mysql driver的bug的深入分析

1 问题描述：

下面是应用上线后的线程个数的曲线图：

 

<center></center>

通过观察线程数：从0.2k增加到1.4k，然后突然又变成0.2k。 所有增加的线程均为Damon的线程。

有如下几个疑问：

   1：为什么线程数会一直增加，出现了线程泄露？

   2：在某个时间点线程数突然降了1.2k，why?

1.1 线程泄露排查
   通过jstack打印栈信息，发现大部分的线程描述如下。(省略了部分栈信息)

"MySQL
 Statement Cancellation Timer"
#2952daemonin
 Object.wait()

java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (on object monitor)

at java.lang.Object.wait(Native Method)

  at
 java.util.TimerThread.run(Timer.java:505)
 
通过线程名字可知该线程为mysql的线程(这个也说明了自定义线程的时候，起一个容易识别的名字是多么重要)。

从信息描述可知是JDK的一个Timer线程，并且该线程处于TIMED_WAITING的状态。

疑问：

    Statement Cancellation Timer 线程是干嘛的，为什么是一个Timer的线程？

1.2 线程数突降排查

首先去观察当前系统的各种资源消耗(比如 cpu，内存，jvm信息)，看能否从中得到一些信息，通过查看GC时发现，YGC的时间点和线程数突降的时间点完全一致。如下图(GC的曲线图)

疑问：

    难道YGC会把TIMED_WAITING状态的线程给GC掉？ 非常挑战之前对GC的理解。

2 基础知识
2.1 数据库连接池的心跳检测
 1：数据连接池是对连接进行管理和维护，保证连接的可用性。为了保证连接的可用性 ，需要对连接进行心跳。

 2：心跳一般分为两个层面：tcp层面的心跳，应用层面的心跳。 tcp层面是使用keepalive进行心跳，而应用层面是通过应用层协议进行心跳。

 3：有同学会问：TCP有keepalive的心跳机制，为什么还需要上层应用的心跳。(这里笔者推荐使用应用层的心跳来进行保活）

keepalive的局限：

    保证TCP层面的保活，如果应用挂掉，但是端口还正常，则连接还是有效。

    对于IO应用，如果TCP层保活失败，会关闭掉socket，但是上层应用感知不到，会认为socket还是有效的。

    操控性比较弱。

应用层保活优点：

     灵活，可操控性强。

     可以针对业务特性设置心跳策略。

     可以保证连接是有效的。

 4：数据库连接池采用的是应用层心跳来进行保活，主要有如下三种心跳方式。

 Statement

     数据库的查询方式进行心跳。连接池会提供心跳检查的sql配置，比如配置为：select 1 。那么心跳的时候，就会执行statement.execute("select 1") 。

 Ping

      mysql driver提供了一个ping的方法。mysql协议提供了一个ping的命令(类似于select命令)，专门用于心跳检测。

 isValid

       jdbc提供了isValid接口，mysql driver对该接口实现，是采用mysql原生的ping命令。

 对比

  statement ping接口 isValid接口
参数 select 1 无参 有timeout参数
性能 低 高 高
接口提供 JDBC原生 mysql driver私有 JDBC4原生
返回值 boolean void boolean
心跳失败 抛SQLException 抛SQLException 返回false
总结：

   注意：ping协议是指mysql的协议， ping接口是driver提供的接口内部用来实现ping协议的发送

    1：mysql原生ping协议的性能是statement的将近2倍(笔者进行过测试)，推荐使用原生的ping协议

    2：ping接口并不是JDBC接口，内部实现了发送ping协议的功能。如果出错，会将错误异常抛出

    3：isValid的内部实现也是ping方法，只是进行了try catch的封装。如果try通过，则返回true，在catch处返回false，同时会将当前Connection的状态置为false（该处后面会重点讲解）。

2.2 业务超时处理方案
一般访问第三方接口或者可能执行会比较长的接口，一般都会设置一个超时时间，进行容错的处理。

比如：

    1：访问http接口，设置超时时间，在规定的时间未返回数据，则会报timeout异常。

    2：执行数据库命令，设置超时(调用statement的setQueryTimeout接口)，在规定的时间未返回数据，则会报timeout异常。

2.2.1 实现超时控制流程：
    1：访问接口前，将当前状态封装为一个定时任务，通过定时框架设定任务的启动时间。

    2：收到返回数据后，则会取掉定时任务。

    3：如果在规定的时间内，数据还未返回，定时任务便会启动。处理策略：(1)业务处理 (2)抛出timeout的异常。

    4：业务处理一般为：记录日志，发送取消命令到服务端(mysql driver便是发送kill query connectionid到数据库端取消执行的sql)。

2.2.2 定时框架 
定时框架JDK实现的主要有两种可选择：Timer和ScheduledExecutorService

(1) Timer 

主要有两个方法：schedule和scheduleAtFixedRate，其中参数均为：(TimerTask task, long delay, long period) 。

区别： 比如period为5s，schedule是当前任务执行完成后再过5s开始执行下一次。scheduleAtFixedRate为任务间隔为固定的5s，包含任务执行的时间。

主要包含三个组件：

    TimerThread：用于运行task的线程

    TaskQueue：存放所有的task，该队列会保证存放的task顺序是按照执行时间先后存放

    TimerTask：运行的task，是一个Runnable，主要控制任务的状态和执行的时间点。

 

<center></center>

上图仅大概描述Timer的结构，逻辑并不是很严谨。

  1：调用schedule方法进行任务的调度。将任务添加到queue中，queue会对队列进行重排，保证最先执行的任务在队列的最前面。

  2：对task进行cancel时，仅仅是设置task的状态为cancel，在thread线程读取queue的时候，如果发现task状态为cancel时，则从queue中移除掉。(很多取消操作均是这样设计)

  3：timerThread异步读取queue(任务是按照执行的先后进行顺序存放),如果queue为empty，则wait。否则执行任务。

  4：调用Timer的cancel，则会设置一个标记位，TimerThread执行完成(即TimerThread线程的退出)。如果执行任务的时候出现异常，则TimerThread线程也会进行退出(使用Timer一定要注意任务的异常处理)

  5：对于？处的信息，后面会详细描述。

 

 (2) ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 具体原理本文将不做描述(其实定时实现的原理和Timer差不多)。

下面主要描述一下两者的区别：

   1：线程模型：Timer是单线程，一个线程轮询执行所有的任务。 ScheduledExecutorService是多线程，其实本质是一个Executor。

   2：异常检查：Timer未对运行的任务进行异常检查，如果任务出现异常，Timer线程会运行结束。ScheduledExecutorService会对异常捕获处理

   如果需要设置定时任务，笔者这里还是推荐ScheduledExecutorService 。

  

 2.3 Caelus连接池
唯品会平台架构部自研的分布式数据库连接池。主要解决如下问题：

    1：高性能：基于无锁的连接池设计模型来提升连接池性能；

    2：在分库较多的场景下，减少线程数。 假如有128个分库，现有连接池模型下则需要使用128个独立的连接池，每个连接池都需要线程(1-4个，不同的连接池不同)处理任务。则总共需要维护128到128*4个线程，开销巨大。而Caelus连接池会大大减少线程数。

    3：连接复用。 对于 一个mysql 的instance上面有多个schema场景下。现有连接池不同的schema的连接不可复用。而Caelus可以复用不同schema的连接，提升性能。

    4：过多的事务指令。如果是事务语句，则从连接池拿到连接后，需要先开启事务(set autocommit=0)，归还时需要再设置(set autocommit=1)。每使用一次连接，均需要额外执行两条事务指令。Caelus能有效减少事务指令。

    具体Caelus细节在这里先不做描述。

3 线程泄露解析
    下面将解析线程不断增加的原因。

3.1 问题描述
     1：使用JDBC接口时，如果设置queryTimeout，则driver会启动一个Timer线程，来进行超时控制。Timer线程便是前面通过jstack抓取到一直在增加的线程：MySQL Statement Cancellation Timer 。

     2：可以推测应用端肯定设置了queryTimeout。 通过查看用户配置，确定了在每个查询的时候，均设置了queryTimeout。

     3：Timer线程是连接维度的。每新建一个连接，如果进行了超时控制，则会新建一个线程；在连接物理关闭时，再将该线程给close掉。(一般系统连接超时控制均是全局的设置，只需要开启一个Timer线程运行超时任务)。mysql driver是每一个连接开启一个Timer线程，效率较低，存在频繁的开启和关闭线程的操作。如果连接数过多，也会带来线程数过多的问题。 此处可以考虑进行优化。

     4：连接物理关闭的方式为：调用Connection.close方法，该方法会先判断当前Connection不是close状态，不是close状态，才会cancel掉Timer线程。

     既然连接关闭的时候，会将Timer线程给cancel掉，那为什么Timer线程数一直在增长，并且所有的线程都处于等待状态。下面先分析一下那些操作会对连接进行关闭。

3.2 连接关闭的场景
    1：连接池一般会设置minIdle，空闲连接超过minIdle的话，则会关闭连接。(关于连接池的配置可参考：http://blog.csdn.net/hetaohappy/article/details/51861015)

    2：连接池设置minEvictableIdleTimeMillis，即如果在规定的时间内一直空闲，则会关闭连接。

    3：如果访问发现是IO异常，则会关闭掉连接。mysql会设定wait_timeout，也就是mysql对连接的空闲超时时间。如果空闲超时，mysql则会关闭掉连接。 由于访问端是io机制，无法感知socket关闭，所以当拿到该socket进行访问时，便会报IO的异常。

   前面两个场景并未复现bug;第三个场景可以复现bug。 复现的流程为；

    1：新建连接，设置queryTimeout，然后访问数据库。

    2：在数据库端把对应的连接给kill掉(类似空闲超时的处理)

    3： 客户端使用该连接再进行访问。发现多了一个Timer的线程。

3.3 原因分析
    执行业务sql之前，会先进行心跳检查。心跳采用的是isValid接口(具体可参考前面描述) ，isValid方法先进行心跳，发现心跳失败，会将Connection的连接状态置为close。

    连接池发现心跳失败，则会调用Connection的close接口，由于之前已经将Connection状态设置为close 。close接口发现连接状态已经是close，则直接返回。导致没有cancel 掉Timer线程。

现有连接池排查：

连接池 是否有线程泄露
DBCP 有
Druid 无
HicariCP 有
Caelus 有
 有线程泄露的连接池，均是使用了isValid来进行心跳检查。而Druid是采用的mysql driver的ping方法，所以没有问题。这个可以更改为和Druid一样的机制(ping方法)进行心跳检查。

4 线程数突降解析
    在YGC的时候，线程数突然下降很多。理论上GC和线程是没有关系，应该是YGC触发了什么条件，然后该条件将线程给关闭了。

4.1 Timer线程关闭场景
     1：调用Timer的cancel方法；

     2：任务运行异常(Timer未对异常做封装处理)。

   通过排查确定YGC和上述两个场景没有关闭。

4.2 原因分析
    先分析一下GC和应用主要有哪些交互的场景：

        1：weak引用：GC后，会将weak引用进行回收掉；

        2：finalize：GC的时候会调用需要被GC对象的finalize 方法。

   通过分析Timer源码，未发现有weak引用，却发现Timer有一个 threadReaper 属性实现了finalize 方法，该方法便是操作让Timer线程运行结束(也就是关闭)。这里也就清楚为什么YGC的时候，线程数会跟着下降。(可见JDK源码对各种异常情况考虑的确实很多，研究JDK源码的设计思想，能给我们写代码带来很大的借鉴)

    YGC导致线程关闭的流程：

        YGC-->回收Connection对象->回收Timer对象-->回收threadReaper 对象->执行threadReaper的finalize 方法->设定线程结束状态，并进行notify->Timer线程运行结束。

5 总结

问题出现在两个地方：

   1：mysql driver的isValid方法存在bug，导致Timer线程未关闭。

   2：连接池选择了isValid方法进行心跳处理，可以考虑使用mysql driver的ping方法。

   该问题也是可以通过配置进行避免的。

您可能感兴趣的文章：
mysql driver的bug的深入分析
mysql索引的建立原则
select语句实现mysql分页查询
mysql查看索引方法
JDBC连接MySQL数据库
mysql索引管理 mysql创建索引
mysql和mysqli的区别分析
sqlserver,oracle,mysql数据库的直连的参数
php高级程序员该学什么
Mysql 自增字段设定基值的sql语句