高并发系统设计：如何减少频繁创建数据库连接的性能损耗？

Posted 2020-12-12 wt645631686

数据库的调用方式是先获取数据库的连接，然后依靠这条连接从数据库中查询数据，最后关闭连接释放数据库资源。这种调用方式下，每次执行SQL都需要重新建立连接，频繁地建立数据库连接耗费时间长导致了访问慢的问题。

那么为什么频繁创建连接会造成响应时间慢呢？来看一个实际的测试。

我用"tcpdump -i bond0 -nn -tttt port 4490"命令抓取了线上mysql建立连接的网络包来做分析，从抓包结果来看，整个MySQL的连接过程可以分为两部分：

第一部分是前三个数据包。第一个数据包是客户端向服务端发送的一个“SYN”包，第二个包是服务端回给客户端的“ACK”包以及一个“SYN”包，第三个包是客户端回给服务端的“ACK”包，熟悉TCP协议的同学可以看出这是一个TCP的三次握手过程。

第二部分是MySQL服务端校验客户端密码的过程。其中第一个包是服务端发给客户端要求认证的报文，第二和第三个包是客户端将加密后的密码发送给服务端的包，最后两个包是服务端回给客户端认证OK的报文。从图中，你可以看到整个连接过程大概消耗了4ms（969012-964904）。

 

 

用连接池预先建立数据库连接

其实，在开发过程中我们会用到很多的连接池，像是数据库连接池、HTTP连接池、Redis连接池等等。而连接池的管理是连接池设计的核心，我就以数据库连接池为例，来说明一下连接池管理的关键点。

数据库连接池有两个最重要的配置：最小连接数和最大连接数，它们控制着从连接池中获取连接的流程：

• 如果当前连接数小于最小连接数，则创建新的连接处理数据库请求；
• 如果连接池中有空闲连接则复用空闲连接；
• 如果空闲池中没有连接并且当前连接数小于最大连接数，则创建新的连接处理请求；
• 如果当前连接数已经大于等于最大连接数，则按照配置中设定的时间（C3P0的连接池配置是checkoutTimeout）等待旧的连接可用；
• 如果等待超过了这个设定时间则向用户抛出错误。

在这里，你需要注意池子中连接的维护问题，出现问题原因可能有以下几种：

1.数据库的域名对应的IP发生了变更，池子的连接还是使用旧的IP，当旧的IP下的数据库服务关闭后，再使用这个连接查询就会发生错误；

2.MySQL有个参数是“wait_timeout”，控制着当数据库连接闲置多长时间后，数据库会主动的关闭这条连接。这个机制对于数据库使用方是无感知的，所以当我们使用这个被关闭的连接时就会发生错误。

用线程池预先创建线程

JDK 1.5中引入的ThreadPoolExecutor就是一种线程池的实现，它有两个重要的参数：coreThreadCount和maxThreadCount，这两个参数控制着线程池的执行过程。

• 如果线程池中的线程数少于coreThreadCount时，处理新的任务时会创建新的线程；
• 如果线程数大于coreThreadCount则把任务丢到一个队列里面，由当前空闲的线程执行；
• 当队列中的任务堆积满了的时候，则继续创建线程，直到达到maxThreadCount；
• 当线程数达到maxTheadCount时还有新的任务提交，那么我们就不得不将它们丢弃了。

 

 

这个任务处理流程看似简单，实际上有很多坑，你在使用的时候一定要注意。

首先， JDK实现的这个线程池优先把任务放入队列暂存起来，而不是创建更多的线程，它比较适用于执行CPU密集型的任务，也就是需要执行大量CPU运算的任务。这是为什么呢？因为执行CPU密集型的任务时CPU比较繁忙，因此只需要创建和CPU核数相当的线程就好了，多了反而会造成线程上下文切换，降低任务执行效率。所以当当前线程数超过核心线程数时，线程池不会增加线程，而是放在队列里等待核心线程空闲下来。

但是，我们平时开发的Web系统通常都有大量的IO操作，比方说查询数据库、查询缓存等等。任务在执行IO操作的时候CPU就空闲了下来，这时如果增加执行任务的线程数而不是把任务暂存在队列中，就可以在单位时间内执行更多的任务，大大提高了任务执行的吞吐量。所以你看Tomcat使用的线程池就不是JDK原生的线程池，而是做了一些改造，当线程数超过coreThreadCount之后会优先创建线程，直到线程数到达maxThreadCount，这样就比较适合于Web系统大量IO操作的场景了，你在实际运用过程中也可以参考借鉴。

其次，线程池中使用的队列的堆积量也是我们需要监控的重要指标，对于实时性要求比较高的任务来说，这个指标尤为关键。

我在实际项目中就曾经遇到过任务被丢给线程池之后，长时间都没有被执行的诡异问题。最初，我认为这是代码的Bug导致的，后来经过排查发现，是因为线程池的coreThreadCount和maxThreadCount设置的比较小，导致任务在线程池里面大量的堆积，在调大了这两个参数之后问题就解决了。跳出这个坑之后，我就把重要线程池的队列任务堆积量，作为一个重要的监控指标放到了系统监控大屏上。

最后，如果你使用线程池请一定记住不要使用无界队列（即没有设置固定大小的队列）。也许你会觉得使用了无界队列后，任务就永远不会被丢弃，只要任务对实时性要求不高，反正早晚有消费完的一天。但是，大量的任务堆积会占用大量的内存空间，一旦内存空间被占满就会频繁地触发Full GC，造成服务不可用，我之前排查过的一次GC引起的宕机，起因就是系统中的一个线程池使用了无界队列。

理解了线程池的关键要点，你在系统里加上了这个特性，至此，系统稳定，你圆满完成了公司给你的研发任务。

这时，你回顾一下这两种技术，会发现它们都有一个共同点：它们所管理的对象，无论是连接还是线程，它们的创建过程都比较耗时，也比较消耗系统资源。所以，我们把它们放在一个池子里统一管理起来，以达到提升性能和资源复用的目的。

这是一种常见的软件设计思想，叫做池化技术，它的核心思想是空间换时间，期望使用预先创建好的对象来减少频繁创建对象的性能开销，同时还可以对对象进行统一的管理，降低了对象的使用的成本，总之是好处多多。

不过，池化技术也存在一些缺陷，比方说存储池子中的对象肯定需要消耗多余的内存，如果对象没有被频繁使用，就会造成内存上的浪费。再比方说，池子中的对象需要在系统启动的时候就预先创建完成，这在一定程度上增加了系统启动时间。

可这些缺陷相比池化技术的优势来说就比较微不足道了，只要我们确认要使用的对象在创建时确实比较耗时或者消耗资源，并且这些对象也确实会被频繁地创建和销毁，我们就可以使用池化技术来优化。