大揭秘:池式结构与IO多路复用结构,两者竟有这些惊人的共同点!

本文通过介绍常见的池式结构(数据库连接池、线程池)和IO多路复用结构(redis),对比其中的作用以及原理,探索其中底层的设计思路的共同点

1. 池化技术介绍

池化技术能够减少资源对象的创建次数,提⾼程序的响应性能,特别是在⾼并发下这种提⾼更加明显。使用池化技术缓存的资源对象有如下共同特点:

  1. 对象创建时间长;
  2. 对象创建需要大量资源;
  3. 对象创建后可被重复使用像常见的线程池、内存池、连接池、对象池都具有以上的共同特点。

2.连接池

数据库连接池

定义:数据库连接池(Connection pooling)是程序启动时建立足够的数据库连接,并将这些连接组成一个连接池,由程序动态地对池中的连接进行申请,使用,释放。

创建数据库连接是⼀个很耗时的操作,也容易对数据库造成安全隐患。所以,在程序初始化的时候,集中创建多个数据库连接,并把他们集中管理,供程序使用,可以保证较快的数据库读写速度,还更加安全可靠。 这里讲的数据库,不单只是指Mysql,也同样适用于Redis。

对比不使用连接池的流程图

  • TCP建立连接的三次握手(客户端与MySQL服务器的连接基于TCP协议)
  • MySQL认证的三次握手
  • 真正的SQL执行
  • MySQL的关闭
  • TCP的四次握手关闭

使用连接池的流程图

作用:

  1. 资源复用:由于数据库连接得到复用,避免了频繁的创建、释放连接引起的性能开销,在减少系统消耗的基础上,另一方面也增进了系统运行环境的平稳性(减少内存碎片以及数据库临时进程/线程的数量)。
  2. 更快的系统响应速度:数据库连接池在初始化过程中,往往已经创建了若干数据库连接置于池中备用。此时连接的初始化工作均已完成。对于业务请求处理而言,直接利用现有可用连接,避免了从数据库连接初始化和释放过程的开销,从而缩减了系统整体响应时间。
  3. 统⼀的连接管理:避免数据库连接泄露,在较为完备的数据库连接池实现中,可根据预先的连接占用超时设定,强制收回被占用连接。从而避免了常规数据库连接操作中可能出现的资源泄露。

3.线程池

定义:线程池是一个预先创建并启动的线程集合,这些线程可以被反复地重新利用,从而避免重复创建和销毁线程的开销。当需要执行任务时,线程池只需从缓存的任务中调用线程即可,从而提高程序的效率和稳定性。

总体来说,线程池有如下的优势:

  1. 资源优化:通过预先创建和缓存线程,线程池可以避免频繁地创建和销毁线程,从而减少了系统资源的浪费和消耗。
  2. 性能优化:线程池可以复用已经执行完毕或失败的线程,避免了资源的浪费和消耗,提高了程序的性能和响应速度。
  3. 高效利用CPU:通过批量处理任务,线程池可以提高CPU的使用率,减少了系统的响应时间。
  4. 并发控制:线程池提供了并发处理的能力,可以在多线程环境下同时处理多个任务,提高系统的处理能力。
  5. 任务调度:线程池可以预先安排好任务的执行顺序和时间,避免了频繁地创建和销毁线程带来的混乱和延迟。

Java中线程池工作原理图:

4.IO多路复用机制(以redis为例)

定义:Redis 的 IO 多路复用设计是一种基于事件驱动的非阻塞模型,它允许 Redis 同时处理多个客户端请求,而无需为每个请求创建一个新的线程。通过 IO 多路复用,Redis 可以有效地利用系统资源,提高并发处理能力。

其中我们来介绍几个概念:

  • I/O
    网络I/O,尤其在操作系统层面指数据在内核态和用户态之间的读写操作
  • 多路
    多个客户端连接(连接就是套接字描述符,即socket或者channel)
  • 复用
    复用一个或者几个线程连接
  • IO多路复用
    也就是说一个或者一组线程处理多个TCP,使用单进程就能实现同时处理多个客户端的连接,无需创建或者维护过多的进程/线程

redisIO多路复用模型

原理

Redis 的 IO 多路复用模型基于非阻塞的文件描述符注册和事件通知机制。当有新的请求到达时,Redis 会将相关的请求信息注册到文件描述符上。然后,Redis 可以通过监视文件描述符的状态来获取是否有新的请求到达,从而避免了频繁的线程切换和上下文切换。

此外,Redis 的 IO 多路复用模型还支持异步处理。当有新的请求到达时,Redis 不会阻塞当前线程的执行,而是将请求放入队列中,由后台线程进行处理。这种设计可以进一步提高系统的并发处理能力,并降低系统的响应时间。

作用

  1. 资源优化:通过非阻塞的文件描述符注册和事件通知机制,Redis 可以避免频繁的线程创建和销毁,从而减少了系统资源的浪费和消耗。
  2. 高效并发处理:IO 多路复用模型允许 Redis 同时处理多个客户端请求,避免了线程切换和上下文切换的开销,提高了系统的并发能力和吞吐量。
  3. 可扩展性:Redis 的 IO 多路复用模型具有很好的可扩展性,可以根据系统的需求动态调整并发处理能力。
  4. 降低响应时间:通过异步处理和队列机制,Redis 可以更快地响应用户请求,提高了系统的响应速度和用户体验。

5.共同点

数据库连接池、线程池等池式结构和 Redis 的 IO 多路复用结构在设计思路上有一些相似之处。以下是一些共同点:

  1. 资源复用:池式结构(如数据库连接池、线程池)和 IO 多路复用结构都实现了资源的复用。它们都预先创建了一定数量的资源(如数据库连接、线程),并在需要时从池中获取,使用完毕后再放回池中供其他请求使用,避免了频繁创建和销毁资源的开销。
  2. 高效处理并发:池式结构和 IO 多路复用结构都通过高效地管理并发请求来提高系统的性能。它们通过预先分配的资源池,可以同时处理多个请求,避免了线程切换和上下文切换的开销。
  3. 减少资源管理开销:池式结构和 IO 多路复用结构都简化了资源管理。在池式结构中,连接、线程等资源的创建、销毁和分配都是由系统自动完成的,减少了开发者手动管理资源的负担。在 IO 多路复用结构中,通过非阻塞的 I/O 操作,可以避免频繁的同步和阻塞,提高了系统的响应速度和吞吐量。
  4. 异步处理:池式结构和 IO 多路复用结构都支持异步处理。它们允许一个请求在等待资源的过程中继续执行其他任务,从而提高系统的并发能力和吞吐量。
  5. 可扩展性:池式结构和 IO 多路复用结构都具有可扩展性,可以根据系统的需求动态调整资源池的大小和性能。

tips:虽然数据库连接池、线程池等池式结构和 Redis 的 IO 多路复用结构在设计思路上有相似之处,但它们在具体实现和使用上还是有所区别的。Redis 的 IO 多路复用结构是基于事件驱动的,而数据库连接池、线程池等池式结构是基于线程的。此外,Redis 还提供了其他一些特性,如数据缓存、数据结构存储等,因此它们的适用场景也有所不同。

参考文章:https://zhuanlan.zhihu.com/p/642712057

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