干掉Druid，HakariCP 为什么这么快？

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引言

Springboot 2.0将 HikariCP 作为默认数据库连接池这一事件之后，HikariCP 作为一个后起之秀出现在大众的视野中。HikariCP 是在日本的程序员开源的，hikari日语意思为“光”，HikariCP 也以速度快的特点受到越来越多人的青睐。

今天就让我们来探讨一下HikariCP为什么这么快？

连接池技术

我们平常编码过程中，经常会碰到线程池啊，数据库连接池啊等等，那么这个池到底是一门怎样的技术呢？

简单来说，连接池是一个创建和管理连接的缓冲池技术。连接池主要由三部分组成：连接池的建立、连接池中连接的使用管理、连接池的关闭。

连接池技术的核心思想是：连接复用，通过建立一个数据库连接池以及一套连接使用、分配、管理策略，使得该连接池中的连接可以得到高效、安全的复用。它不仅仅只限于管理数据库访问连接，也可以管理其他连接资源。

HakariCP

HakariCP 项目的 README 中的一段话。

Fast, simple, reliable. HikariCP is a “zero-overhead” production ready JDBC connection pool. At roughly 130Kb, the library is very light.

快速、简单、可靠。HikariCP是一个“零开销”的生产就绪JDBC连接池。这个库大约有130Kb，非常轻。

这个介绍真是简洁但“全面”。搭配上下边这张图。

看到这些数据，再加上Springboot 2.0 将 HikariCP 作为默认数据库连接池这件事，我已经十分好奇 HikariCP 的实现原理了。

HikariCP为什么这么快？

两个HikariPool：定义了两个HikariPool对象，一个采用final类型定义，避免在获取连接时才初始化，提高性能，也避免volatile的额外开销。
FastList替代ArrayList：采用自定义的FastList替代了ArrayList，FastList的get方法去除了范围检查逻辑，并且remove方法是从尾部开始扫描的，而并不是从头部开始扫描的。因为Connection的打开和关闭顺序通常是相反的。
更快的并发集合实现：使用自定义ConcurrentBag，性能更优。
更快的获取连接：同一个线程获取数据库连接时从ThreadLocal中获取，没有并发操作。
精简字节码：HikariCP利用了一个第三方的Java字节码修改类库Javassist来生成委托实现动态代理，速度更快，相比于JDK 代理生成的字节码更少。

HikariCP原理

我们通过分析源码来看 HikariCP 是如何这么快的。先来看一下 HikariCP 的简单使用。

maven依赖:

<dependency>
    <groupId>com.zaxxer</groupId>
    <artifactId>HikariCP</artifactId>
    <version>4.0.3</version>
</dependency>

@Test
public void testHikariCP() throws SQLException {
    // 1、创建Hikari配置
    HikariConfig hikariConfig = new HikariConfig();
    // JDBC连接串
    hikariConfig.setJdbcUrl("jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/iam?characterEncoding=utf8");
    // 数据库用户名
    hikariConfig.setUsername("root");
    // 数据库用户密码
    hikariConfig.setPassword("123456");
    // 连接池名称
    hikariConfig.setPoolName("testHikari");
    // 连接池中最小空闲连接数量
    hikariConfig.setMinimumIdle(4);
    // 连接池中最大空闲连接数量
    hikariConfig.setMaximumPoolSize(8);
    // 连接在池中的最大空闲时间
    hikariConfig.setIdleTimeout(600000L);
    // 数据库连接超时时间
    hikariConfig.setConnectionTimeout(10000L);

    // 2、创建数据源
    HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(hikariConfig);

    // 3、获取连接
    Connection connection = dataSource.getConnection();

    // 4、获取Statement
    Statement statement = connection.createStatement();

    // 5、执行Sql
    ResultSet resultSet = statement.executeQuery("SELECT COUNT(*) AS countNum tt_user");

    // 6、输出执行结果
    if (resultSet.next()) {
        System.out.println("countNum结果为：" + resultSet.getInt("countNum"));
    }

    // 7、释放链接
    resultSet.close();
    statement.close();
    connection.close();
    dataSource.close();
}

HikariConfig：可以设置一些数据库基本配置信息和一些连接池的配置信息。

HikariDataSource：实现了 DataSource，DataSource是一个数据源标准或者说规范，Java所有连接池需要基于这个规范进行实现。

我们就从 HikariDataSource 开始说起。HikariDataSource有两个构造方法HikariDataSource()和HikariDataSource(HikariConfig configuration)。

private final HikariPool fastPathPool;
private volatile HikariPool pool;

public HikariDataSource()
{
   super();
   fastPathPool = null;
}
public HikariDataSource(HikariConfig configuration)
{
   configuration.validate();
   configuration.copyStateTo(this);

   LOGGER.info("{} - Starting...", configuration.getPoolName());
   pool = fastPathPool = new HikariPool(this);
   LOGGER.info("{} - Start completed.", configuration.getPoolName());

   this.seal();
}

HikariPool为什么要有两个（fastPathPool和pool）呢？

可以看到无参构造方法fastPathPool是null，有参构造pool = fastPathPool，采用无参构造在getConnection()时候才会初始化（下边会详细讲解），性能略低，并且pool是volatile关键字修饰，会有一些额外开销。所以建议使用有参构造。这也是HikariPool快的原因之一。

有参构造里有一行new HikariPool(this)，我们来看一下怎么个事。

代码太多了，往后只贴关键代码了。。。

public HikariPool(final HikariConfig config)
{
   super(config);
   // 初始化ConcurrentBag对象
   this.connectionBag = new ConcurrentBag<>(this);
   // 创建SuspendResumeLock对象 
   this.suspendResumeLock = config.isAllowPoolSuspension() ? new SuspendResumeLock() : SuspendResumeLock.FAUX_LOCK;
   // 根据配置的最大连接数,创建链表类型阻塞队列
   LinkedBlockingQueue<Runnable> addConnectionQueue = new LinkedBlockingQueue<>(maxPoolSize);
   this.addConnectionQueueReadOnlyView = unmodifiableCollection(addConnectionQueue);
   // 初始化创建连接线程池
   this.addConnectionExecutor = createThreadPoolExecutor(addConnectionQueue, poolName + " connection adder", threadFactory, new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
   // 初始化关闭连接线程池
   this.closeConnectionExecutor = createThreadPoolExecutor(maxPoolSize, poolName + " connection closer", threadFactory, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
   // 创建保持连接池连接数量的任务
   this.houseKeeperTask = houseKeepingExecutorService.scheduleWithFixedDelay(new HouseKeeper(), 100L, housekeepingPeriodMs, MILLISECONDS);
   ...
}

HikariPool 是为HikariCP提供基本池行为的主要连接池类。

houseKeepingExecutorService.scheduleWithFixedDelay(new HouseKeeper(), 100L, housekeepingPeriodMs, MILLISECONDS)这行代码是创建保持连接池连接数量的任务。该任务会关闭需要被丢弃的连接，保证最小连接数，HouseKeeper类的run()方法中有一行代码fillPool()会创建连接，我们来看一下。

创建连接

private synchronized void fillPool()
{
    // 计算需要添加的连接数量
    final int connectionsToAdd = Math.min(config.getMaximumPoolSize() - getTotalConnections(), config.getMinimumIdle() - getIdleConnections()) - addConnectionQueue.size();
    for (int i = 0; i < connectionsToAdd; i++) {
        // 向创建连接线程池中提交创建连接的任务
        addConnectionExecutor.submit((i < connectionsToAdd - 1) ? poolEntryCreator : postFillPoolEntryCreator);
    }
    ...
}

来看一下PoolEntryCreator是如何创建连接的。

@Override
public Boolean call()
{
   // 连接池状态正常并且需求创建连接时
   while (poolState == POOL_NORMAL && shouldCreateAnotherConnection()) {
      // 创建PoolEntry对象
      final PoolEntry poolEntry = createPoolEntry();
      if (poolEntry != null) {
         // 将PoolEntry对象添加到ConcurrentBag对象中的sharedList中
         connectionBag.add(poolEntry);
         return Boolean.TRUE;
      }
   }
   ...
   return Boolean.FALSE;
}

PoolEntryCreator实现了Callable接口，在call()方法里可以看到创建连接的过程。来继续看一下createPoolEntry()方法。

 private PoolEntry createPoolEntry()
{
    // 初始化PoolEntry对象
    final PoolEntry poolEntry = newPoolEntry();
    ...
}

继续进入newPoolEntry()方法。

PoolEntry newPoolEntry() throws Exception
{
   return new PoolEntry(newConnection(), this, isReadOnly, isAutoCommit);
}

PoolEntry构造时会先创建Connection对象传入构造函数中。PoolEntry是ConcurrentBag实例中用来跟踪Connection的。

获取链接

获取链接是通过getConnection()方法获取的，源码如下。

public Connection getConnection() throws SQLException
{
   if (isClosed()) {
      throw new SQLException("HikariDataSource " + this + " has been closed.");
   }
   
   if (fastPathPool != null) {
      return fastPathPool.getConnection();
   }

   HikariPool result = pool;
   if (result == null) {
      synchronized (this) {
         result = pool;
         if (result == null) {
            validate();
            LOGGER.info("{} - Starting...", getPoolName());
            try {
               pool = result = new HikariPool(this);
               this.seal();
            }
            catch (PoolInitializationException pie) {
               if (pie.getCause() instanceof SQLException) {
                  throw (SQLException) pie.getCause();
               }
               else {
                  throw pie;
               }
            }
            LOGGER.info("{} - Start completed.", getPoolName());
         }
      }
   }

会先去fastPathPool获取连接，如果fastPathPool为null，就会通过pool获取，如果pool也为null，会通过双检代码来初始化线程池。

这个上文提到过为什么两个HikariPool，fastPathPool是 final 修饰的，而pool是 volatile 修饰的，这就说明fastPathPool比pool性能更高，所以建议要用有参构造来创建HikariDataSource，才能享受到这点小细节的优化。

继续进入HikariPool#getConnection(final long hardTimeout)，方法中有一行关键的代码PoolEntry poolEntry = connectionBag.borrow(timeout, MILLISECONDS)，这行代码的作用是从ConcurrentBag中借出一个PoolEntry对象。PoolEntry可以看作是对Connection对象的封装，连接池中存储的连接其实就是一个个的PoolEntry。

这个connectionBag是用来做什么的呢？

ConcurrentBag

ConcurrentBag 是HikariCP自定义的一个无锁并发集合类。我们接着来看一下 ConcurrentBag 的成员变量。

private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
private final boolean weakThreadLocals;

private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
private final IBagStateListener listener;
private final AtomicInteger waiters;
private volatile boolean closed;

private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;

回到borrow()方法，看一下borrow的实现逻辑。

public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException
{
   // 从ThreadLocal中获取当前线程绑定的对象集合，存在则获取
   final List<Object> list = threadList.get();
   for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
      final Object entry = list.remove(i);
      @SuppressWarnings("unchecked")
      final T bagEntry = weakThreadLocals ? ((WeakReference<T>) entry).get() : (T) entry;
      if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
         return bagEntry;
      }
   }

   // 等待对象加一
   final int waiting = waiters.incrementAndGet();
   try {
      // sharedList有未使用的则返回一个
      for (T bagEntry : sharedList) {
         if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
            // If we may have stolen another waiter's connection, request another bag add.
            if (waiting > 1) {
               listener.addBagItem(waiting - 1);
            }
            return bagEntry;
         }
      }
      // sharedList没有，添加一个监听任务
      listener.addBagItem(waiting);

      timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
      do {
         final long start = currentTime();
         // 阻塞队列计时获取
         final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
         if (bagEntry == null || bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
            return bagEntry;
         }

         timeout -= elapsedNanos(start);
      } while (timeout > 10_000);

      return null;
   }
   finally {
      // 等待线程数减一
      waiters.decrementAndGet();
   }
}

先从ThreadLocal中获取以前用过的连接。ThreadLocal是当前线程的缓存，加快本地连接获取速度。
ThreadLocal中未获取到，会尝试从sharedList中获取，sharedList集合存在初始化的PoolEntry。sharedList是CopyOnWriteArrayList类型的，写时复制，特别适合这种读多写少的场景。
sharedList中未获取到那就到阻塞队列中等着，看有没有归还的连接可以使用。

释放连接

用完连接后我们要释放，通过connection.close()释放连接，释放连接时HakariCP也做到了一些巧妙的细节。ProxyConnection的close()方法是HakariCP释放连接的实现逻辑。我们知道连接关闭前必须要关闭Statement，HakariCP对这里做了优化，来看一下代码实现。

private final FastList<Statement> openStatements;

private synchronized void closeStatements()
{
   final int size = openStatements.size();
   if (size > 0) {
      for (int i = 0; i < size && delegate != ClosedConnection.CLOSED_CONNECTION; i++) {
         try (Statement ignored = openStatements.get(i)) {
         }
         catch (SQLException e) {
            LOGGER.warn("{} - Connection {} marked as broken because of an exception closing open statements during Connection.close()",
                        poolEntry.getPoolName(), delegate);
            leakTask.cancel();
            poolEntry.evict("(exception closing Statements during Connection.close())");
            delegate = ClosedConnection.CLOSED_CONNECTION;
         }
      }

      openStatements.clear();
   }
}

存储Statement对象用的是 FastList，这也是 HakariCP 之所以快的原因之一。

为什么用FastList而不用ArrayList呢？

去掉索引范围检查：查看源码会发现，FastList的get()方法比ArrayList少了一行代码rangeCheck(index)，这行代码的作用是范围检查，少了这行代码必然会性能更优。不禁感叹真的是太细了啊，到处都是细节。
尾部删除：FastList#remove()方法是从尾部开始扫描的，而并不是从头部开始扫描的。因为Connection的打开和关闭顺序通常是相反的。FastList的根据下标删除方法也去掉索引范围检查。

关闭掉Statement之后，我们再回过头来继续往下看。

poolEntry.recycle(lastAccess);

recycle方法会将该连接归还给线程池，recycle方法套了好几层，最终执行的是ConnectionBag的recycle方法，我们直接进入看一下。

public void requite(final T bagEntry)
{
   bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);

   for (int i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
      if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE || handoffQueue.offer(bagEntry)) {
         return;
      }
      else if ((i & 0xff) == 0xff) {
         parkNanos(MICROSECONDS.toNanos(10));
      }
      else {
         Thread.yield();
      }
   }

   final List<Object> threadLocalList = threadList.get();
   if (threadLocalList.size() < 50) {
      threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
   }
}

首先将状态设置为未使用，然后判断当前是否存在等待连接的线程，如果存在则将连接加入到公平队列中，由队列中有等待连接的线程则会从阻塞队列中去获取使用；如果当前没有等待连接的线程，并且ThreadLocal中的连接小于50，则将连接添加到本地线程变量ThreadLocal缓存中，当前线程下次获取连接时直接可从ThreadLocal中获取到。