Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

2022-01-31 01:23:51

前言

Spring作为Java框架王者，当前已经是基础容器框架的实际标准。Spring 除了提供了 IoC、AOP特性外，还有一个极其核心和重要的特性：数据库事务。事务管理涉及到的技术点比较多，想完全理解需要花费一定的时间，本系列将通过如下几个方面熟悉Spring的数据库事务：

  • 数据库连接java.sql.Connection的特性、事务表示、以及和Java线程之间的天然关系；
  • 数据库的隔离级别和传播机制；
  • Spring基于事务和连接池的的抽象和设计
  • Spring事务的实现原理

将深入数据库连接(java.sql.Connection对象)的特性，事务表示，以及和Java线程之间的天然关系。懂得了底层的基本原理，在这些基础的概念之上再来理解Spring 事务，就会容易很多。

Java事务控制的基本单位

在Java中，使用了java.sql.Connection实例来表示和数据库的一个连接，通信的方式目前基本上采用的是TCP/IP 连接方式。通过对Connection进行一系列的事务控制。

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

可能有人有如下的想法： 既然java.sql.Connection可以完成事务操作，那我在写代码的时候，直接创建一个然后使用不就行了？ 然而在事实上，我们并不能这么做，这是因为，java.sql.Connection和数据库之间有非常紧密的关系，其数据库的资源是很有限的。

有限的系统资源java.sql.Connection

应用程序和数据库之间建立 Connection连接，则数据库机器会为之分配一定的线程资源来维护这种连接，连接数越多，消耗数据库的线程资源也就越多；另外不同的connection实例之间，可能会操作相同的表数据，也就是高并发，为了支持数据库对ACID特性的支持，数据库又会牺牲更多的资源。简单地来说，建立Connection连接，会消耗数据库系统的如下资源：

  • 线程数：线程越多，线程的上下文切换会越频繁，会影响其处理能力；
  • 创建Connection的开销：由于Connection负责和数据库之间的通信，在创建环节会做大量的初始化 ，创建过程所需时间和内存资源上都有一定的开销；
  • 内存资源：为了维护Connection对象会消耗一定的内存；
  • 锁占用：在高并发模式下，不同的Connection可能会操作相同的表数据，就会存在锁的情况，数据库为了维护这种锁会有不少的内存开销

上述的几种资源会限制数据库的链接数和处理性能。

结论： 数据库资源是比较宝贵的有限资源，当应用程序有数据库连接需求过大时，很容易会达到数据库的连接并发瓶颈。 

数据库最多支持多少Connection连接

以 MySQL为例，可以通过如下语句查询数据库的最大支持情况：

-- 查看当前数据库最多支持多少数据库连接
show variables like ‘%max_connections%‘;
-- 设置当前运行时mysql的最大连接数，服务重启连接数将还原
set GLOBAL max_connections = 200;
-- 修改 my.ini 或者my.cnf 配置文件
max_connections = 200;

数据库的连接数设置的越大越好吗？ 肯定不是的，连接数越大，对使用大量的线程维护，伴随着大量的线程上下文切换，并且与此同时，连接数越多，表数据锁使用的概率会更大，反而会导致整体数据库的性能下降。具体的设置范围，应当具体的业务背景来调优。

java.sql.Connection对象本身的特性

1、线性操作和可以不限次数执行SQL事务操作

java.sql.Connection 本身有如下两个比较关键的特性：

  • 线性操作：即在操作的时序上，事务和事务之间的执行是线性排开依次执行的
  • 当建立了 java.sql.Connection 连接后，可以不限次数执行事务SQL请求。由于Connection对象的通信值基于TCP/IP协议的，当初始化后在手动关闭之前和数据库保持心跳存活连接，所以，可以使用Connection对象执行不限次数的SQL语句请求，包括事务请求 （注意： 这个看似比较简单的表述，在实际使用过程中非常重要，数据库连接池就是基于此特性建立的）。

如下图：

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

上图所示，对于java.sql.Connection对象的操作，一般会遵循序列化的事务操作模式，即：一个新事务的开启，必须在上一个事务完成之后(如果存在的话)；换成另外一种表述方式就是：对connection的操作必须是线性的。

2、如何在Java中实现对java.sql.Connection对象的线性操作？

(1) 一个线程的整个生命周期中，可以独占一个java.sql.Connection 连接吗？

Java中，当然一个线程可以在整个生命周期独占一个java.sql.Connection，使用该对象完成各种数据库操作，因为一个线程内的所有操作都是同步的和线性的。然而，在实际的项目中，并不会这样做，原因有两个：

  • Java中的线程数量可能远超数据库连接数量，会出现僧多粥少的情况。一个MySQL服务器的最大连接数量是有上限的，例子中提到的就是上限200；而在稍微大型一点的Java WEB项目中，光用户的HTTP请求线程数，就不止200个，这样就会出现部分线程无法获取到数据库连接，进而无法完成业务操作。
  • Java线程在工作过程中，真正访问JDBC数据库连接所占用的时间比例很短。线程在接收到用户请求后，有很多业务逻辑需要处理：比如参数校验，权限验证，数值计算，然后持久化结果；其中可能只有持久化结果环节需要访问JDBC数据库连接,其余的时间范围内，JDBC数据库连接 都是空闲状态。换言之，如果线程整个生命周期中独占JDBC数据库连接，那么，真个连接池的空闲率很高，使用率很低。  综上所述，Java线程和JDBC数据库连接的关系如下：

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

结论： 结合上述的两个症结，为了提高JDBC数据库连接的使用效率，目前普遍的解决方案是：当线程需要做数据库操作时，才会真正请求获取JDBC数据库连接，线程使用完了之后，立即释放，被释放的JDBC数据库连接等待下次分配使用。基于这个结论，会衍生两个问题需要解决：

  • Java多线程访问同一个java.sql.Connection会有什么问题？如何解决？
  • JDBC数据库连接如何管理和分配？(这个解决方案是：数据库连接池)

通过上述的图示中，可以看到，一个数据库连接对象在线程进行事务操作时，线程在此期间内是独占数据库连接对象的，也就是说，在事务进行期间，有一个非常重要的特性，就是：数据库连接对象可以吸附在线程上，我把这种特性称之为事务对象的线程吸附性 。正是由于这种特性，在Spring实现上，使用了基于线程的ThreadLocal来表示这种线程依附行为。

Java多线程访问同一个java.sql.Connection会有什么问题？Java多线程访问同一个java.sql.Connection会导致事务错乱。例如：现有线程thread #1 和线程thread #2,两个线程会有如下数据库操作：

thread #1: update xxx;  update yyy;  commit;

thread #2: delete zzz;  insert ttt; rollback;

语句执行的序列在connection对象上，可能表现成了： delete zzz; update xxx; insert ttt; rollback; update yyy;  commit;

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

上图可以看到，Thread #1的请求 update xxx 被thread #2回退掉，导致语句丢失，thread #1的事务不完整。

(2) Java多线程访问同一个java.sql.Connection 的原则

解决上述事务不完整的问题，从本质上而言，就是多线程访互斥资源的方法。多线程互斥访问资源的方式在Java中的实现方式有很多，如下使用有一个最简单的使用 synchronized 关键字来实现 :

java.sql.Connection sharedConnection = <创建流程>
## thread #1 的业务伪代码：

synchronized(sharedConnection){
         `update xxx`;    
         `update yyy`;  
         `commit`;
}
## thread #2 的业务伪代码：

synchronized(sharedConnection){
       `delete zzz`;   
       `insert ttt`; 
       `rollback`;
}

上述的伪代码在执行上能够体现成如下的形式，即同一时间内，只有一个线程占用Connection对象。 假设Thread #2先获取到了Connection锁，如下图所示：

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

上述的流程还有有点问题：假如 thread #2 在执行语句 delete zzz,insert ttt,rollback 的过程中，在insert ttt之前有一段业务代码抛出了异常，导致语句只执行到了 delete zzz，这会导致在connection对象上有一个尚未提交的delete zzz请求; 当thread #1拿到了connection 对象的锁之后，接着执行 update xxx; update yyy;  commit; 即:在两个线程执行完了之后，对connection的操作为delete zzz; update xxx; update yyy;  commit; 示例如下：

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

解决方案： 确保每个线程在使用Connection对象时，最终要明确对Connection做commit 或者rollback。 调整后的伪代码如下所示：

java.sql.Connection sharedConnection = <创建流程>
## thread #1 的业务伪代码：

synchronized(sharedConnection){
       try{
         ` update xxx`;    
         `update yyy`;  
         `commit`;
       } catch(Exception e){
          `rollback`; 
      }
}
## thread #2 的业务伪代码：

synchronized(sharedConnection){
       try{
       `delete zzz`;   
       `insert ttt`; 
       `rollback`;
       } catch(Exception e){
          `rollback`; 
      }
}

综上所述，解决多个线程访问同一个Connection对象时，必须遵循两个基本原则：

  • 以资源互斥的方式访问Connection对象；
  • 在线程执行结束时，应当最终及时提交(commit)或回滚(rollback)对Connection的影响；不允许存在尚未被提交或者回滚的语句。

事务结束后，java.sql.Connection实例有必要释放销毁吗？

正常情况下，我们在写业务代码时，会有类似的流程：

  1. 创建一个java.sql.Connection实例；
  2. 基于java.sql.Connection 做相关事务提交操作
  3. 销毁java.sql.Connection 实例

实际上，第三个步骤是完全没有必要销毁java.sql.Connection 实例的。我们已介绍Connection的性质：当建立了 java.sql.Connection 连接后，可以不限次数执行事务SQL请求, 也就是说，当此次事务结束后，我可以紧接着使用这个Connection对象开启下一个事务。 另外，由于创建一个java.sql.Connection实例的代价本身就比较大，笔者测试的数据库建立Connection的时间，一般都在至少0.1s级别，如果每一个事务在执行的时候，都要花费额外的0.1s 来做连接，会严重影响当前服务的性能和吞吐量。 结合上面的叙述，目前的做法，在完成事务后，并不会销毁java.sql.Connection实例，而是将其回收到连接池中。

java.sql.Connection数据库连接池

Spring事务_数据库连接和Java线程的关系

 一般连接池需要如下几个功能：

  • 管理一批Connection对象，一般会有连接数上限设置；
  • 为每一个获取Connection请求做资源分配；如果资源不足，设置等待时间；
  • 根据实际Connection的使用情况，为了提高系统之间的利用率，动态调整连接池中Connection对象的数量，如应用实际使用的连接数比较少时，会自动关闭掉一些处于无用状态的连接；当请求量大的时候，再动态创建。

目前比较流行的几个连接池解决方案有：HikariCP、阿里的Druid、apache的DBCP等。

 

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