JDBC的架構設計

阿新 • • 發佈：2020-09-02

本文探討JDBC需要解決的問題及如何解決和設計的，包括：

JDBC要解決的問題
資料庫事務
JDBC的架構設計
JDBC程式碼注意點
Spring是如何處理事務
什麼是事務的傳播特性
Redis事務與資料庫事務的區別

問題

在《架構風格：萬金油CS與分層》中提到，三層架構一般分為：

Presentation tier 表現層
Logic tier 業務邏輯層
Data access tier 資料訪問層

那業務邏輯層與資料訪問層是如何通訊的呢？（假設資料訪問層使用的是資料庫進行資料持久化，這也是目前比較普遍的做法）

單看「業務邏輯層」和「資料訪問層」，這是明顯的CS風格：

「業務邏輯層」是Client

「資料訪問層」是Server

CS風格的約束如下：

Server元件提供了一組服務,並監聽對這些服務的請求（這裡就是資料庫服務），
Client元件通過一個聯結器將請求傳送到Server,希望執行一個服務（執行sql），
Server可以拒絕這個請求,也可以執行這個請求並將響應傳送回Client（sql執行結果）。

除了上面的約束外，針對資料庫訪問而言，還應該包括如下約束：

相容各種資料庫。不能每個資料庫都有一套介面，這樣會導致業務邏輯層與資料訪問層的緊耦合。
事務支援。需要支援資料庫事務，否則資料會出現混亂。

設計

針對上面的約束，可以抽象出四個元件：

連線元件：對與資料訪問層的連線的抽象

執行元件：執行對資料庫的操作的抽象
結果元件：對返回操作後的結果的抽象
適配元件：適配各個資料庫，就是對各個資料庫的抽象

這就是JDBC的結構：

Connection：連線元件。提供統一的API建立資料庫連線。
Statement：執行元件。針對各種執行有不同的實現，Statement，PreparedStatement,CallableStatement。提供統一的API執行sql。
ResultSet：結果元件，對結果的抽象，提供統一的API操作結果資料。
Driver：適配元件，對各個不同的資料庫操作進行適配，統一為一套對外一致的API。各個Driver統一由DriverManager進行管理。

基於上面的設計，也就統一了JDBC操作資料庫的流程：

註冊驅動
建立連線
建立執行物件
執行語句
處理結果
釋放資源

如果你google一下JDBC程式碼，一般會得到類似下面的程式碼：

 // 1.註冊驅動
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver"); // 這一行程式碼實際早就不需要了！！！// 2.建立連線Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password);// 3.建立執行物件Statement st = conn.createStatement();// 4.執行語句ResultSet rs = st.executeQuery("select * from table1");// 5.處理結果while (rs.next()) { ......}// 6.釋放資源rs.close();st.close();conn.close();

實際上，早就已經不需要第一步「註冊驅動」的程式碼了！在google第一頁的十條結果中，只有一條結果提到了此問題！

你可以嘗試一下，將第一行程式碼註釋掉，程式還是能正常的執行。原因就是現在的JDBC驅動一般都使用了SPI來自動的註冊驅動了，不再需要手動的去註冊了。

SPI你可以認為是Java原生提供的的依賴注入！以mysql的驅動為例：

在mysql的驅動包META-INF目錄下，有一個services目錄
裡面有個檔案，叫java.sql.Driver。裡面的內容為
com.mysql.jdbc.Driver
com.mysql.fabric.jdbc.FabricMySQLDriver
名稱是介面，檔案裡的內容是實現
JVM會根據上面的配置，去找對應的類，並把它載入進去
DriverManager通過ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);這行程式碼載入驅動，將其加到驅動列表中進行管理。實現註冊驅動的邏輯

效能優化

從上面的程式碼可以看到，每次進行sql查詢的時候，都需要建立連線。我們都知道建立連線是個很耗時的操作，如何能降低建立連線的開銷呢？

在《非功能性約束之效能（1）-效能銀彈：快取》中，已經給出答案了。就是引入「快取」！

這裡的「快取」就是連線池！即：

先建立一批連線，一般是在應用啟動時
當需要連線的時候，直接從連線池中獲取
操作完了之後，將連線再還到連線池中

如果你瞭解IO多路複用或EDA架構風格，那麼你可能會有個疑問。為什麼資料庫連線不使用IO多路複用技術呢？

IO多路複用或EDA架構風格可以參考《EDA風格與Reactor模式》！

其實在《EDA風格與Reactor模式》裡已經給出了答案：如果請求資料量太大或處理時間很長！即使是主從Reactor模型，執行緒池也會被耗盡！耗盡後，導致後續的請求積壓。

關係資料庫的底層原理決定了其效能瓶頸在於磁碟讀寫，也就是說如果使用IO多路複用，瓶頸會出現在執行執行緒（資料庫查詢的磁碟操作），而不在IO通訊。使用IO多路複用並不會提高資料庫的訪問，而且程式設計模型要複雜得多。

而redis能使用IO多路複用的原因是它主要是記憶體操作，速度要比磁碟操作快得多，瓶頸更可能出在IO通訊上。

什麼是事務

JDBC相關的另一個大的主題就是事務！

滿足ACID四個特性的資料庫操作，稱為資料庫事務

這裡的事務指資料庫本地事務,不包括分散式事務，分散式事務後續討論！

四個特性包括：

原子性（Atomicity）：事務作為一個整體被執行，包含在其中的對資料庫的操作要麼全部被執行，要麼都不執行
一致性（Consistency）：事務應確保資料庫的狀態從一個一致狀態轉變為另一個一致狀態。一致狀態的含義是資料庫中的資料應滿足完整性約束
隔離性（Isolation）：多個事務併發執行時，一個事務的執行不應影響其他事務的執行
永續性（Durability）：已被提交的事務對資料庫的修改應該永久儲存在資料庫中

其中，隔離性又分為四種隔離級別，隔離級別從嚴格到寬鬆依次為：

可序列性（Serializability）：所有的事務依次逐個執行。這是最嚴格的的隔離級別，實際就是對事務進行排隊，一個一個的執行，保證了每個事務的獨立性，但是嚴重的影響了效能。如果有一個事務的執行耗時很長，那麼後面的事務就全部等待。此隔離級別基本不會使用。
可重複讀取（Repeatable Read）：一個事務在整個過程中可以多次重複執行某個查詢。相對寬鬆的隔離級別，即在一個事務中某個查詢，多次執行時，所得到的資料內容是一樣的，但是得到的資料條數不一定是一樣的，即所謂的幻讀。
已提交讀（Read Committed）：一個事務只能讀取另一個事務已經提交的資料。更寬鬆的隔離級別，此隔離級別可能引起幻讀和不可重複讀。這是大部分資料庫的預設隔離級別。
未提交讀（Read Uncommitted）：一個事務可以讀取另一個事務修改但還沒有提交的資料。最寬鬆的隔離級別，此隔離級別可能引起幻讀，不可重複讀，髒讀。

幻讀（行）：一個事務中多次讀取，取到另外一個事務已經提交的新增資料(表級)
不可重複讀：多次讀取同一個資料返回結果有所不同(行級)
髒讀：一個事務讀取到另外一個事務未提交的更新的資料（行級）

事務在程式碼中的體現就是conn.setAutoCommit(false),conn.commit(),conn.rollback()：

......
// 2.建立連線Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password);// 關閉自動提交，開啟事務conn.setAutoCommit(false);Statement st = conn.createStatement();try { ResultSet rs = st.executeQuery("select * from table1"); // 提交事務 conn.commit();} catch(Exception e) { conn.rollback(); // 出現異常進行事務回滾}......

Spring中的事務

Spring通過Transactional註解來簡化了事務的管理。

Transactional對事務的處理流程如下：

開啟事務
將conn物件儲存到ThreadLocal中
執行sql。「這裡就是你寫程式碼的地方」
從ThreadLocal中取回conn物件
提交事務

Transactional的屬性包括：

isolation：配置事務的隔離級別
readOnly：配置只讀。預設false。需要事務才能生效
rollbackFor：配置事務回滾。預設在遇到RuntimeException時進行回滾
propagation：配置事務的傳播特性

事務的傳播特性：

propagation=Propagation.NOT_SUPPORTED：針對某個方法不開啟事務
propagation=Propagation.REQUIRED：如果有事務，那麼加入事務，沒有的話新建立一個, 預設的事務支援
propagation=Propagation.REQUIREDS_NEW：不管是否存在事務，都建立一個新的事務，原來的掛起，新的執行完畢，繼續執行老的事務
propagation=Propagation.MANDATORY：必須在一個已有的事務中執行，否則丟擲異常
propagation=Propagation.NEVER：不能在一個事務中執行，就是當前必須沒有事務，否則丟擲異常
propagation=Propagation.SUPPORTS：其他bean呼叫這個方法，如果在其他bean中聲明瞭事務，就是用事務。沒有宣告，就不用事務。
propagation=Propagation.NESTED：如果一個活動的事務存在，則執行在一個巢狀的事務中，如果沒有活動的事務，則按照REQUIRED屬性執行，它使用一個單獨的事務
propagation=Propagation.REQUIRED,readOnly=true：只讀，不能更新，刪除
propagation=Propagation.REQUIRED,timeout=30：超時30秒
propagation=Propagation.REQUIRED,isolation=Isolation.DEFAULT：資料庫隔離級別