Java 資料持久化系列之JDBC
前段時間小冰在工作中遇到了一系列關於資料持久化的問題，在排查問題時發現自己對 Java 後端的資料持久化框架的原理都不太瞭解，只有不斷試錯，因此走了很多彎路。於是下定決心，集中精力學習了持久化相關框架的原理和實現，總結出這個系列。
上圖是我根據相關原始碼和網上資料總結的有關 Java 資料持久化的架構圖(只代表本人想法，如有問題，歡迎留言指出)。最下層就是今天要講的 JDBC，上一層是資料庫連線池層，包括 HikariCP 和 Druid等；再上一層是分庫分表中介軟體，比如說 ShardingJDBC；再向上是物件關係對映層，也就是 ORM，包括 Mybatis 和 JPA；最上邊是 Spring 的事務管理。
本系列的文章會依次講解圖中各個開源框架的基礎使用，然後描述其原理和程式碼實現，最後會著重分析它們之間是如何相互整合和配合的。
廢話不多說，我們先來看 JDBC。
JDBC 定義
JDBC是Java Database Connectivity的簡稱，它定義了一套訪問資料庫的規範和介面。但它自身不參與資料庫訪問的實現。因此對於目前存在的資料庫（譬如Mysql、Oracle）來說，要麼資料庫製造商本身提供這些規範與介面的實現，要麼社群提供這些實現。
如上圖所示，Java 程式只依賴於 JDBC API，通過 DriverManager 來獲取驅動，並且針對不同的資料庫可以使用不同的驅動。這是典型的橋接的設計模式，把抽象 Abstraction 與行為實現Implementation 分離開來，從而可以保持各部分的獨立性以及應對他們的功能擴充套件。
JDBC 基礎程式碼示例
單純使用 JDBC 的程式碼邏輯十分簡單，我們就以最為常用的MySQL 為例，展示一下使用 JDBC 來建立資料庫連線、執行查詢語句和遍歷結果的過程。
public static void connectionTest(){
Connection connection = null;
Statement statement = null;
ResultSet resultSet = null;
try {
// 1. 載入並註冊 MySQL 的驅動
Class.forName("com.mysql.cj.jdbc.Driver").newInstance();
// 2. 根據特定的資料庫連線URL，返回與此URL的所匹配的資料庫驅動物件
Driver driver = DriverManager.getDriver(URL);
// 3. 傳入引數，比如說使用者名稱和密碼
Properties props = new Properties();
props.put("user", USER_NAME);
props.put("password", PASSWORD);
// 4. 使用資料庫驅動建立資料庫連線 Connection
connection = driver.connect(URL, props);
// 5. 從資料庫連線 connection 中獲得 Statement 物件
statement = connection.createStatement();
// 6. 執行 sql 語句，返回結果
resultSet = statement.executeQuery("select * from activity");
// 7. 處理結果，取出資料
while(resultSet.next())
{
System.out.println(resultSet.getString(2));
}
.....
}finally{
// 8.關閉連結，釋放資源 按照JDBC的規範，使用完成後管理連結，
// 釋放資源，釋放順序應該是： ResultSet ->Statement ->Connection
resultSet.close();
statement.close();
connection.close();
}
}程式碼中有詳細的註釋描述每一步的過程，相信大家也都對這段程式碼十分熟悉。
唯一要提醒的是使用完之後的資源釋放順序。按照 JDBC 規範，應該依次釋放 ResultSet，Statement 和 Connection。當然這只是規範，很多開源框架都沒有嚴格的執行，但是 HikariCP卻嚴格準守了，它可以帶來很多優勢，這些會在之後的文章中講解。
上圖是 JDBC 中核心的 5 個類或者介面的關係，它們分別是 DriverManager、Driver、Connection、Statement 和 ResultSet。
DriverManager 負責管理資料庫驅動程式，根據 URL 獲取與之匹配的 Driver 具體實現。Driver 則負責處理與具體資料庫的通訊細節，根據 URL 建立資料庫連線 Connection。
Connection 表示與資料庫的一個連線會話，可以和資料庫進行資料互動。Statement 是需要執行的 SQL 語句或者儲存過程語句對應的實體，可以執行對應的 SQL 語句。ResultSet 則是 Statement 執行後獲得的結果集物件，可以使用迭代器從中遍歷資料。
不同資料庫的驅動都會實現各自的 Driver、Connection、Statement 和 ResultSet。而更為重要的是，眾多資料庫連線池和分庫分表框架也都是實現了自己的 Connection、Statement 和 ResultSet，比如說 HikariCP、Druid 和 ShardingJDBC。我們接下來會經常看到它們的身影。
接下來，我們依次看一下這幾個類及其涉及的操作的原理和原始碼實現。
載入 Driver 實現
可以直接使用 Class#forName的方式來載入驅動實現，或者在 JDBC 4.0 後則基於 SPI 機制來匯入驅動實現，通過在 META-INF/services/java.sql.Driver 檔案中指定實現類的方式來匯入驅動實現，下面我們就來看一下兩種方式的實現原理。
Class#forName 作用是要求 JVM 查詢並載入指定的類，如果在類中有靜態初始化器的話，JVM 會執行該類的靜態程式碼段。載入具體 Driver 實現時，就會執行 Driver 中的靜態程式碼段，將該 Driver 實現註冊到 DriverManager 中。我們來看一下 MySQL 對應 Driver 的具體程式碼。它就是直接呼叫了 DriverManager的 registerDriver 方法將自己註冊到其維護的驅動列表中。
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
public Driver() throws SQLException {
}
static {
// 直接呼叫 DriverManager的 registerDriver 將自己註冊到其中
DriverManager.registerDriver(new Driver());
}
}
SPI 機制使用 ServiceLoader 類來提供服務發現機制，動態地為某個介面尋找服務實現。當服務的提供者提供了服務介面的一種實現之後，必須根據 SPI 約定在 META-INF/services 目錄下建立一個以服務介面命名的檔案，在該檔案中寫入實現該服務介面的具體實現類。當服務呼叫 ServiceLoader 的 load 方法的時候，ServiceLoader 能夠通過約定的目錄找到指定的檔案，並裝載例項化，完成服務的發現。
DriverManager 中的 loadInitialDrivers 方法會使用 ServiceLoader 的 load 方法載入目前專案路徑下的所有 Driver 實現。
public class DriverManager {
// 程式中已經註冊的Driver具體實現資訊列表。registerDriver類就是將Driver加入到這個列表
private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 使用ServiceLoader 載入具體的jdbc driver實現
static {
loadInitialDrivers();
}
private static void loadInitialDrivers() {
// 省略了異常處理
// 獲得系統屬性 jdbc.drivers 配置的值
String drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
public String run() {
return System.getProperty("jdbc.drivers");
}
});
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
// 通過 ServiceLoader 獲取到Driver的具體實現類，然後載入這些類，會呼叫其靜態程式碼塊
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
return null;
}
});
String[] driversList = drivers.split(":");
// for 迴圈載入系統屬性中的Driver類。
for (String aDriver : driversList) {
println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
Class.forName(aDriver, true,
ClassLoader.getSystemClassLoader());
}
}
}
比如說，專案引用了 MySQL 的 jar包 mysql-connector-java，在這個 jar 包的 META-INF/services 資料夾下有一個叫 java.sql.Driver 的檔案，檔案的內容為 com.mysql.cj.jdbc.Driver。而 ServiceLoader 的 load 方法找到這個資料夾下的檔案，讀取檔案的內容，然後加載出檔案內容所指定的 Driver 實現。而正如之前所分析的，這個 Driver 類被載入時，會呼叫 DriverManager 的 registerDriver 方法，從而完成了驅動的載入。
Connection、Statement 和 ResultSet
當程式載入完具體驅動實現後，接下來就是建立與資料庫的連線，執行 SQL 語句並且處理返回結果了，其過程如下圖所示。
建立 Connection
建立 Connection 連線物件，可以使用 Driver 的 connect 方法，也可以使用 DriverManager 提供的 getConnection 方法，此方法通過 url 自動匹配對應的驅動 Driver 例項，然後還是呼叫對應的 connect 方法返回 Connection 物件例項。
建立 Connection 會涉及到與資料庫進行網路請求等大量費時的操作，為了提升效能，往往都會引入資料庫連線池，也就是說複用 Connection，免去每次都建立 Connection 所消耗的時間和系統資源。
Connection 預設情況下，對於建立的 Statement 執行的 SQL 語句都是自動提交事務的，即在 Statement 語句執行完後，自動執行 commit 操作，將事務提交，結果影響到物理資料庫。為了滿足更好地事務控制需求，我們也可以手動地控制事務，手動地在Statement 的 SQL 語句執行後進行 commit 或者rollback。
connection = driver.connect(URL, props);
// 將自動提交關閉
connection.setAutoCommit(false);
statement = connection.createStatement();
statement.execute("INSERT INTO activity (activity_id, activity_name, product_id, start_time, end_time, total, status, sec_speed, buy_limit, buy_rate) VALUES (1, '香蕉大甩賣', 1, 530871061, 530872061, 20, 0, 1, 1, 0.20);");
// 執行後手動 commit
statement.getConnection().commit();
Statement
Statement 的功能在於根據傳入的 SQL 語句，將傳入 SQL 經過整理組合成資料庫能夠識別的執行語句(對於靜態的 SQL 語句，不需要整理組合；而對於預編譯SQL 語句和批量語句，則需要整理)，然後傳遞 SQL 請求，之後會得到返回的結果。對於查詢 SQL，結果會以 ResultSet 的形式返回。
當你建立了一個 Statement 物件之後，你可以用它的三個執行方法的任一方法來執行 SQL 語句。
- boolean execute(String SQL) : 如果 ResultSet 物件可以被檢索，則返回的布林值為 true ，否則返回 false 。當你需要使用真正的動態 SQL 時，可以使用這個方法來執行 SQL DDL 語句。
- int executeUpdate(String SQL) : 返回執行 SQL 語句影響的行的數目。使用該方法來執行 SQL 語句，是希望得到一些受影響的行的數目，例如，INSERT，UPDATE 或 DELETE 語句。
- ResultSet executeQuery(String SQL) : 返回一個 ResultSet 物件。當你希望得到一個結果集時使用該方法，就像你使用一個 SELECT 語句。
對於不同型別的 SQL 語句，Statement 有不同的介面與其對應。
介面 | 介紹
-|-|
Statement | 適合執行靜態 SQL 語句，不接受動態引數
PreparedStatement | 計劃多次使用並且預先編譯的 SQL 語句，介面需要傳入額外的引數
CallableStatement | 用於訪問資料庫儲存過程
Statement 主要用於執行靜態SQL語句，即內容固定不變的SQL語句。Statement每執行一次都要對傳入的SQL語句編譯一次，效率較差。而 PreparedStatement則解決了這個問題，它會對 SQL 進行預編譯，提高了執行效率。
PreparedStatement pstmt = null;
try {
String SQL = "Update activity SET activity_name = ? WHERE activity_id = ?";
pstmt = connection.prepareStatement(SQL);
pstmt.setString(1, "測試");
pstmt.setInt(2, 1);
pstmt.executeUpdate();
}
catch (SQLException e) {
}
finally {
pstmt.close();
}
}
除此之外， PreparedStatement 還可以預防 SQL 注入，因為 PreparedStatement 不允許在插入引數時改變 SQL 語句的邏輯結構。
PreparedStatement 傳入任何資料不會和原 SQL 語句發生匹配關係，無需對輸入的資料做過濾。如果使用者將”or 1 = 1”傳入賦值給佔位符，下述SQL 語句將無法執行：select * from t where username = ? and password = ?。
ResultSet
當 Statement 查詢 SQL 執行後，會得到 ResultSet 物件，ResultSet 物件是 SQL語句查詢的結果集合。ResultSet 對從資料庫返回的結果進行了封裝，使用迭代器的模式可以逐條取出結果集中的記錄。
while(resultSet.next()) {
System.out.println(resultSet.getString(2));
}
ResultSet 一般也建議使用完畢直接 close 掉，但是需要注意的是關閉 ResultSet 物件不關閉其持有的 Blob、Clob 或 NClob 物件。 Blob、Clob 或 NClob 物件在它們被建立的的事務期間會一直持有效，除非其 free 函式被呼叫。
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參考
- https://blog.csdn.net/wl044090432/article/details/60768342
- https://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/29850811