[spring 데이터 접근 핵심 원리 3] 커넥션 풀, 데이터 소스 (connection pool, data source)

https://www.inflearn.com/course/%EC%8A%A4%ED%94%84%EB%A7%81-db-1/dashboard

스프링 DB 1편 - 데이터 접근 핵심 원리 - 인프런 | 강의

김영한님의 위 강의를 바탕으로 작성하였습니다.

 

데이터베이스 커넥션을 획득할 때는 다음과 같은 복잡한 과정을 거친다.

1. 애플리케이션 로직은 DB 드라이버를 통해 커넥션을 조회한다.
2. DB 드라이버는 DB와 TCP/IP 커넥션을 연결한다. 물론 이 과정에서 3 way handshake 같은 TCP/IP 연결을 위한 네트워크 동작이 발생한다.
3. DB 드라이버는 TCP/IP 커넥션이 연결되면 ID, PW와 기타 부가정보를 DB에 전달한다.
4. DB는 ID, PW를 통해 내부 인증을 완료하고, 내부에 DB 세션을 생성한다.
5. DB는 커넥션 생성이 완료되었다는 응답을 보낸다.
6. DB 드라이버는 커넥션 객체를 생성해서 클라이언트에 반환한다.

- 이렇게 커넥션을 새로 만드는 것은 과정도 복잡하고 시간도 많이 많이 소모되는 일이다.
DB는 물론이고 애플리케이션 서버에서도 TCP/IP 커넥션을 새로 생성하기 위한 리소스를 매번 사용해야 한다.
진짜 문제는 고객이 애플리케이션을 사용할 때, SQL을 실행하는 시간 뿐만 아니라 커넥션을 새로 만드는 시간이 추가되기 때문에 결과적으로 응답 속도에 영향을 준다. 이것은 사용자에게 좋지 않은 경험을 줄 수 있다.

 

 

참고: 데이터베이스마다 커넥션을 생성하는 시간은 다르다. 시스템 상황마다 다르지만 MySQL 계열은 수 ms(밀리초) 정도로 매우 빨리 커넥션을 확보할 수 있다. 반면에 수십 밀리초 이상 걸리는 데이터베이스들도 있다.

이런 문제를 한번에 해결하는 아이디어가 바로 커넥션을 미리 생성해두고 사용하는 커넥션 풀이라는 방법이다.
커넥션 풀은 이름 그대로 커넥션을 관리하는 풀(수영장 풀을 상상하면 된다.)이다.

 

애플리케이션을 시작하는 시점에 커넥션 풀은 필요한 만큼 커넥션을 미리 확보해서 풀에 보관한다. 보통 얼마나 보관할 지는 서비스의 특징과 서버 스펙에 따라 다르지만 기본값은 보통 10개이다.

 

커넥션 풀 OverView

애플리케이션 실행 시, 미리  TCP/IP로 DB와 커넥션이 연결되어 있는 커넥션을 만들어 두는 것.

이후 애플리케이션이 커넥션이 필요할 때마다(DB 접근 sql ) 커넥션 풀에 커넥션을 요청한 뒤 받아서 사용한다.

사용이 종료 된 뒤, 반환. ( 다시 사용할 수 있도록 커넥션을 close 하지않고, 살아있는 상태로 반환)

 

 

커넥션 풀에 들어 있는 커넥션은 TCP/IP로 DB와 커넥션이 연결되어 있는 상태이기 때문에 언제든지 즉시 SQL을 DB에 전달할 수 있다.

 

 

애플리케이션 로직에서 이제는 DB 드라이버를 통해서 새로운 커넥션을 획득하는 것이 아니다. 이제는 커넥션 풀을 통해 이미 생성되어 있는 커넥션을 객체 참조로 그냥 가져다 쓰기만 하면 된다. 커넥션 풀에 커넥션을 요청하면 커넥션 풀은 자신이 가지고 있는 커넥션 중에 하나를 반환한다.

 

애플리케이션 로직은 커넥션 풀에서 받은 커넥션을 사용해서 SQL을 데이터베이스에 전달하고 그 결과를 받아서 처리한다.
커넥션을 모두 사용하고 나면 이제는 커넥션을 종료하는 것이 아니라, 다음에 다시 사용할 수 있도록 해당 커넥션을 그대로 커넥션 풀에 반환하면 된다. 여기서 주의할 점은 커넥션을 종료하는 것이 아니라 커넥션이 살아있는 상태로 커넥션 풀에 반환해야 한다는 것이다.

 

정리

적절한 커넥션 풀 숫자는 서비스의 특징과 애플리케이션 서버 스펙, DB 서버 스펙에 따라 다르기 때문에 성능 테스트를 통해서 정해야 한다.
커넥션 풀은 서버당 최대 커넥션 수를 제한할 수 있다. 따라서 DB에 무한정 연결이 생성되는 것을 막아주어서 DB를 보호하는 효과도 있다.

이런 커넥션 풀은 얻는 이점이 매우 크기 때문에 실무에서는 항상 기본으로 사용한다.
커넥션 풀은 개념적으로 단순해서 직접 구현할 수도 있지만, 사용도 편리하고 성능도 뛰어난 오픈소스

커넥션 풀이 많기 때문에 오픈소스를 사용하는 것이 좋다.
대표적인 커넥션 풀 오픈소스는 commons-dbcp2 , tomcat-jdbc pool , HikariCP 등이 있다.
성능과 사용의 편리함 측면에서 최근에는 hikariCP 를 주로 사용한다. 스프링 부트 2.0 부터는 기본 커넥션 풀로 hikariCP 를 제공한다. 성능, 사용의 편리함, 안전성 측면에서 이미 검증이 되었기 때문에 커넥션 풀을 사용할 때는 고민할 것 없이 hikariCP 를 사용하면 된다. 실무에서도 레거시 프로젝트가 아닌 이상 대부분 hikariCP 를 사용한다.

 

 

Data Source

 

커넥션을 획득하는 방법을 추상화 하는 인터페이스

 

문제점: 커넥션을 획득하는 방법을 변경 시, 코드가 전부 바뀐다.

ex) 만약 DriverManger로 매번 신규 커넥션 생성하는 방식에서, 커넥션 풀 (HikariCP) 로 변경 시, 코드를 전부 바꿔야한다.

-> 커넥션을 확득하는 방법을 추상화하자 => data source의 기능

 

 

자바에서는 이런 문제를 해결하기 위해 javax.sql.DataSource 라는 인터페이스를 제공한다. DataSource 는 커넥션을 획득하는 방법을 추상화 하는 인터페이스이다.

이 인터페이스의 핵심 기능은 커넥션 조회 하나이다. (다른 일부 기능도 있지만 크게 중요하지 않다.)

 public interface DataSource {
    Connection getConnection() throws SQLException;
}

정리

대부분의 커넥션 풀은 DataSource 인터페이스를 이미 구현해두었다. 따라서 개발자는 DBCP2 커넥션 풀 , HikariCP 커넥션 풀 의 코드를 직접 의존하는 것이 아니라 DataSource 인터페이스에만 의존하도록 애플리케이션 로직을 작성하면 된다.
커넥션 풀 구현 기술을 변경하고 싶으면 해당 구현체로 갈아끼우기만 하면 된다.

DriverManager 는 DataSource 인터페이스를 사용하지 않는다. 따라서 DriverManager 는 직접 사용해야 한다. 따라서 DriverManager 를 사용하다가 DataSource 기반의 커넥션 풀을 사용하도록 변경하면 관련 코드를 다 고쳐야 한다. 이런 문제를 해결하기 위해 스프링은 DriverManager 도 DataSource 를 통해서 사용할 수 있도록 DriverManagerDataSource 라는 DataSource 를 구현한 클래스를 제공한다.

자바는 DataSource 를 통해 커넥션을 획득하는 방법을 추상화했다. 이제 애플리케이션 로직은 DataSource 인터페이스에만 의존하면 된다. 덕분에 DriverManagerDataSource 를 통해서 DriverManager 를 사용하다가 커넥션 풀을 사용하도록 코드를 변경해도 애플리케이션 로직은 변경하지 않아도 된다.

 

 

 DriverManager로 커넥션을 생성하여 가져오기

//단순 DriverManager만 사용
@Test
    void driverManager() throws SQLException {
        Connection con1 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD); //케넥션을 하나 생성하여 가져오기 
        Connection con2 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
        log.info("connection={}, class={}", con1, con1.getClass());
        log.info("connection={}, class={}", con2, con2.getClass());
    }

//dataSource 로 추상화하는 DriverManager
    @Test
    void dataSourceDriverManager() throws SQLException {
        //DriverManagerDataSource - 항상 새로운 커넥션을 획득
        DriverManagerDataSource dataSource = new DriverManagerDataSource(URL, USERNAME, PASSWORD); 
        useDataSource(dataSource);
    }

DriverManager 는 커넥션을 획득할 때 마다 URL , USERNAME , PASSWORD 같은 파라미터를 계속 전달해야 한다. 

반면에 DataSource 를 사용하는 방식은 처음 객체를 생성할 때만 필요한 파리미터를 넘겨두고, 커넥션을 획득할 때는 단순히 dataSource.getConnection() 만 호출하면 된다.

 

 

 

커넥션 풀 생성하기(Hikari)

 @Test
    void dataSourceConnectionPool() throws SQLException, InterruptedException {
        //커넥션 풀링
        HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource();
        dataSource.setJdbcUrl(URL);
        dataSource.setUsername(USERNAME);
        dataSource.setPassword(PASSWORD);
        dataSource.setMaximumPoolSize(10);
        dataSource.setPoolName("MyPool");

        useDataSource(dataSource);
        Thread.sleep(1000);
    }

    private void useDataSource(DataSource dataSource) throws SQLException {
        Connection con1 = dataSource.getConnection();
        Connection con2 = dataSource.getConnection();
        log.info("connection={}, class={}", con1, con1.getClass());
        log.info("connection={}, class={}", con2, con2.getClass());
    }

HikariCP 커넥션 풀을 사용한다. HikariDataSource 는 DataSource 인터페이스를 구현하고 있다. 커넥션 풀 최대 사이즈를 10으로 지정하고, 풀의 이름을 MyPool 이라고 지정했다.
커넥션 풀에서 커넥션을 생성하는 작업은 애플리케이션 실행 속도에 영향을 주지 않기 위해 별도의 쓰레드에서 작동한다. 별도의 쓰레드에서 동작하기 때문에 테스트가 먼저 종료되어 버린다. 예제처럼 Thread.sleep 을 통해 대기 시간을 주어야 쓰레드 풀에 커넥션이 생성되는 로그를 확인할 수 있다.

 

실행 결과

 
   #커넥션 풀 초기화 정보 출력
HikariConfig - MyPool - configuration:
HikariConfig - maximumPoolSize................................10 HikariConfig - poolName................................"MyPool"
#커넥션 풀 전용 쓰레드가 커넥션 풀에 커넥션을 10개 채움
[MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn0: url=jdbc:h2:.. user=SA
[MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn1: url=jdbc:h2:..
   user=SA
  [MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn2: url=jdbc:h2:..
  user=SA
  [MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn3: url=jdbc:h2:..
  user=SA
  [MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn4: url=jdbc:h2:..
  user=SA
  ...
  [MyPool connection adder] MyPool - Added connection conn9: url=jdbc:h2:..
  user=SA
#커넥션 풀에서 커넥션 획득1
ConnectionTest - connection=HikariProxyConnection@446445803 wrapping conn0: url=jdbc:h2:tcp://localhost/~/test user=SA, class=class com.zaxxer.hikari.pool.HikariProxyConnection
#커넥션 풀에서 커넥션 획득2
ConnectionTest - connection=HikariProxyConnection@832292933 wrapping conn1: url=jdbc:h2:tcp://localhost/~/test user=SA, class=class com.zaxxer.hikari.pool.HikariProxyConnection
  MyPool - After adding stats (total=10, active=2, idle=8, waiting=0

HikariConfig

HikariCP 관련설정을확인할수있다.풀의이름(MyPool)과최대풀수(10)을확인할수있다.

 

MyPool connection adder

별도의 쓰레드 사용해서 커넥션 풀에 커넥션을 채우고 있는 것을 확인할 수 있다. 이 쓰레드는 커넥션 풀에 커넥션을 최대 풀 수( 10 )까지 채운다. 그렇다면 왜 별도의 쓰레드를 사용해서 커넥션 풀에 커넥션을 채우는 것일까?
커넥션 풀에 커넥션을 채우는 것은 상대적으로 오래 걸리는 일이다. 

애플리케이션을 실행할 때 커넥션 풀을 채울 때 까지 마냥 대기하고 있다면 애플리케이션 실행 시간이 늦어진다. 

따라서 이렇게 별도의 쓰레드를 사용해서 커넥션 풀을 채워야 애플리케이션 실행 시간에 영향을 주지 않는다.

 

커넥션 풀에서 커넥션 획득

커넥션 풀에서 커넥션을 획득하고 그 결과를 출력했다. 여기서는 커넥션 풀에서 커넥션을 2개 획득하고 반환하지는 않았다. 따라서 풀에 있는 10개의 커넥션 중에 2개를 가지고 있는 상태이다. 

그래서 마지막 로그를 보면 사용중인 커넥션 active=2 , 풀에서 대기 상태인 커넥션 idle=8 을 확인할 수 있다. MyPool - After adding stats (total=10, active=2, idle=8, waiting=0)

 

만약 커넥션이 최대 개수(10개) 를 넘어가면?

커넥션이 반환될때까지 커넥션 요청이 block되어 대기한다.( 대기 시간이 일정 시간 지나면 취소 등등 수행)

 

따라서 커넥션 풀의 최대 개수, 최대 대기 시간등의 정보를 적절히 설정해야한다.

 

 

DataSource 적용

/**
* JDBC - DataSource 사용, JdbcUtils 사용
*/
    @Slf4j
    public class MemberRepositoryV1 {
        private final DataSource dataSource;
        public MemberRepositoryV1(DataSource dataSource) {
        
           this.dataSource = dataSource;
      }
      //save()...
      //findById()...
      //update()....
      //delete()....
      private void close(Connection con, Statement stmt, ResultSet rs) {
          JdbcUtils.closeResultSet(rs);
          JdbcUtils.closeStatement(stmt);
          JdbcUtils.closeConnection(con); //커넥션 풀에서 close는 종료 x 종료전에 반환한다!
}
      private Connection getConnection() throws SQLException {
          Connection con = dataSource.getConnection();
          log.info("get connection={}, class={}", con, con.getClass());
          return con;
} }

DataSource 의존관계 주입
외부에서 DataSource 를 주입 받아서 사용한다. 이제 직접 만든 DBConnectionUtil 을 사용하지 않아도 된다.

DataSource 는 표준 인터페이스 이기 때문에 DriverManagerDataSource 에서 HikariDataSource 로 변경되어도 해당 코드를 변경하지 않아도 된다.

JdbcUtils 편의 메서드
스프링은 JDBC를 편리하게 다룰 수 있는 JdbcUtils 라는 편의 메서드를 제공한다.

JdbcUtils 을 사용하면 커넥션을 좀 더 편리하게 닫을 수 있다.

 

커넥션 풀링

 @BeforeEach
    void beforeEach() {
        //기본 DriverManager - 항상 새로운 커넥션을 획득
//        DriverManagerDataSource dataSource = new DriverManagerDataSource(URL, USERNAME, PASSWORD);

        //커넥션 풀링
        HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource();
        dataSource.setJdbcUrl(URL);
        dataSource.setUsername(USERNAME);
        dataSource.setPoolName(PASSWORD);
        repository = new MemberRepositoryV1(dataSource);
    }

위와 같이, 기존에 DriverManager를 DataSrouce 인터페이스에 호환되는 DriverManagerDataSource로 가져오면,

커넥션 풀로 바꾸고 싶을 때, 단순히 dataSource를 변경하기만 해도, 추가적인 구현 코드를 변경할 필요 없이 변경할 수 있다.