解析HikariCP一百行代码轻松掌握多线程

2022-11-13 17:11:45 多线程解析轻松

引言

Java届很难得有读百十行代码就能增加修炼的机会，这里有一个。

通常，我在看书的时候一般不写代码，因为我的脑袋被设定成单线程的，一旦同时喂给它不同的信息，它就无法处理。

但多线程对电脑来说就是小菜一碟，它可以同时做很多事，看起来匪夷所思。好希望把自己的大脑皮层移植到这些牛x的设备上。

用人脑思考电脑正在思考的问题，这本身就是一种折磨。但平常的工作和面试中，又不得不面对这样的场景，所以多线程就成了编程路上一块难啃的骨头。

HikariCP是SpringBoot默认的数据库连接池，它毫不谦虚的的起了一个叫做光的名字，这让国产Druid很没面子。

还是言归正传，看一下Hikari中的ConcurrentBag吧。

核心数据结构

多线程代码一个让人比较头疼的问题，就是每个api我都懂，但就是不会用。很多对concurrent包倒背如流的同学，在面对现实的问题时，到最后依然不得不被迫加上Lock或者synchronized。

ConcurrentBag是一个Lock free的数据结构，主要用作数据库连接的存储，可以说整个HikariCP的核心就是它。删掉乱七八糟的注释和异常处理，可以说关键的代码也就百十来行，但里面的道道却非常的多。

ConcurrentBag速度很快，要达到这个目标，就需要一定的核心数据结构支持。

private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
private final AtomicInteger waiters;
private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;

sharedList 用来缓存所有的连接，是一个CopyOnWriteArrayList结构。
threadList 用来缓存某个线程所使用的所有连接，相当于快速引用，是一个ThreadLocal类型的ArrayList。
waiters 当前正在获取连接的等待者数量。AtomicInteger，就是一个自增对象。当waiters的数量大于0时候，意味着有线程正在获取资源。
handoffQueue 0容量的快速传递队列，SynchronousQueue类型的队列，非常有用。

ConcurrentBag里面的元素，为了能够无锁化操作，需要使用一些变量来标识现在处于的状态。抽象的接口如下：

public interface IConcurrentBagEntry{
    int STATE_NOT_IN_USE = 0;
    int STATE_IN_USE = 1;
    int STATE_REMOVED = -1;
    int STATE_RESERVED = -2;
    boolean compareAndSet(int expectState, int newState);
    void setState(int newState);
    int getState();
}

有了这些数据结构的支持，我们的ConcurrentBag就可以实现它光的宣称了。

获取连接

连接的获取是borrow方法，还可以传入一个timeout作为超时控制。

public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException

首先，如果某个线程执行非常快，使用了比较多的连接，就可以使用ThreadLocal的方式快速获取连接对象，而不用跑到大池子里面去获取。代码如下。

// Try the thread-local list first
final var list = threadList.get();
for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
    final var entry = list.remove(i);
    final T bagEntry = weakThreadLocals ? ((WeakReference<T>) entry).get() : (T) entry;
    if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
        return bagEntry;
    }
}

我们都知道，包括ArrayList和HashMap一些基础的结构，都是Fail Fast的，如果你在遍历的时候，删掉一些数据，有可能会引起问题。幸运的是，由于我们的List是从ThreadLocal获取的，它首先就避免了线程安全的问题。

接下来就是遍历。这段代码采用的是尾遍历（头遍历会出现错误），用于快速的从列表中找到一个可以复用的对象，然后使用CAS来把状态置为使用中。但如果对象正在被使用，则直接删除它。

在ConcurrentBag里，每个ThreadLocal最多缓存50个连接对象引用。

当ThreadLocal里找不到可复用的对象，它就会到大池子里去拿。也就是下面这段代码。

// Otherwise, scan the shared list ... then poll the handoff queue
final int waiting = waiters.incrementAndGet();
try {
   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;
      }
   }
   listener.addBagItem(waiting);
   // 还拿不到，就需要等待别人释放了
   timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
   do {
      final var start = currentTime();
      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 {
   waiters.decrementAndGet();
}

首先要注意，这段代码可能是由不同的线程执行的，所以必须要考虑线程安全问题。由于shardList是线程安全的CopyOnWriteArrayList，适合读多写少的场景，我们可以直接进行遍历。

这段代码的目的是一样的，需要从sharedList找到一个空闲的连接对象。这里把自增的waiting变量传递到外面的代码进行处理，主要是由于想要根据waiting的大小来确定是否创建新的对象。

如果无法从池子里获取连接，则需要等待别的线程释放一些资源。

创建对象的过程是异步的，要想获取它，还需要依赖一段循环代码。while循环代码是纳秒精度，会尝试从handoffQueue里获取。最终会调用SynchronousQueue的transfer方法。

归还连接

有借就有还，当某个连接使用完毕，它将被归还到池子中。

public void requite(final T bagEntry)
{
   bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
   for (var 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 var threadLocalList = threadList.get();
   if (threadLocalList.size() < 50) {
      threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
   }
}

首先，把这个对象置为可用状态。然后，代码会进入一个循环，等待使用方把这个连接接手过去。当连接处于STATE_NOT_IN_USE状态，或者队列中的数据被取走了，那么就可以直接返回了。

由于waiters.get()是实时获取的，有可能长时间一直大于0，这样代码就会变成死循环，浪费CPU。代码会尝试不同层次的睡眠，一个是每隔255个waiter睡10ns，一个是使用yield让出cpu时间片。

如果归还连接的时候并没有被其他线程获取到，那么最后我们会把归还的连接放入到相对应的ThreadLocal里，因为对一个连接来说，借和还，通常是一个线程。

知识点

看起来平平无奇的几行代码，为什么搞懂了就能Hold住大部分的并发编程场景呢？主要还是这里面的知识点太多。下面我简单罗列一下，你可以逐个攻破。

使用ThreadLocal来缓存本地资源引用，使用线程封闭的资源来减少锁的冲突
采用读多写少的线程安全的CopyOnWriteArrayList来缓存所有对象，几乎不影响读取效率
使用基于CAS的AtomicInteger来计算等待者的数量，无锁操作使得计算更加快速
0容量的交换队列SynchronousQueue，使得对象传递更加迅速
采用compareAndSet的CAS原语来控制状态的变更，安全且效率高。很多核心代码都是这么设计的
在循环中使用park、yield等方法，避免死循环占用大量CPU
需要了解并发数据结构中的offer、poll、peek、put、take、add、remove方法的区别，并灵活应用
CAS在设置状态时，采用了volatile关键字修饰，对于volatile的使用也是一个常见的优化点
需要了解WeakReference弱引用在垃圾回收时候的表现

麻雀虽小，五脏俱全。如果你想要你的多线程编程能力更上一层楼，读一读这个短小精悍的ConcurrentBag吧。当你掌握了它，多线程的那些东西，不过是小菜一碟。

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