Java應用程序訪問數據庫的基本原理

在Java語言中，JDBC（Java DataBase Connection）是應用程序與數據庫溝通的橋梁,

即Java語言通過JDBC技術訪問數據庫。JDBC是一種“開放”的方案，它為數據庫應用開發人員?數據庫前臺工具開發人員提供了一種標準的應用程序設計接口，使開發人員可以用純Java語言編寫完整的數據庫應用程序。JDBC提供兩種API，分別是面向開發人員的API和面向底層的JDBC驅動程序API，底層主要通過直接的JDBC驅動和JDBC-ODBC橋驅動實現與數據庫的連接。

一般來說，Java應用程序訪問數據庫的過程是：

①裝載數據庫驅動程序；

②通過JDBC建立數據庫連接；

③訪問數據庫，執行SQL語句；

④斷開數據庫連接。

JDBC作為一種數據庫訪問技術，具有簡單易用的優點。但使用這種模式進行Web應用

程序開發，存在很多問題：首先，每一次Web請求都要建立一次數據庫連接。建立連接是一個費時的活動，每次都得花費0.05s～1s的時間，而且系統還要分配內存資源。這個時間對于一次或幾次數據庫操作，或許感覺不出系統有多大的開銷?？墒菍τ诂F在的Web應用，尤其是大型電子商務網站，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，頻繁的進行數據庫連接操作勢必占用很多的系統資源，網站的響應速度必定下降，嚴重的甚至會造成服務器的崩潰。不是危言聳聽，這就是制約某些電子商務網站發展的技術瓶頸問題。其次，對于每一次數據庫連接，使用完后都得斷開。否則，如果程序出現異常而未能關閉，將會導致數據庫系統中的內存泄漏，最終將不得不重啟數據庫。還有，這種開發不能控制被創建的連接對象數，系統資源會被毫無顧及的分配出去，如連接過多，也可能導致內存泄漏，服務器崩潰。

數據庫連接池（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據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，可以采用數據庫連接池技術。數據庫連接池的基本思想就是為數據庫連接建立一個“緩沖池”。預先在緩沖池中放入一定數量的連接，當需要建立數據庫連接時，只需從“緩沖池”中取出一個，使用完畢之后再放回去。我們可以通過設定連接池最大連接數來防止系統無盡的與數據庫連接。更為重要的是我們可以通過連接池的管理機制監視數據庫的連接的數量?使用情況，為系統開發?測試及性能調整提供依據。連接池的基本工作原理見下圖2。

2、服務器自帶的連接池

JDBC的API中沒有提供連接池的方法。一些大型的WEB應用服務器如BEA的WebLogic和IBM的WebSphere等提供了連接池的機制，但是必須有其第三方的專用類方法支持連接池的用法。

連接池關鍵問題分析

1、并發問題

為了使連接管理服務具有最大的通用性，必須考慮多線程環境，即并發問題。這個問題相對比較好解決，因為Java語言自身提供了對并發管理的支持，使用synchronized關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關鍵字，如：

public synchronized Connection getConnection（）

2、多數據庫服務器和多用戶

對于大型的企業級應用，常常需要同時連接不同的數據庫（如連接Oracle和Sybase）。如何連接不同的數據庫呢？我們采用的策略是：設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例被創建時讀取一個資源文件，其中資源文件中存放著多個數據庫的url地址（）?用戶名（）?密碼（）等信息。如tx.url=172.21.15.123：5000/tx_it，tx.user=yang，tx.passWord=yang321。根據資源文件提供的信息，創建多個連接池類的實例，每一個實例都是一個特定數據庫的連接池。連接池管理類實例為每個連接池實例取一個名字，通過不同的名字來管理不同的連接池。

對于同一個數據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，即在資源文件中設置多個具有相同url地址，但具有不同用戶名和密碼的數據庫連接信息。

3、事務處理

我們知道，事務具有原子性，此時要求對數據庫的操作符合“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的支持，可以通過設置Connection的AutoCommit屬性為false,然后顯式的調用commit或rollback方法來實現。但要高效的進行Connection復用，就必須提供相應的事務支持機制?？刹捎妹恳粋€事務獨占一個連接來實現，這種方法可以大大降低事務管理的復雜性。

4、連接池的分配與釋放

連接池的分配與釋放，對系統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。即把已經創建但尚未分配出去的連接按創建時間存放到一個空閑池中。每當用戶請求一個連接時，系統首先檢查空閑池內有沒有空閑連接。如果有就把建立時間最長（通過容器的順序存放實現）的那個連接分配給他（實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）；如果沒有則檢查當前所開連接池是否達到連接池所允許的最大連接數（maxConn）,如果沒有達到，就新建一個連接，如果已經達到，就等待一定的時間（timeout）。如果在等待的時間內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定時間timeout,則返回空值（null）。系統對已經分配出去正在使用的連接只做計數，當使用完后再返還給空閑池。對于空閑連接的狀態，可開辟專門的線程定時檢測，這樣會花費一定的系統開銷，但可以保證較快的響應速度。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

連接池中到底應該放置多少連接，才能使系統的性能最佳？系統可采取設置最小連接數（minConn）和最大連接數（maxConn）來控制連接池中的連接。最小連接數是系統啟動時連接池所創建的連接數。如果創建過多，則系統啟動就慢，但創建后系統的響應速度會很快；如果創建過少，則系統啟動的很快，響應起來卻慢。這樣，可以在開發時，設置較小的最小連接數，開發起來會快，而在系統實際使用時設置較大的，因為這樣對訪問客戶來說速度會快些。最大連接數是連接池中允許連接的最大數目，具體設置多少，要看系統的訪問量，可通過反復測試，找到最佳點。

如何確保連接池中的最小連接數呢？有動態和靜態兩種策略。動態即每隔一定時間就對連接池進行檢測，如果發現連接數量小于最小連接數，則補充相應數量的新連接,以保證連接池的正常運轉。靜態是發現空閑連接不夠時再去檢查。

連接池的實現

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據庫所有連接的“緩沖池”，主要實現以下功能：①從連接池獲取或創建可用連接；②使用完畢之后，把連接返還給連接池；③在系統關閉前，斷開所有連接并釋放連接占用的系統資源；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不低于某個預定值和不超過某個預定值。

連接池管理類是連接池類的外覆類（wrapper）,符合單例模式，即系統中只能有一個連接池管理類的實例。其主要用于對多個連接池對象的管理，具有以下功能：①裝載并注冊特定數據庫的JDBC驅動程序；②根據屬性文件給定的信息，創建連接池對象；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，實現連接池名字與其實例之間的映射；④跟蹤客戶使用連接情況，以便需要是關閉連接釋放資源。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，如系統需要連接不同的數據庫，或連接相同的數據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、連接池實現

下面給出連接池類和連接池管理類的主要屬性及所要實現的基本接口：

public class DBConnectionPool implements TimerListener{

PRivate int checkedOut;//已被分配出去的連接數

private ArrayList freeConnections = new ArrayList();//容器，空閑池，根據//創建時間順序存放已創建但尚未分配出去的連接

private int minConn;//連接池里連接的最小數量

private int maxConn;//連接池里允許存在的最大連接數

private String name;//為這個連接池取個名字，方便管理

private String password;//連接數據庫時需要的密碼

private String url;//所要創建連接的數據庫的地址

private String user;//連接數據庫時需要的用戶名

public Timer timer;//定時器

public DBConnectionPool(String name, String URL, String user, String

password, int maxConn)//公開的構造函數

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，釋放占用的系統資源

private Connection newConnection()//新建一個數據庫連接

public synchronized void TimerEvent() //定時器事件處理函數

}

public class DBConnectionManager {

static private DBConnectionManager instance;//連接池管理類的唯一實例

static private int clients;//客戶數量

private ArrayList drivers = new ArrayList();//容器，存放數據庫驅動程序

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//實例instance已經創建，直接返回這個實例;否則，調用私有構造函數，創//建連接池管理類的唯一實例

private DBConnectionManager()//私有構造函數,在其中調用初始化函數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)//根據屬性文件提供的信息，創建//一個或多個連接池

private void init()//初始化連接池管理類的唯一實例，由私有構造函數調用

private void loadDrivers(Properties props)//裝載數據庫驅動程序

}

3、連接池使用

上面所實現的連接池在程序開發時如何應用到系統中呢？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，調用其初始化（init）方法。之后每個用戶請求都導致一個調用前面建立的實例的service方法的線程。最后，當服務器決定卸載一個servlet時，它首先調用該servlet的 destroy方法。

根據servlet的特點，我們可以在初始化函數中生成連接池管理類的唯一實例（其中包括創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，執行數據庫操作。最后在destroy方法中釋放占用的系統資源，如：

public void destroy() {

connMgr.release(); super.destroy();

}

結束語

在使用JDBC進行與數據庫有關的應用開發中，數據庫連接的管理是一個難點。很多時候，連接的混亂管理所造成的系統資源開銷過大成為制約大型企業級應用效率的瓶頸。對于眾多用戶訪問的Web應用，采用數據庫連接技術的系統在效率和穩定性上比采用傳統的其他方式的系統要好很多。本文闡述了使用JDBC訪問數據庫的技術?討論了基于連接池技術的數據庫連接管理的關鍵問題并給出了一個實現模型。文章所給出的是連接池管理程序的一種基本模式，為提高系統的整體性能，在此基礎上還可以進行很多有意義的擴展。