一、数据库连接池

上图的架构是每个人都最熟悉，最简单的架构了。一开始用户访问量并不大，当系统推广之后很快带来了一大波流量，但这时，系统的访问速度开始变慢。

系统慢的原因出现在和数据库的交互上。因为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，所以频繁地建立数据库连接耗费时间长导致了访问慢的问题。

整个MySQL的连接过程分为两部分：

**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）。

在请求量小的时候其实影响不大，因为无论是建立连接还是执行 SQL，耗时都是毫秒级别的。可是请求量上来之后，如果按照原来的方式建立一次连接只执行一条 SQL 的话，1s 只能执行 200 次数据库的查询，而数据库建立连接的时间占了其中 4/5。

1.1使用数据库连接池

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。

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。

对于数据库连接池，一般在线上我建议最小连接数控制在 10 左右，最大连接数控制在 20～30 左右即可。

一般情况下，数据库连接可能发生异常：

  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。

保证数据库连接池中的连接可用：

  1. 启动一个线程来定期检测连接池中的连接是否可用，比如使用连接发送“select 1”的命令给数据库看是否会抛出异常，如果抛出异常则将这个连接从连接池中移除，并且尝试关闭。目前 C3P0 连接池可以采用这种方式来检测连接是否可用，比较推荐的方式。

  2. 在获取到连接之后，先校验连接是否可用，如果可用才会执行 SQL 语句。比如 DBCP 连接池的 testOnBorrow 配置项，就是控制是否开启这个验证。这种方式在获取连接时会引入多余的开销，在线上系统中还是尽量不要开启，在测试服务上可以使用。

如果一个非常重要的接口中，需要访问 3 次数据库。这里未来肯定会成为系统瓶颈。

这样可以创建多个线程来并行处理与数据库之间的交互，这样速度就能快了。不过在高并发阶段，频繁创建线程的开销也会很大，于是顺着之前的思路继续想，猜测到了线程池。

二、线程池

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。

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。

**任务被丢给线程池之后，可能会出现长时间都没有被执行的诡异问题。**这是因为线程池的 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。所以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。在JDK中定义的线程池用的都是无界队列，所以要使用线程池，要自己去重新定义一下。

三、总结

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。