在我們平常的編碼中，通常會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比較長的時間，如果頻繁地申請和銷毀，就會耗費大量的系統(tǒng)資源，造成不必要的性能損失。

并且這些對象都有一個顯著的特征，就是通過輕量級的重置工作，可以循環(huán)、重復地使用。這個時候，我們就可以使用一個虛擬的池子，將這些資源保存起來，當使用的時候，我們就從池子里快速獲取一個即可。

在Java 中，池化技術(shù)應用非常廣泛，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)務需求，使用這套 API 能夠很容易實現(xiàn)對象的池化管理。

org.apache.commons
commons-pool2
2.11.1

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

publicGenericObjectPool(
finalPooledObjectFactoryfactory,
finalGenericObjectPoolConfigconfig)

案例

Redis 的常用客戶端 Jedis，就是使用 Commons Pool 管理連接池的，可以說是一個最佳實踐。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) 進行簡單包裝返回。
redis.clients.jedis.JedisFactory，使用工廠創(chuàng)建對象。

@Override
publicPooledObjectmakeObject()throwsException{


Jedisjedis=null;
try{


jedis=newJedis(jedisSocketFactory,clientConfig);
//主要的耗時操作
jedis.connect();
//返回包裝對象
returnnewDefaultPooledObject<>(jedis);
}catch(JedisExceptionje){


if(jedis!=null){


try{


jedis.quit();
}catch(RuntimeExceptione){


logger.warn("ErrorwhileQUIT",e);
}
try{


jedis.close();
}catch(RuntimeExceptione){


logger.warn("Errorwhileclose",e);
}
}
throwje;
}
}

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

publicTborrowObject(finalDurationborrowMaxWaitDuration)throwsException{


//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？這個存儲的職責，就是由一個叫作 LinkedBlockingDeque的結(jié)構(gòu)來承擔的，它是一個雙向的隊列。
接下來看一下 GenericObjectPoolConfig 的主要屬性：

//GenericObjectPoolConfig本身的屬性
privateintmaxTotal=DEFAULT_MAX_TOTAL;
privateintmaxIdle=DEFAULT_MAX_IDLE;
privateintminIdle=DEFAULT_MIN_IDLE;
//其父類BaseObjectPoolConfig的屬性
privatebooleanlifo=DEFAULT_LIFO;
privatebooleanfairness=DEFAULT_FAIRNESS;
privatelongmaxWaitMillis=DEFAULT_MAX_WAIT_MILLIS;
privatelongminEvictableIdleTimeMillis=DEFAULT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
privatelongevictorShutdownTimeoutMillis=DEFAULT_EVICTOR_SHUTDOWN_TIMEOUT_MILLIS;
privatelongsoftMinEvictableIdleTimeMillis=DEFAULT_SOFT_MIN_EVICTABLE_IDLE_TIME_MILLIS;
privateintnumTestsPerEvictionRun=DEFAULT_NUM_TESTS_PER_EVICTION_RUN;
privateEvictionPolicyevictionPolicy=null;
//Only2.6.0applicationssetthis
privateStringevictionPolicyClassName=DEFAULT_EVICTION_POLICY_CLASS_NAME;
privatebooleantestOnCreate=DEFAULT_TEST_ON_CREATE;
privatebooleantestOnBorrow=DEFAULT_TEST_ON_BORROW;
privatebooleantestOnReturn=DEFAULT_TEST_ON_RETURN;
privatebooleantestWhileIdle=DEFAULT_TEST_WHILE_IDLE;
privatelongtimeBetweenEvictionRunsMillis=DEFAULT_TIME_BETWEEN_EVICTION_RUNS_MILLIS;
privatebooleanblockWhenExhausted=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池化對象在整個池子中的生命周期。如下圖所示，池子的操作主要有兩個：一個是業(yè)務線程，一個是檢測線程。

對象池在進行初始化時，要指定三個主要的參數(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)務線程有關，當業(yè)務線程想要獲取對象時，會首先檢測是否有空閑的對象。如果有，則返回一個；否則進入創(chuàng)建邏輯。此時，如果池中個數(shù)已經(jīng)達到了最大值，就會創(chuàng)建失敗，返回空對象。

對象在獲取的時候，有一個非常重要的參數(shù)，那就是最大等待時間（maxWaitMillis），這個參數(shù)對應用方的性能影響是比較大的。該參數(shù)默認為 -1，表示永不超時，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)務線程會持續(xù)阻塞 （blockWhenExhausted 默認為 true），進而導致正常服務也不能運行。

面試題

一般面試官會問：你會把超時參數(shù)設置成多大呢？

我一般都會把最大等待時間，設置成接口可以忍受的最大延遲。比如，一個正常服務響應時間 10ms 左右，達到 1 秒鐘就會感覺到卡頓，那么這個參數(shù)設置成 500~1000ms 都是可以的。超時之后，會拋出 NoSuchElementException 異常，請求會快速失敗，不會影響其他業(yè)務線程，這種 Fail Fast 的思想，在互聯(lián)網(wǎng)應用非常廣泛。

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候比較昂貴，在運行時也會占用系統(tǒng)資源。比如，連接池會占用多條連接，線程池會增加調(diào)度開銷等。業(yè)務在突發(fā)流量下，會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，就會被強制回收掉，這個值默認是 30 分鐘；softMinEvictableIdleTimeMillis參數(shù)類似，但它只有在當前對象數(shù)量大于 minIdle 的時候才會執(zhí)行移除，所以前者的動作要更暴力一些。

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

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

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？下面是一個簡單的 JMH 測試例子（見倉庫），進行一個簡單的 set 操作，為 redis 的 key 設置一個隨機值。

@Fork(2)
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations=5,time=1)
@Measurement(iterations=5,time=1)
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
publicclassJedisPoolVSJedisBenchmark{


JedisPoolpool=newJedisPool("localhost",6379);

@Benchmark
publicvoidtestPool(){


Jedisjedis=pool.getResource();
jedis.set("a",UUID.randomUUID().toString());
jedis.close();
}

@Benchmark
publicvoidtestJedis(){


Jedisjedis=newJedis("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)庫設計的客戶端連接池是非常多的，它的設計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？主要有三個方面：

• 它使用 FastList 替代 ArrayList，通過初始化的默認值，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，減少了動態(tài)代理的性能損耗，比如使用 invokestatic 指令代替 invokevirtual 指令；
• 實現(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，我們將詳細分析幾個優(yōu)化場景。

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

很多同學認為，連接池的大小設置得越大越好，有的同學甚至把這個值設置成 1000 以上，這是一種誤解。根據(jù)經(jīng)驗，數(shù)據(jù)庫連接，只需要 20~50 個就夠用了。具體的大小，要根據(jù)業(yè)務屬性進行調(diào)整，但大得離譜肯定是不合適的。

HikariCP 官方是不推薦設置 minimumIdle 這個值的，它將被默認設置成和 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態(tài)調(diào)整功能。

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

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

如圖，在同一個業(yè)務中，根據(jù)業(yè)務的屬性，我們分了兩個連接池，就是來處理這種情況的。

HikariCP 還提到了另外一個知識點，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

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

它們之間的一個共同點，就是將對象加工后，存儲在相對高速的區(qū)域。我習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)有一個命中率問題，而池中的對象一般都是對等的。

考慮下面一個場景，jsp 提供了網(wǎng)頁的動態(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，會將熱門文章，定時轉(zhuǎn)化成靜態(tài)的 html 頁面，僅靠 nginx 的負載均衡即可應對高并發(fā)請求（動靜分離）。

這些時候，你很難說清楚，這是針對緩存的優(yōu)化，還是針對對象進行了池化，它們在本質(zhì)上只是保存了某個執(zhí)行步驟的結(jié)果，使得下次訪問時不需要從頭再來。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：

我們從Java 中最通用的公用池化包 Commons Pool 2 說起，介紹了它的一些實現(xiàn)細節(jié)，并對一些重要參數(shù)的應用做了講解；Jedis 就是在 Commons Pool 2 的基礎上封裝的，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，又通過編碼技巧進行了進一步的性能提升，HikariCP 是我重點研究的類庫之一，我也建議你加入自己的任務清單中。

總體來說，當你遇到下面的場景，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，需要耗費較多的系統(tǒng)資源；
• 對象的創(chuàng)建或者銷毀，耗時長，需要繁雜的操作和較長時間的等待；
• 對象創(chuàng)建后，通過一些狀態(tài)重置，可被反復使用。

將對象池化之后，只是開啟了第一步優(yōu)化。要想達到最優(yōu)性能，就不得不調(diào)整池的一些關鍵參數(shù)，合理的池大小加上合理的超時時間，就可以讓池發(fā)揮更大的價值。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)長時間保持在高位不釋放，同時等待的線程數(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，關注點也是在連接大小和超時時間上；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 的實現(xiàn)等技術(shù)。

你會發(fā)現(xiàn)，在不同資源層面的池化設計也是類似的。比如線程池，通過隊列對任務進行了二層緩沖，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)實情況中，我們也會這么做。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，歡迎你在下方留言，與大家一起分享討論。

點也是在連接大小和超時時間上；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 的實現(xiàn)等技術(shù)。