[스프링 DB 1편] #2. 커넥션풀과 데이터소스 이해

[6om1n]

1️⃣ 커넥션 풀 이해

데이터베이스 커넥션을 획득할 때는 복잡한 과정을 거친다.

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

이렇게 커넥션을 새로 만드는 것은 과정도 복잡하고 시간도 많이 소모된다.
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.

• 이런 문제를 한 번에 해결하는 아이디어가 커넥션을 미리 생성해두고 사용하는 커넥션 풀 이라는 방법이다.

• 커넥션 풀 은 이름 그대로 커넥션을 관리하는 풀 (수영장 풀이라고 상상) 이다.

• 커넥션 풀 초기화
  

• 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 풀의 연결 상태
  

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

• 커넥션 풀 사용1
  

• 애플리케이션 로직에서 DB 드라이버를 통해서 새로운 커넥션을 획득하는 것이 아닌 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.

• 커넥션 풀 사용2
  

• 애플리케이션 로직은 커넥션 풀에서 받은 커넥션을 사용해서 SQL을 데이터베이스에 전달하고 그 결과를 받아서 처리한다.
• 커넥션을 모두 사용하고 나면 커넥션을 종료하는 것이 아니라, 다음에 다시 사용할 수 있도록 해당 커넥션을 그대로 커넥션 풀에 반환하면 된다.
• 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 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 사용 한다.
• 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 2.0부터는 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 대부분 hikariCP 를 사용한다.

---

2️⃣ DataSource 이해

• 커넥션을 얻는 방법은 JDBC DriverManager 를 직접 사용하거나, 커넥션 풀을 사용하는 등 다양한 방법이 존재한다.

• 커넥션을 획득하는 다양한 방법
  

• DriverManager 를 통해 커넥션 획득
  

• DriverManager를 통해 커넥션 획득하다가 커넥션 풀로 변경 시 문제
  

• 예를 들어 애플리케이션 로직에서 DriverManager 를 사용해서 커넥션을 획득하다가 HikariCP 같은 커넥션 풀을 사용하도록 변경하면 커넥션을 획득하는 애플리케이션 코드도 함께 변경해야 한다. 의존 관계가 DriverManager 에서 HikariCP 로 변경되기 때문에다.

• 커넥션을 획득하는 방법을 추상화
  

• 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.

• DataSource

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. 애플리케이션 로직은 DataSource 인터페이스에만 의존하면 된다. 덕분에 DriverManagerDataSource 를 통해서 DriverManager 를 사용하다가 커넥션 풀을 사용하도록 코드를 변경해도 애플리케이션 로직은 변경하지 않아도 된다.

---

3️⃣ DataSource 예제1 - DriverManager

• ConnectionTest - 드라이버 매니저 (기존 DriverManager 를 통해서 커넥션을 획득하는 방법)

package hello.jdbc.connection;

import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.jdbc.datasource.DriverManagerDataSource;

import javax.sql.DataSource;
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

import static hello.jdbc.connection.ConnectionConst.*;

@Slf4j
public class ConnectionTest {

    @Test
    void driverManger() throws SQLException {
        Connection con1 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
        Connection con2 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
        log.info("connection={}, class={}", con1, con1.getClass());
        log.info("connection={}, class={}", con2, con2.getClass());

    }
}

• 실행 결과
  

• ConnectionTest - 데이터소스 드라이버 매니저 추가 (스프링이 제공하는 DriverManagerDataSource 사용)

package hello.jdbc.connection;

import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.jdbc.datasource.DriverManagerDataSource;

import javax.sql.DataSource;
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

import static hello.jdbc.connection.ConnectionConst.*;

@Slf4j
public class ConnectionTest {

    @Test
    void driverManger() throws SQLException {
        Connection con1 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
        Connection con2 = DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
        log.info("connection={}, class={}", con1, con1.getClass());
        log.info("connection={}, class={}", con2, con2.getClass());

    }

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

    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());
    }
}

• dataSourceDriverManager() 실행 결과
  

• 기존 코드와 비슷하지만 DriverManagerDataSource 는 DataSource 를 통해서 커넥션을 획득할 수 있다. DriverManagerDataSource 는 스프링이 제공하는 코드이다.

• 파라미터 차이

• 기존 DriverManager 를 통해서 커넥션을 획득하는 방법과 DataSource 를 통해서 커넥션을 획득하는 방법에는 큰 차이가 있다.

• DriverManager

DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);
DriverManager.getConnection(URL, USERNAME, PASSWORD);

• DataSource

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

• DriverManager 는 커넥션을 획득할 때마다 URL , USERNAME , PASSWORD 같은 파라미터를 계속 전달해야한다. 반면에 DataSource 를 사용하는 방식은 처음 객체를 생성할 때만 필요한 파라미터를 넘겨두고, 커넥션을 획득할 때는 단순히 dataSource.getConnection() 만 호출하면 된다.

설정과 사용의 분리

• 설정 : DataSource 를 만들고 필요한 속성들을 사용해서 URL , USERNAME , PASSWORD 같은 부분을 입력하는 것을 말한다. 이렇게 설정과 관련된 속성들은 한 곳에 있는 것이 향후 변경에 더 유연하게 대처할 수 있다.
• 사용 : 설정은 신경쓰지 않고, DataSource 의 getConnection() 만 호출해서 사용하면 된다.

설정과 사용의 분리 설명

• 필요한 데이터를 DataSource 가 만들어지는 시점에 미리 다 넣어두게 되면, DataSource 를 사용하는 곳에서는 dataSource.getConnection() 만 호출하면 되므로, URL, USERNAME, PASSWORD 같은 속성들에 의존하지 않아도 된다. 그냥 DataSource 만 주입받아서 getConnection() 만 호출하면 된다.
• Repository 는 DataSource 만 의존하고, 이런 속성을 몰라도 된다.
• 애플리케이션을 개발해보면 보통 설정은 한 곳에서 하지만, 사용은 수 많은 곳에서 하게 된다.
• 덕분에 객체를 설정하는 부분과 사용하는 부분을 좀 더 명확하게 분리할 수 있다.

---

4️⃣ DataSource 예제2 - 커넥션 풀

• ConnectionTest - 데이터소스 커넥션 풀 추가

 @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); //커넥션 풀에서 커넥션 생성 시간 대기
    }

• 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 작접은 애플리케이션 실행 속도에 영향을 주지 않기 위해 별도의 쓰레드에서 작동한다. 별도의 쓰레드에서 동작하기 때문에 테스트가 먼저 종료되어 버린다. Thread.sleep 을 통해 대기 시간을 주어야 쓰레드 풀에 커넥션이 생성되는 로그를 확인할 수 있다.

• 실행 결과
  
  

• HikariCP 관련 설정을 확인할 수 있다. 풀의 이름 (MyPool) 과 최대 풀 수 (10) 을 확인할 수 있다.

• 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.
• 커넥션 풀에 커넥션을 채우는 것은 상대적으로 오래 걸리는 일이다. 애플리케이션을 실행할 때 커넥션 풀을 채울 때까지 마냥 대기하고 있다면 애플리케이션 실행 시간이 늦어진다. 따라서 이렇게 별도의 쓰레드를 사용해서 커넥션 풀을 채워야 애플리케이션 실행 시간에 영향을 주지 않는다. 이것이 별도의 쓰레드를 사용해서 커넥션 풀에 커넥션을 채우는 이유이다.

• 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.
  

---

5️⃣ DataSource 적용

• MemberRepositoryV1

package hello.jdbc.repository;

import hello.jdbc.connection.DBConnectionUtil;
import hello.jdbc.domain.Member;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.jdbc.support.JdbcUtils;

import javax.sql.DataSource;
import java.sql.*;
import java.util.NoSuchElementException;

/**
 * JDBC - DataSource 사용, JdbcUtils 사용
 */
@Slf4j
public class MemberRepositoryV1 {

    private final DataSource dataSource;

    public MemberRepositoryV1(DataSource dataSource) {
        this.dataSource = dataSource;
    }

    public Member save(Member member) throws SQLException {
        String sql = "insert into member(member_id, money) values(?, ?)";
        Connection con = null;
        PreparedStatement pstmt = null;
        try {
            con = getConnection();
            pstmt = con.prepareStatement(sql);
            pstmt.setString(1, member.getMemberId());
            pstmt.setInt(2, member.getMoney());
            pstmt.executeUpdate();
            return member;
        } catch (SQLException e) {
            log.error("db error", e);
            throw e;
        } finally {
            close(con, pstmt, null);
        }
    }

    public Member findById (String memberId) throws SQLException {
        String sql = "select * from member where member_id = ?";

        Connection con = null;
        PreparedStatement pstmt = null;
        ResultSet rs = null;

        try {
            con = getConnection();
            pstmt = con.prepareStatement(sql);
            pstmt.setString(1, memberId);

            rs = pstmt.executeQuery();
            if (rs.next()) {
                Member member = new Member();
                member.setMemberId(rs.getString("member_id"));
                member.setMoney(rs.getInt("money"));
                return member;
            } else {
                throw new NoSuchElementException("Element not found memberId=" + memberId);
            }
        } catch (SQLException e) {
            log.error("db error", e);
            throw e;
        } finally {
            close(con, pstmt, rs);
        }
    }

    public void update (String memberId, int money) throws SQLException {
        String sql = "update member set money=? where member_id=?";

        Connection con = null;
        PreparedStatement pstmt = null;

        try {
            con = getConnection();
            pstmt = con.prepareStatement(sql);
            pstmt.setInt(1, money);
            pstmt.setString(2, memberId);
            int resultSize = pstmt.executeUpdate();
            log.info("resultSize={}", resultSize);
        } catch (SQLException e) {
            log.error("db error", e);
            throw e;
        } finally {
            close(con, pstmt, null);
        }
    }

    public void delete(String memberId) throws SQLException {
        String sql = "delete from member where member_id=?";

        Connection con = null;
        PreparedStatement pstmt = null;

        try {
            con = getConnection();
            pstmt = con.prepareStatement(sql);
            pstmt.setString(1, memberId);

            pstmt.executeUpdate();
        } catch (SQLException e) {
            log.error("db error", e);
            throw e;
        } finally {
            close(con, pstmt, null);
        }
    }

    private void close(Connection con, Statement stmt, ResultSet rs) {

        JdbcUtils.closeResultSet(rs);
        JdbcUtils.closeStatement(stmt);
        JdbcUtils.closeConnection(con);

    }
    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. 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 를 사용하면 커넥션을 좀 더 편리하게 닫을 수 있다.

• MemberRepositoryV1Test

 package hello.jdbc.repository;

import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import hello.jdbc.domain.Member;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.jdbc.datasource.DriverManagerDataSource;
import org.springframework.jmx.export.notification.UnableToSendNotificationException;

import java.awt.image.Kernel;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
import java.util.NoSuchElementException;

import static hello.jdbc.connection.ConnectionConst.*;
import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThat;
import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThatThrownBy;

@Slf4j
class MemberRepositoryV1Test {

    MemberRepositoryV1 repository;

    @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);
    }


    @Test
    void crud() throws SQLException {
        //save
        Member member = new Member("memberV0", 10000);
        repository.save(member);

        //findById
        Member findMember = repository.findById(member.getMemberId());
        log.info("findMember={}", findMember);
        assertThat(findMember).isEqualTo(member);

        //update: money: 10000 -> 20000
        repository.update(member.getMemberId(), 20000);
        Member updateMember = repository.findById(member.getMemberId());
        assertThat(updateMember.getMoney()).isEqualTo(20000);

        //delete
        repository.delete(member.getMemberId());
        assertThatThrownBy(() -> repository.findById(member.getMemberId()))
                .isInstanceOf(NoSuchElementException.class);

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• MemberRepositoryV1 은 DataSource 의존관계 주입이 필요하다.

• DriverManagerDataSource 사용
  

• DriverManagerDataSource 를 사용하면 conn0~5 번호를 통해서 항상 새로운 커넥션이 생성되어서 사용되는 것을 확인할 수 있다.

• HikariDataSource 사용
  

• 커넥션 풀 사용시 conn0 커넥션이 재사용 된 것을 확인할 수 있다.
• 테스트는 순서대로 실행되기 때문에 커넥션을 사용하고 다시 돌려주는 것을 반복한다. 따라서 conn0 만 사용된다.
• 웹 애플리케이션에 동시에 여러 요청이 들어오면 여러 쓰레드에서 커넥션 풀의 커넥션을 다양하게 가져가는 상황을 확인할 수 있다.

DI

• DriverManagerDataSource -> HikariDataSource 로 변경해도 MemberRepositoryV1 의 코드는 전혀 변경하지 않아도 된다.
• MemberRepositoryV1 은 DataSource 인터페이스에만 의존하기 때문이다. 이것이 DataSource 를 사용하는 장점이다. (DI + OCP)

---

🔗 출처

김영한 - 스프링 DB 1편 - 데이터 접근 핵심 원리