UUID.randomUUID().toString()); 
       jedis.close(); 
   } 

   @Benchmark 
   public void testJedis() { 
       Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379); 
       jedis.set("a", UUID.randomUUID().toString()); 
       jedis.close(); 
   } 
   //此處省略若干行
}

將測試結(jié)果使用 meta-chart 作圖，展示結(jié)果如下圖所示，可以看到使用了連接池的方式，它的吞吐量是未使用連接池方式的 5 倍！

數(shù)據(jù)庫連接池 HikariCP

HikariCP 源于日語“光る”，光的意思，寓意軟件工作速度和光速一樣快，它是 SpringBoot 中默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫連接池。數(shù)據(jù)庫是我們工作中經(jīng)常使用到的組件，針對數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的客戶端連接池是非常多的，它的設(shè)計(jì)原理與我們在本文開頭提到的基本一致，可以有效地減少數(shù)據(jù)庫連接創(chuàng)建、銷毀的資源消耗。

同是連接池，它們的性能也是有差別的，下圖是 HikariCP 官方的一張測試圖，可以看到它優(yōu)異的性能，官方的 JMH 測試代碼見 Github。

一般面試題是這么問的：HikariCP 為什么快呢？主要有三個(gè)方面：

• 它使用 FastList 替代 ArrayList，通過初始化的默認(rèn)值，減少了越界檢查的操作；

• 優(yōu)化并精簡了字節(jié)碼，通過使用 Javassist，減少了動(dòng)態(tài)代理的性能損耗，比如使用 invokestatic 指令代替 invokevirtual 指令；

• 實(shí)現(xiàn)了無鎖的 ConcurrentBag，減少了并發(fā)場景下的鎖競爭。

HikariCP 對性能的一些優(yōu)化操作，是非常值得我們借鑒的，在之后的博客中，我們將詳細(xì)分析幾個(gè)優(yōu)化場景。

數(shù)據(jù)庫連接池同樣面臨一個(gè)最大值（maximumPoolSize）和最小值（minimumIdle）的問題。這里同樣有一個(gè)非常高頻的面試題：你平常會(huì)把連接池設(shè)置成多大呢？

很多同學(xué)認(rèn)為，連接池的大小設(shè)置得越大越好，有的同學(xué)甚至把這個(gè)值設(shè)置成 1000 以上，這是一種誤解。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)庫連接，只需要 20~50 個(gè)就夠用了。具體的大小，要根據(jù)業(yè)務(wù)屬性進(jìn)行調(diào)整，但大得離譜肯定是不合適的。

HikariCP 官方是不推薦設(shè)置 minimumIdle 這個(gè)值的，它將被默認(rèn)設(shè)置成和 maximumPoolSize 一樣的大小。如果你的數(shù)據(jù)庫Server端連接資源空閑較大，不妨也可以去掉連接池的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。

另外，根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢和事務(wù)類型，一個(gè)應(yīng)用中是可以配置多個(gè)數(shù)據(jù)庫連接池的，這個(gè)優(yōu)化技巧很少有人知道，在此簡要描述一下。

業(yè)務(wù)類型通常有兩種：一種需要快速的響應(yīng)時(shí)間，把數(shù)據(jù)盡快返回給用戶；另外一種是可以在后臺(tái)慢慢執(zhí)行，耗時(shí)比較長，對時(shí)效性要求不高。如果這兩種業(yè)務(wù)類型，共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接池，就容易發(fā)生資源爭搶，進(jìn)而影響接口響應(yīng)速度。雖然微服務(wù)能夠解決這種情況，但大多數(shù)服務(wù)是沒有這種條件的，這時(shí)就可以對連接池進(jìn)行拆分。

如圖，在同一個(gè)業(yè)務(wù)中，根據(jù)業(yè)務(wù)的屬性，我們分了兩個(gè)連接池，就是來處理這種情況的。

HikariCP 還提到了另外一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，在 JDBC4 的協(xié)議中，通過 Connection.isValid() 就可以檢測連接的有效性。這樣，我們就不用設(shè)置一大堆的 test 參數(shù)了，HikariCP 也沒有提供這樣的參數(shù)。

結(jié)果緩存池

到了這里你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)池（Pool）與緩存（Cache）有許多相似之處。

它們之間的一個(gè)共同點(diǎn)，就是將對象加工后，存儲(chǔ)在相對高速的區(qū)域。我習(xí)慣性將緩存看作是數(shù)據(jù)對象，而把池中的對象看作是執(zhí)行對象。緩存中的數(shù)據(jù)有一個(gè)命中率問題，而池中的對象一般都是對等的。

考慮下面一個(gè)場景，jsp 提供了網(wǎng)頁的動(dòng)態(tài)功能，它可以在執(zhí)行后，編譯成 class 文件，加快執(zhí)行速度；再或者，一些媒體平臺(tái)，會(huì)將熱門文章，定時(shí)轉(zhuǎn)化成靜態(tài)的 html 頁面，僅靠 nginx 的負(fù)載均衡即可應(yīng)對高并發(fā)請求（動(dòng)靜分離）。

這些時(shí)候，你很難說清楚，這是針對緩存的優(yōu)化，還是針對對象進(jìn)行了池化，它們在本質(zhì)上只是保存了某個(gè)執(zhí)行步驟的結(jié)果，使得下次訪問時(shí)不需要從頭再來。我通常把這種技術(shù)叫作結(jié)果緩存池（Result Cache Pool），屬于多種優(yōu)化手段的綜合。

小結(jié)

下面我來簡單總結(jié)一下本文的內(nèi)容重點(diǎn)：

我們從 Java 中最通用的公用池化包 Commons Pool 2 說起，介紹了它的一些實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并對一些重要參數(shù)的應(yīng)用做了講解；Jedis 就是在 Commons Pool 2 的基礎(chǔ)上封裝的，通過 JMH 測試，我們發(fā)現(xiàn)對象池化之后，有了接近 5 倍的性能提升；接下來介紹了數(shù)據(jù)庫連接池中速度速快的 HikariCP ，它在池化技術(shù)之上，又通過編碼技巧進(jìn)行了進(jìn)一步的性能提升，HikariCP 是我重點(diǎn)研究的類庫之一，我也建議你加入自己的任務(wù)清單中。

總體來說，當(dāng)你遇到下面的場景，就可以考慮使用池化來增加系統(tǒng)性能：

• 對象的創(chuàng)建或者銷毀，需要耗費(fèi)較多的系統(tǒng)資源；
• 對象的創(chuàng)建或者銷毀，耗時(shí)長，需要繁雜的操作和較長時(shí)間的等待；
• 對象創(chuàng)建后，通過一些狀態(tài)重置，可被反復(fù)使用。

將對象池化之后，只是開啟了第一步優(yōu)化。要想達(dá)到最優(yōu)性能，就不得不調(diào)整池的一些關(guān)鍵參數(shù)，合理的池大小加上合理的超時(shí)時(shí)間，就可以讓池發(fā)揮更大的價(jià)值。和緩存的命中率類似，對池的監(jiān)控也是非常重要的。

如下圖，可以看到數(shù)據(jù)庫連接池連接數(shù)長時(shí)間保持在高位不釋放，同時(shí)等待的線程數(shù)急劇增加，這就能幫我們快速定位到數(shù)據(jù)庫的事務(wù)問題。

平常的編碼中，有很多類似的場景。比如 Http 連接池，Okhttp 和 Httpclient 就都提供了連接池的概念，你可以類比著去分析一下，關(guān)注點(diǎn)也是在連接大小和超時(shí)時(shí)間上；在底層的中間件，比如 RPC，也通常使用連接池技術(shù)加速資源獲取，比如 Dubbo 連接池、 Feign 切換成 httppclient 的實(shí)現(xiàn)等技術(shù)。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在不同資源層面的池化設(shè)計(jì)也是類似的。比如線程池，通過隊(duì)列對任務(wù)進(jìn)行了二層緩沖，提供了多樣的拒絕策略等，線程池我們將在后續(xù)的文章中進(jìn)行介紹。

線程池的這些特性，你同樣可以借鑒到連接池技術(shù)中，用來緩解請求溢出，創(chuàng)建一些溢出策略?，F(xiàn)實(shí)情況中，我們也會(huì)這么做。那么具體怎么做？有哪些做法？這部分內(nèi)容就留給大家思考了。

來源：tomcat.blog.csdn.net/article/details/123867269