Java 模拟数据库连接池的实现

前面学习过等待 - 通知机制，现在我们在其基础上添加一个超时机制，模拟从连接池中获取、使用和释放连接的过程。客户端获取连接的过程被设定为等待超时模式，即如果在 1000 毫秒内无法获取到可用连接，将会返回给客户端一个 null。设定连接池的大小为 10 个，然后通过调节客户端的线程数来模拟无法获取连接的场景

由于 java.sql.Connection 只是一个接口，最终实现是由数据库驱动提供方来实现，考虑到本例只是演示，我们通过动态代理构造一个 Connection，该 Connection 的代理仅仅是在调用 commit() 方法时休眠 100 毫秒

public class ConnectionDriver {

    static class ConnectionHandler implements InvocationHandler {

        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            if ("commit".equals(method.getName())) {
                TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(100);
            }
            return null;
        }
    }

    /**
     * 创建一个 Connection 的代理，在 commit 时休眠 100 毫秒
     */
    public static Connection createConnection() {
        return (Connection) Proxy.newProxyInstance(ConnectionDriver.class.getClassLoader(),
                new Class<?>[]{Connection.class}, new ConnectionHandler());
    }
}

接下来是线程池的实现。本例通过一个双向队列来维护连接，调用方需要先调用 fetchConnection(long) 方法来指定在多少毫秒内超时获取连接，当连接使用完成后，需要调用 releaseConnection(Connection) 方法将连接放回线程池

public class ConnectionPool {

    private final LinkedList<Connection> pool = new LinkedList<>();

    public ConnectionPool(int initialSize) {
        // 初始化连接的最大上限
        if (initialSize > 0) {
            for (int i = 0; i < initialSize; i++) {
                pool.addLast(ConnectionDriver.createConnection());
            }
        }
    }

    public void releaseConnection(Connection connection) {
        if (connection != null) {
            synchronized (pool) {
                /* 连接释放后需要进行通知
                 * 这样其他消费者就能知道连接池已经归还了一个连接
                 */
                pool.addLast(connection);
                pool.notifyAll();
            }
        }
    }

    /**
     * 在给定毫秒时间内获取连接
     */
    public Connection fetchConnection(long mills) throws InterruptedException {
        synchronized (pool) {
            // 完全超时
            if (mills < 0) {
                while (pool.isEmpty()) {
                    pool.wait();
                }
                return pool.removeFirst();
            } else {
                long future = System.currentTimeMillis() + mills;
                long remaining = mills;
                while (pool.isEmpty() && remaining > 0) {
                    pool.wait(remaining);
                    remaining = future - System.currentTimeMillis();
                }
                Connection result = null;
                if (!pool.isEmpty()) {
                    result = pool.removeFirst();
                }
                return result;
            }
        }
    }
}

最后编写一个用于模拟客户端获取连接的示例，该示例将模拟多个线程同时从连接池获取连接，并记录总尝试获取数、获取成功数和获取失败数

public class ConnectionPoolTest {

    static ConnectionPool pool = new ConnectionPool(10);
    static CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
    static CountDownLatch end;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程数量
        int threadCount = 200;
        end = new CountDownLatch(threadCount);
        int count = 20;
        AtomicInteger got = new AtomicInteger();
        AtomicInteger notGot = new AtomicInteger();
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            Thread thread = new Thread(new ConnectionRunner(count, got, notGot), "ConnectionRunnerThread");
            thread.start();
        }
        start.countDown();
        end.await();
        System.out.println("total invoke : " + (threadCount * count));
        System.out.println("got connection : " + got);
        System.out.println("not got connection : " + notGot);
    }

    static class ConnectionRunner implements Runnable {

        int count;
        AtomicInteger got;
        AtomicInteger notGot;

        public ConnectionRunner(int count, AtomicInteger got, AtomicInteger notGot) {
            this.count = count;
            this.got = got;
            this.notGot = notGot;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                start.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            while (count > 0) {
                try {
                    // 从线程池中获取连接，如果 1000ms 内无法获取到，将返回 null
                    // 分别统计获取连接的数量 got 和未获取到的数量 notGot
                    Connection connection = pool.fetchConnection(1000);
                    if (connection != null) {
                        try {
                            connection.createStatement();
                            connection.commit();
                        } finally {
                            pool.releaseConnection(connection);
                            got.incrementAndGet();
                        }
                    } else {
                        notGot.incrementAndGet();
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    count--;
                }
            }
            end.countDown();
        }
    }
}

笔者设置线程数量为 200 时，得出结果如下

当设置为 500 时，得出结果如下，当然具体结果根据机器性能而异

可见，随着客户端线程数的增加，客户端出现超时无法获取连接的比率不断升高。这种等待超时模式能保证程序出问题时，线程不会一直运行，而是按时返回，并告知客户端获取连接出现问题。数据库连接池的实际也可以应用到其他资源获取的场景，针对昂贵资源的获取都应该加以限制