摘 要 本文介紹了Java訪問數(shù)據(jù)庫的原理及其存在的問題，提出了解決辦法－數(shù)據(jù)庫連接池，并對其關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，構(gòu)建了一個簡便易用的連接池并結(jié)合當(dāng)前熱門技術(shù)Servlet說明了其如何在開發(fā)時使用。
關(guān)鍵詞 JDBC，Jsp/Servlet，數(shù)據(jù)庫連接池，多數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和多用戶，多線程
引言 近年來，隨著Internet/Intranet建網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和在世界范圍內(nèi)的迅速普及，計算機(jī)
應(yīng)用程序已從傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用轉(zhuǎn)到Web應(yīng)用。基于B/S（Browser/Server）架構(gòu)的3層開發(fā)模式逐漸取代C/S（Client/Server）架構(gòu)的開發(fā)模式，成為開發(fā)企業(yè)級應(yīng)用和電子商務(wù)普遍采用的技術(shù)。在Web應(yīng)用開發(fā)的早期，主要使用的技術(shù)是CGI﹑ASP﹑PHP等。之后，Sun公司推出了基于Java語言的Servlet+Jsp+JavaBean技術(shù)。相比傳統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，它具有跨平臺﹑安全﹑有效﹑可移植等特性，這使其更便于使用和開發(fā)。
Java應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫的基本原理 在Java語言中，JDBC（Java DataBase Connection）是應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫溝通的橋梁,
即Java語言通過JDBC技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫。JDBC是一種“開放”的方案，它為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)人員﹑數(shù)據(jù)庫前臺工具開發(fā)人員提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序設(shè)計接口，使開發(fā)人員可以用純Java語言編寫完整的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。JDBC提供兩種API，分別是面向開發(fā)人員的API和面向底層的JDBC驅(qū)動程序API，底層主要通過直接的JDBC驅(qū)動和JDBC-ODBC橋驅(qū)動實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接。
一般來說，Java應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫的過程（如圖1所示）是：
①裝載數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序；
②通過JDBC建立數(shù)據(jù)庫連接；
③訪問數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行SQL語句；
④斷開數(shù)據(jù)庫連接。
 圖1 Java數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制 |
JDBC作為一種數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，具有簡單易用的優(yōu)點(diǎn)。但使用這種模式進(jìn)行Web應(yīng)用
程序開發(fā)，存在很多問題：首先，每一次Web請求都要建立一次數(shù)據(jù)庫連接。建立連接是一個費(fèi)時的活動，每次都得花費(fèi)0.05s～1s的時間，而且系統(tǒng)還要分配內(nèi)存資源。這個時間對于一次或幾次數(shù)據(jù)庫操作，或許感覺不出系統(tǒng)有多大的開銷。可是對于現(xiàn)在的Web應(yīng)用，尤其是大型電子商務(wù)網(wǎng)站，同時有幾百人甚至幾千人在線是很正常的事。在這種情況下，頻繁的進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接操作勢必占用很多的系統(tǒng)資源，網(wǎng)站的響應(yīng)速度必定下降，嚴(yán)重的甚至?xí)斐煞?wù)器的崩潰。不是危言聳聽，這就是制約某些電子商務(wù)網(wǎng)站發(fā)展的技術(shù)瓶頸問題。其次，對于每一次數(shù)據(jù)庫連接，使用完后都得斷開。否則，如果程序出現(xiàn)異常而未能關(guān)閉，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的內(nèi)存泄漏，最終將不得不重啟數(shù)據(jù)庫。還有，這種開發(fā)不能控制被創(chuàng)建的連接對象數(shù)，系統(tǒng)資源會被毫無顧及的分配出去，如連接過多，也可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，服務(wù)器崩潰。
數(shù)據(jù)庫連接池（connection pool）的工作原理 1、基本概念及原理
由上面的分析可以看出，問題的根源就在于對數(shù)據(jù)庫連接資源的低效管理。我們知道，
對于共享資源，有一個很著名的設(shè)計模式：資源池（Resource Pool）。該模式正是為了解決資源的頻繁分配﹑釋放所造成的問題。為解決上述問題，可以采用數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)。數(shù)據(jù)庫連接池的基本思想就是為數(shù)據(jù)庫連接建立一個“緩沖池”。預(yù)先在緩沖池中放入一定數(shù)量的連接，當(dāng)需要建立數(shù)據(jù)庫連接時，只需從“緩沖池”中取出一個，使用完畢之后再放回去。我們可以通過設(shè)定連接池最大連接數(shù)來防止系統(tǒng)無盡的與數(shù)據(jù)庫連接。更為重要的是我們可以通過連接池的管理機(jī)制監(jiān)視數(shù)據(jù)庫的連接的數(shù)量﹑使用情況，為系統(tǒng)開發(fā)﹑測試及性能調(diào)整提供依據(jù)。連接池的基本工作原理見下圖2。
 圖2 連接池的基本工作原理 |
2、服務(wù)器自帶的連接池
JDBC的API中沒有提供連接池的方法。一些大型的WEB應(yīng)用服務(wù)器如BEA的WebLogic和IBM的WebSphere等提供了連接池的機(jī)制，但是必須有其第三方的專用類方法支持連接池的用法。
連接池關(guān)鍵問題分析 1、并發(fā)問題
為了使連接管理服務(wù)具有最大的通用性，必須考慮多線程環(huán)境，即并發(fā)問題。這個問題相對比較好解決，因為Java語言自身提供了對并發(fā)管理的支持，使用synchronized關(guān)鍵字即可確保線程是同步的。使用方法為直接在類方法前面加上synchronized關(guān)鍵字，如：
| public synchronized Connection getConnection（） |
2、多數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和多用戶
對于大型的企業(yè)級應(yīng)用，常常需要同時連接不同的數(shù)據(jù)庫（如連接Oracle和Sybase）。如何連接不同的數(shù)據(jù)庫呢？我們采用的策略是：設(shè)計一個符合單例模式的連接池管理類，在連接池管理類的唯一實(shí)例被創(chuàng)建時讀取一個資源文件，其中資源文件中存放著多個數(shù)據(jù)庫的url地址（<poolName.url>）﹑用戶名（<poolName.user>）﹑密碼（<poolName.password>）等信息。如tx.url=172.21.15.123：5000/tx_it，tx.user=yang，tx.password=yang321。根據(jù)資源文件提供的信息，創(chuàng)建多個連接池類的實(shí)例，每一個實(shí)例都是一個特定數(shù)據(jù)庫的連接池。連接池管理類實(shí)例為每個連接池實(shí)例取一個名字，通過不同的名字來管理不同的連接池。
對于同一個數(shù)據(jù)庫有多個用戶使用不同的名稱和密碼訪問的情況，也可以通過資源文件處理，即在資源文件中設(shè)置多個具有相同url地址，但具有不同用戶名和密碼的數(shù)據(jù)庫連接信息。
3、事務(wù)處理
我們知道，事務(wù)具有原子性，此時要求對數(shù)據(jù)庫的操作符合“ALL-ALL-NOTHING”原則,即對于一組SQL語句要么全做，要么全不做。
在Java語言中，Connection類本身提供了對事務(wù)的支持，可以通過設(shè)置Connection的AutoCommit屬性為false,然后顯式的調(diào)用commit或rollback方法來實(shí)現(xiàn)。但要高效的進(jìn)行Connection復(fù)用，就必須提供相應(yīng)的事務(wù)支持機(jī)制。可采用每一個事務(wù)獨(dú)占一個連接來實(shí)現(xiàn)，這種方法可以大大降低事務(wù)管理的復(fù)雜性。
4、連接池的分配與釋放
連接池的分配與釋放，對系統(tǒng)的性能有很大的影響。合理的分配與釋放，可以提高連接的復(fù)用度，從而降低建立新連接的開銷，同時還可以加快用戶的訪問速度。
對于連接的管理可使用空閑池。即把已經(jīng)創(chuàng)建但尚未分配出去的連接按創(chuàng)建時間存放到一個空閑池中。每當(dāng)用戶請求一個連接時，系統(tǒng)首先檢查空閑池內(nèi)有沒有空閑連接。如果有就把建立時間最長（通過容器的順序存放實(shí)現(xiàn)）的那個連接分配給他（實(shí)際是先做連接是否有效的判斷，如果可用就分配給用戶，如不可用就把這個連接從空閑池刪掉，重新檢測空閑池是否還有連接）；如果沒有則檢查當(dāng)前所開連接池是否達(dá)到連接池所允許的最大連接數(shù)（maxConn）,如果沒有達(dá)到，就新建一個連接，如果已經(jīng)達(dá)到，就等待一定的時間（timeout）。如果在等待的時間內(nèi)有連接被釋放出來就可以把這個連接分配給等待的用戶，如果等待時間超過預(yù)定時間timeout,則返回空值（null）。系統(tǒng)對已經(jīng)分配出去正在使用的連接只做計數(shù)，當(dāng)使用完后再返還給空閑池。對于空閑連接的狀態(tài)，可開辟專門的線程定時檢測，這樣會花費(fèi)一定的系統(tǒng)開銷，但可以保證較快的響應(yīng)速度。也可采取不開辟專門線程，只是在分配前檢測的方法。
5、連接池的配置與維護(hù)
連接池中到底應(yīng)該放置多少連接，才能使系統(tǒng)的性能最佳？系統(tǒng)可采取設(shè)置最小連接數(shù)（minConn）和最大連接數(shù)（maxConn）來控制連接池中的連接。最小連接數(shù)是系統(tǒng)啟動時連接池所創(chuàng)建的連接數(shù)。如果創(chuàng)建過多，則系統(tǒng)啟動就慢，但創(chuàng)建后系統(tǒng)的響應(yīng)速度會很快；如果創(chuàng)建過少，則系統(tǒng)啟動的很快，響應(yīng)起來卻慢。這樣，可以在開發(fā)時，設(shè)置較小的最小連接數(shù)，開發(fā)起來會快，而在系統(tǒng)實(shí)際使用時設(shè)置較大的，因為這樣對訪問客戶來說速度會快些。最大連接數(shù)是連接池中允許連接的最大數(shù)目，具體設(shè)置多少，要看系統(tǒng)的訪問量，可通過反復(fù)測試，找到最佳點(diǎn)。
如何確保連接池中的最小連接數(shù)呢？有動態(tài)和靜態(tài)兩種策略。動態(tài)即每隔一定時間就對連接池進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)連接數(shù)量小于最小連接數(shù)，則補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量的新連接,以保證連接池的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。靜態(tài)是發(fā)現(xiàn)空閑連接不夠時再去檢查。
連接池的實(shí)現(xiàn)
1、連接池模型
本文討論的連接池包括一個連接池類（DBConnectionPool）和一個連接池管理類（DBConnetionPoolManager）。連接池類是對某一數(shù)據(jù)庫所有連接的“緩沖池”，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①從連接池獲取或創(chuàng)建可用連接；②使用完畢之后，把連接返還給連接池；③在系統(tǒng)關(guān)閉前，斷開所有連接并釋放連接占用的系統(tǒng)資源；④還能夠處理無效連接（原來登記為可用的連接，由于某種原因不再可用，如超時，通訊問題），并能夠限制連接池中的連接總數(shù)不低于某個預(yù)定值和不超過某個預(yù)定值。
連接池管理類是連接池類的外覆類（wrapper）,符合單例模式，即系統(tǒng)中只能有一個連接池管理類的實(shí)例。其主要用于對多個連接池對象的管理，具有以下功能：①裝載并注冊特定數(shù)據(jù)庫的JDBC驅(qū)動程序；②根據(jù)屬性文件給定的信息，創(chuàng)建連接池對象；③為方便管理多個連接池對象，為每一個連接池對象取一個名字，實(shí)現(xiàn)連接池名字與其實(shí)例之間的映射；④跟蹤客戶使用連接情況，以便需要是關(guān)閉連接釋放資源。連接池管理類的引入主要是為了方便對多個連接池的使用和管理，如系統(tǒng)需要連接不同的數(shù)據(jù)庫，或連接相同的數(shù)據(jù)庫但由于安全性問題，需要不同的用戶使用不同的名稱和密碼。
2、連接池實(shí)現(xiàn)
下面給出連接池類和連接池管理類的主要屬性及所要實(shí)現(xiàn)的基本接口：
public class DBConnectionPool implements TimerListener{
private int checkedOut;//已被分配出去的連接數(shù)
private ArrayList freeConnections = new ArrayList();//容器，空閑池，根據(jù)//創(chuàng)建時間順序存放已創(chuàng)建但尚未分配出去的連接
private int minConn;//連接池里連接的最小數(shù)量
private int maxConn;//連接池里允許存在的最大連接數(shù)
private String name;//為這個連接池取個名字，方便管理
private String password;//連接數(shù)據(jù)庫時需要的密碼
private String url;//所要創(chuàng)建連接的數(shù)據(jù)庫的地址
private String user;//連接數(shù)據(jù)庫時需要的用戶名
public Timer timer;//定時器
public DBConnectionPool(String name, String URL, String user, String
password, int maxConn)//公開的構(gòu)造函數(shù)
public synchronized void freeConnection(Connection con) //使用完畢之后，//把連接返還給空閑池
public synchronized Connection getConnection(long timeout)//得到一個連接，//timeout是等待時間
public synchronized void release()//斷開所有連接，釋放占用的系統(tǒng)資源
private Connection newConnection()//新建一個數(shù)據(jù)庫連接
public synchronized void TimerEvent() //定時器事件處理函數(shù)
}
public class DBConnectionManager {
static private DBConnectionManager instance;//連接池管理類的唯一實(shí)例
static private int clients;//客戶數(shù)量
private ArrayList drivers = new ArrayList();//容器，存放數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序
private HashMap pools = new HashMap ();//以name/value的形式存取連接池//對象的名字及連接池對象
static synchronized public DBConnectionManager getInstance()//如果唯一的//實(shí)例instance已經(jīng)創(chuàng)建，直接返回這個實(shí)例;否則，調(diào)用私有構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)//建連接池管理類的唯一實(shí)例
private DBConnectionManager()//私有構(gòu)造函數(shù),在其中調(diào)用初始化函數(shù)init()
public void freeConnection(String name, Connection con)// 釋放一個連接，//name是一個連接池對象的名字
public Connection getConnection(String name)//從名字為name的連接池對象//中得到一個連接
public Connection getConnection(String name, long time)//從名字為name
//的連接池對象中取得一個連接，time是等待時間
public synchronized void release()//釋放所有資源
private void createPools(Properties props)//根據(jù)屬性文件提供的信息，創(chuàng)建//一個或多個連接池
private void init()//初始化連接池管理類的唯一實(shí)例，由私有構(gòu)造函數(shù)調(diào)用
private void loadDrivers(Properties props)//裝載數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序
} |
3、連接池使用
上面所實(shí)現(xiàn)的連接池在程序開發(fā)時如何應(yīng)用到系統(tǒng)中呢？下面以Servlet為例說明連接池的使用。
Servlet的生命周期是：在開始建立servlet時，調(diào)用其初始化（init）方法。之后每個用戶請求都導(dǎo)致一個調(diào)用前面建立的實(shí)例的service方法的線程。最后，當(dāng)服務(wù)器決定卸載一個servlet時，它首先調(diào)用該servlet的 destroy方法。
根據(jù)servlet的特點(diǎn)，我們可以在初始化函數(shù)中生成連接池管理類的唯一實(shí)例（其中包括創(chuàng)建一個或多個連接池）。如：
public void init() throws ServletException
{
connMgr = DBConnectionManager.getInstance();
} |
然后就可以在service方法中通過連接池名稱使用連接池，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作。最后在destroy方法中釋放占用的系統(tǒng)資源，如：
public void destroy() {
connMgr.release(); super.destroy();
} |
結(jié)束語 在使用JDBC進(jìn)行與數(shù)據(jù)庫有關(guān)的應(yīng)用開發(fā)中，數(shù)據(jù)庫連接的管理是一個難點(diǎn)。很多時候，連接的混亂管理所造成的系統(tǒng)資源開銷過大成為制約大型企業(yè)級應(yīng)用效率的瓶頸。對于眾多用戶訪問的Web應(yīng)用，采用數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)的系統(tǒng)在效率和穩(wěn)定性上比采用傳統(tǒng)的其他方式的系統(tǒng)要好很多。本文闡述了使用JDBC訪問數(shù)據(jù)庫的技術(shù)﹑討論了基于連接池技術(shù)的數(shù)據(jù)庫連接管理的關(guān)鍵問題并給出了一個實(shí)現(xiàn)模型。文章所給出的是連接池管理程序的一種基本模式，為提高系統(tǒng)的整體性能，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行很多有意義的擴(kuò)展。