为什么数据库连接池不采用 IO 多路复用?

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来源:www.zhihu.com/question/23084473

今天我们聊一个不常见的 Java 面试题:为什么数据库连接池不采用 IO 多路复用?

这是一个非常好的问题。IO多路复用被视为是非常好的性能助力器。但是一般我们在使用 DB 时,还是经常性采用c3p0,tomcat connection pool等技术来与 DB 连接,哪怕整个程序已经变成以Netty为核心。这到底是为什么?

首先纠正一个常见的误解。IO多路复用听上去好像是多个数据可以共享一个IO(socket连接),实际上并非如此。「IO多路复用不是指多个服务共享一个连接,而仅仅是指多个连接的管理可以在同一进程」。在网络服务中,IO多路复用起的作用是「一次性把多个连接的事件通知业务代码处理」。至于这些事件的处理方式,到底是业务代码循环着处理、丢到队列里,还是交给线程池处理,由业务代码决定。

对于使用DB的程序来讲,不管使用多路复用,还是连接池,都要维护一组网络连接,支持并发的查询。

为什么并发查询一定要使用多个连接才能完成呢?因为DB一般是使用连接作为Session管理的基本单元。在一个连接中,SQL语句的执行必须是串行、同步的。这是由于对于每一个Session,DB都要维护一组状态来支持查询,比如事务隔离级别,当前Session的变量等。

只有单Session内串行执行,才能维护查询的正确性(试想一下一组sql在不断的增减变量,然后这组sql乱序执行会发生什么)。维护这些状态需要耗费内存,同时也会消耗CPU和磁盘IO。这样,限制对DB的连接数,就是在限制对DB资源的消耗。

因此,对DB来说,关键是要限制连接的数目。这个要求无论是DB连接池还是NIO的连接管理都能做到。

这样问题就绕回来了,为什么DB连接不能放到IO多路复用里一并执行吗?为啥大家都用连接池?

答案是,可以用IO多路复用——但是「使用JDBC不行」。JDBC是一个出现了近20年的标准,它的设计核心是BIO(因为199X年时还没有别的IO可以用):调用者在通过JDBC时执行比如query这样的API,在没有执行完成之前,整个调用线程被卡住。而类似于Mysql Connector/J这样的driver完备的实现了这套语义。

当然如果DB Client的协议的连接处理和解析稍微改一下:

  • 将IO模式调整为Non-Blocking,这样就可以挂到IO多路复用的内核上(select、epoll、kqueue……)
  • 在Non-Blocking实现的基础之上实现数据库协议的编码和解析

就可以实现用IO多路复用来访问DB。实际上很多其他语言/框架里都是这么干的。比如 Nodejs,see https://github.com/sidorares/node-mysql2;或者 Vert.X 的 db 客户端https://github.com/mauricio/postgresql-async,不要在意这个名字,它实际上同时支持mysql和postgres)。只不过对于IO多路复用,数据库官方似乎都没做这种支持——他们只支持JDBC、ODBC等等这些标准协议。

那么为什么基于 IO 多路复用的实现不能成为默认的,官方的,而要成为偏门呢?

对于数据库开发者来说。这种用法在整体的用户里占有量非常小,所以也许不值当的花大力气。只需要把协议写清楚(比如https://dev.mysql.com/doc/internals/en/client-server-protocol.html),就可以做实现。那么社区的有兴趣的人自然就可以去做。

另外一个原因是体系的支持。简单来讲,如果没有一个大的 Reactive 的运行环境,IO 多路复用的使用会非常受限。

IO 多路复用之所以能成立,是需要「整个程序要有一个IO多路复用的驱动代码」——就是 select 那句调用——等待事件来临,一个 blocking 的 API。整个程序必须以这个驱动代码为核心。这样就对整个代码的结构产生重大的影响。这种影响是没法用简单的接口抽象的。

Java Web 容器之所以可以使用 NIO 是因为 NIO 可以被封装到容器内部。Web 容器对外暴露的还是传统的多线程形式的Java EE接口。

如果 DB 和 Web 容器同时使用 NIO,那么调用的DB连接库与必须与容器有一个约定描述「DB的连接管理如何接入Web容器的NIO的驱动代码」。在 Java 这个大环境下,不同人,不同的容器写的代码不同;又或者,不使用任何常见的容器,而是自己用 NIO 去封装一个。这样是无法形成代码上的约定的。那么多个独立的组件就不能很好的共享 NIO 的驱动代码。

上面这个用法假设整个程序应该共享一个 NIO 驱动代码。那么 Web 和 DB 可不可以各用各的呢?也是可以的,但是为了保证这两个 NIO 驱动代码不会相互 block,最好要分开两个线程。这样一来就会打破一般 Web 服务一个请求处理用一个线程的一般做法,会让程序边的更复杂——你的业务代码和DB查询之间必须做跨线程数据交换。

相反,连接池的实现就相对独立的多,也简单的多。外界只要配好 DB URL,用户名密码和连接池的容量参数,就可以做到自行管理连接。

而Nodejs和Vert.X是完全不同的。他们本质就是Reactive的。他们的NIO的驱动方式是其运行时的基础——所有要在这个基础上开发的代码都必须遵守同样的NIO+异步开发规范,使用同一个NIO的驱动。这样DB与NIO的协作就不成问题了。

最后,「有大量场景是需要BIO的DB查询支持的」。批处理数据分析代码都是这样的场景。这样的程序写成NIO就会得不偿失——代码不容易懂,也没有任何效率上的优势。类似于Nodejs这样的运行时在此场景下,反而要利用async或等价的语法来让代码看起来是同步的,这样才容易写。

总结一下

DB 访问一般采用连接池这种现象是生态造成的。历史上的 BIO + 连接池的做法经过多年的发展,已经解决了主要的问题。在 Java 的大环境下,这个方案是非常靠谱的,成熟的。

而基于 IO 多路复用的方式尽管在性能上可能有优势,但是其对整个程序的代码结构要求过多,过于复杂。当然,如果有特定的需要,希望使用 IO 多路复用管理 DB 连接,是完全可行的。

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原文始发于微信公众号(Java知音):为什么数据库连接池不采用 IO 多路复用?