面试题：Java BIO客户端连接池优化策略

Question

假设你需要为Java BIO客户端设计一个连接池来优化连接管理，阐述连接池实现过程中的关键设计点，包括但不限于连接创建、回收、分配以及如何处理连接超时等问题。

Answer 1

连接创建

1. 初始化连接数量：在连接池启动时，创建一定数量的初始连接，以避免在高并发请求时频繁创建连接带来的性能开销。例如，通过配置文件设定初始连接数为 initialConnections。

for (int i = 0; i < initialConnections; i++) {
    Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort);
    connections.add(socket);
}

2. 动态扩展：当连接池中的连接耗尽时，能够动态创建新的连接。设置最大连接数 maxConnections，防止无限制创建连接导致资源耗尽。

if (connections.size() < maxConnections) {
    Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort);
    connections.add(socket);
}

连接回收

1. 使用完归还：客户端使用完连接后，需要将连接归还给连接池。在连接对象上提供一个 close 方法，实际实现中不是真正关闭连接，而是将其标记为可用并放回连接池。

public void close() {
    isInUse = false;
    connectionPool.returnConnection(this);
}

2. 空闲连接清理：定期检查连接池中的空闲连接，对于长时间未使用的连接，关闭并从连接池中移除，以释放资源。可以使用 ScheduledExecutorService 定时任务来实现。

ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
executorService.scheduleAtFixedRate(() -> {
    long currentTime = System.currentTimeMillis();
    connections.stream()
      .filter(conn ->!conn.isInUse() && (currentTime - conn.getLastUseTime() > idleTimeout))
      .forEach(conn -> {
            try {
                conn.close();
                connections.remove(conn);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
}, 0, idleCheckInterval, TimeUnit.MILLISECONDS);

连接分配

1. 获取连接逻辑：客户端从连接池获取连接时，连接池需要返回一个可用的连接。如果没有可用连接，根据配置决定是等待还是立即返回错误。

public Socket getConnection() throws InterruptedException {
    while (true) {
        synchronized (connections) {
            for (Socket socket : connections) {
                if (!socket.isInUse()) {
                    socket.setInUse(true);
                    socket.setLastUseTime(System.currentTimeMillis());
                    return socket;
                }
            }
            if (connections.size() < maxConnections) {
                // 创建新连接
                Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort);
                socket.setInUse(true);
                socket.setLastUseTime(System.currentTimeMillis());
                connections.add(socket);
                return socket;
            }
        }
        if (!waitForConnection) {
            throw new NoAvailableConnectionException();
        }
        Thread.sleep(100);
    }
}

处理连接超时

1. 连接创建超时：在创建连接时设置连接超时时间，避免长时间等待无响应的服务器。

Socket socket = new Socket();
socket.connect(new InetSocketAddress(serverAddress, serverPort), connectionTimeout);

2. 获取连接超时：当客户端从连接池获取连接时，如果设置了等待连接的超时时间，在超时后抛出异常。

public Socket getConnection(long timeout) throws InterruptedException {
    long endTime = System.currentTimeMillis() + timeout;
    while (true) {
        synchronized (connections) {
            for (Socket socket : connections) {
                if (!socket.isInUse()) {
                    socket.setInUse(true);
                    socket.setLastUseTime(System.currentTimeMillis());
                    return socket;
                }
            }
            if (connections.size() < maxConnections) {
                // 创建新连接
                Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort);
                socket.setInUse(true);
                socket.setLastUseTime(System.currentTimeMillis());
                connections.add(socket);
                return socket;
            }
        }
        long remainingTime = endTime - System.currentTimeMillis();
        if (remainingTime <= 0) {
            throw new ConnectionTimeoutException();
        }
        Thread.sleep(100);
    }
}