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讀懂HikariCP一百行代碼,多線程就是個孫子!

jf_ro2CN3Fa ? 來源:芋道源碼 ? 作者:芋道源碼 ? 2022-12-14 15:45 ? 次閱讀


總結:Java屆很難得有讀百十行代碼就能增加修煉的機會,這里有一個。

通常,我在看書的時候一般不寫代碼,因為我的腦袋被設定成單線程的,一旦同時喂給它不同的信息,它就無法處理。

但多線程對電腦來說就是小菜一碟,它可以同時做很多事,看起來匪夷所思。好希望把自己的大腦皮層移植到這些牛x的設備上。

用人腦思考電腦正在思考的問題,這本身就是一種折磨。但平常的工作和面試中,又不得不面對這樣的場景,所以多線程就成了編程路上一塊難啃的骨頭。

HikariCP是SpringBoot默認的數據庫連接池,它毫不謙虛的的起了一個叫做的名字,這讓國產Druid很沒面子。

還是言歸正傳,看一下Hikari中的ConcurrentBag吧。

核心數據結構

多線程代碼一個讓人比較頭疼的問題,就是每個API我都懂,但就是不會用。很多對concurrent包倒背如流的同學,在面對現實的問題時,到最后依然不得不被迫加上Lock或者synchronized。

ConcurrentBag是一個Lock free的數據結構,主要用作數據庫連接的存儲,可以說整個HikariCP的核心就是它。刪掉亂七八糟的注釋和異常處理,可以說關鍵的代碼也就百十來行,但里面的道道卻非常的多。

ConcurrentBag速度很快,要達到這個目標,就需要一定的核心數據結構支持。

privatefinalCopyOnWriteArrayListsharedList;
privatefinalThreadLocal>threadList;
privatefinalAtomicIntegerwaiters;
privatefinalSynchronousQueuehandoffQueue;
  • sharedList 用來緩存所有的連接,是一個CopyOnWriteArrayList結構。
  • threadList 用來緩存某個線程所使用的所有連接,相當于快速引用,是一個ThreadLocal類型的ArrayList。
  • waiters 當前正在獲取連接的等待者數量。AtomicInteger,就是一個自增對象。當waiters的數量大于0時候,意味著有線程正在獲取資源。
  • handoffQueue 0容量的快速傳遞隊列,SynchronousQueue類型的隊列,非常有用。

ConcurrentBag里面的元素,為了能夠無鎖化操作,需要使用一些變量來標識現在處于的狀態。抽象的接口如下:

publicinterfaceIConcurrentBagEntry{
intSTATE_NOT_IN_USE=0;
intSTATE_IN_USE=1;
intSTATE_REMOVED=-1;
intSTATE_RESERVED=-2;

booleancompareAndSet(intexpectState,intnewState);
voidsetState(intnewState);
intgetState();
}

有了這些數據結構的支持,我們的ConcurrentBag就可以實現它光的宣稱了。

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獲取連接

連接的獲取是borrow方法,還可以傳入一個timeout作為超時控制。

publicTborrow(longtimeout,finalTimeUnittimeUnit)throwsInterruptedException

首先,如果某個線程執行非常快,使用了比較多的連接,就可以使用ThreadLocal的方式快速獲取連接對象,而不用跑到大池子里面去獲取。代碼如下。

//Trythethread-locallistfirst
finalvarlist=threadList.get();
for(inti=list.size()-1;i>=0;i--){
finalvarentry=list.remove(i);
finalTbagEntry=weakThreadLocals?((WeakReference)entry).get():(T)entry;
if(bagEntry!=null&&bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE,STATE_IN_USE)){
returnbagEntry;
}
}

我們都知道,包括ArrayList和HashMap一些基礎的結構,都是Fail Fast的,如果你在遍歷的時候,刪掉一些數據,有可能會引起問題。幸運的是,由于我們的List是從ThreadLocal獲取的,它首先就避免了線程安全的問題。

接下來就是遍歷。這段代碼采用的是尾遍歷(頭遍歷會出現錯誤),用于快速的從列表中找到一個可以復用的對象,然后使用CAS來把狀態置為使用中。但如果對象正在被使用,則直接刪除它。

在ConcurrentBag里,每個ThreadLocal最多緩存50個連接對象引用。

當ThreadLocal里找不到可復用的對象,它就會到大池子里去拿。也就是下面這段代碼。

//Otherwise,scanthesharedlist...thenpollthehandoffqueue
finalintwaiting=waiters.incrementAndGet();
try{
for(TbagEntry:sharedList){
if(bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE,STATE_IN_USE)){
//Ifwemayhavestolenanotherwaiter'sconnection,requestanotherbagadd.
if(waiting>1){
listener.addBagItem(waiting-1);
}
returnbagEntry;
}
}

listener.addBagItem(waiting);

//還拿不到,就需要等待別人釋放了
timeout=timeUnit.toNanos(timeout);
do{
finalvarstart=currentTime();
finalTbagEntry=handoffQueue.poll(timeout,NANOSECONDS);
if(bagEntry==null||bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE,STATE_IN_USE)){
returnbagEntry;
}

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

returnnull;
}
finally{
waiters.decrementAndGet();
}

首先要注意,這段代碼可能是由不同的線程執行的,所以必須要考慮線程安全問題。由于shardList是線程安全的CopyOnWriteArrayList,適合讀多寫少的場景,我們可以直接進行遍歷。

這段代碼的目的是一樣的,需要從sharedList找到一個空閑的連接對象。這里把自增的waiting變量傳遞到外面的代碼進行處理,主要是由于想要根據waiting的大小來確定是否創建新的對象。

如果無法從池子里獲取連接,則需要等待別的線程釋放一些資源。

創建對象的過程是異步的,要想獲取它,還需要依賴一段循環代碼。while循環代碼是納秒精度,會嘗試從handoffQueue里獲取。最終會調用SynchronousQueue的transfer方法。

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歸還連接

有借就有還,當某個連接使用完畢,它將被歸還到池子中。

publicvoidrequite(finalTbagEntry)
{
bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);

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

finalvarthreadLocalList=threadList.get();
if(threadLocalList.size()50){
threadLocalList.add(weakThreadLocals?newWeakReference<>(bagEntry):bagEntry);
}
}

首先,把這個對象置為可用狀態。然后,代碼會進入一個循環,等待使用方把這個連接接手過去。當連接處于STATE_NOT_IN_USE狀態,或者隊列中的數據被取走了,那么就可以直接返回了。

由于waiters.get()是實時獲取的,有可能長時間一直大于0,這樣代碼就會變成死循環,浪費CPU。代碼會嘗試不同層次的睡眠,一個是每隔255個waiter睡10ns,一個是使用yield讓出cpu時間片。

如果歸還連接的時候并沒有被其他線程獲取到,那么最后我們會把歸還的連接放入到相對應的ThreadLocal里,因為對一個連接來說,借和還,通常是一個線程。

知識點

看起來平平無奇的幾行代碼,為什么搞懂了就能Hold住大部分的并發編程場景呢?主要還是這里面的知識點太多。下面我簡單羅列一下,你可以逐個攻破。

  1. 使用ThreadLocal來緩存本地資源引用,使用線程封閉的資源來減少鎖的沖突
  2. 采用讀多寫少的線程安全的CopyOnWriteArrayList來緩存所有對象,幾乎不影響讀取效率
  3. 使用基于CAS的AtomicInteger來計算等待者的數量,無鎖操作使得計算更加快速
  4. 0容量的交換隊列SynchronousQueue,使得對象傳遞更加迅速
  5. 采用compareAndSet的CAS原語來控制狀態的變更,安全且效率高。很多核心代碼都是這么設計的
  6. 在循環中使用park、yield等方法,避免死循環占用大量CPU
  7. 需要了解并發數據結構中的offer、poll、peek、put、take、add、remove方法的區別,并靈活應用
  8. CAS在設置狀態時,采用了volatile關鍵字修飾,對于volatile的使用也是一個常見的優化點
  9. 需要了解WeakReference弱引用在垃圾回收時候的表現

麻雀雖小,五臟俱全。如果你想要你的多線程編程能力更上一層樓,讀一讀這個短小精悍的ConcurrentBag吧。當你掌握了它,多線程的那些東西,不過是小菜一碟。

審核編輯 :李倩


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原文標題:讀懂HikariCP一百行代碼,多線程就是個孫子!

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