基于JNI的MySQL数据库访问性能优化研究

罗尹奇

（电子科技大学 图书馆，四川 成都 611731）

0 引言

在面向海量数据的应用场景下，数据库越来越成为制约整个系统性能的瓶颈。为解决数据库对系统性能的制约，在设计层面上，基于一定的数据库设计原则[1]增加必要的冗余字段，减少多表之间关联查询，实现数据库表解耦；在数据库执行性能上，通过建立索引[2]、SQL优化[3-4]、配置调优等方式来提升数据库系统本身的执行效率。

然而在实际应用中，系统的开发语言与数据库的通信过程同样也对性能产生影响。为解决Java语言在MySQL数据库访问过程中产生的性能问题，本文提出采用JNI技术，将数据库访问过程交由本地动态链接库实现，从而达到提升性能的目的。

1 关键技术

1.1 JNI(Java Native Interface)

JNI(Java Native Interface)从Java1.1开始属于JDK的一部分，是Java本地应用程序接口，确保了代码在不同的平台上方便移植[5]。JNI通过调用约定，允许Java调用其他语言（如C/C++）开发的模块；同时本地模块也可以通过JNI来操作JVM内存中的Java对象,实现与Java应用程序共享数据[6]。

在频繁的数据库访问过程中，编程语言的执行效率会产生性能上的差异，且在面向海量数据的应用场景下，该差异不可忽视。通常情况下，C/C++开发的本地数据库访问模块相较于其他语言，在性能上更有优势。JNI技术则保证了Java应用程序可以调用该高速访问模块，从而获得一定的性能提升。

1.2 动态链接库

动态链接库DLL（Dynamic Link Library）是一种共享技术，其内部封装了一组可以被共享的例程和资源，允许其他应用程序采用动态的方式进行加载、调用和运行，从而实现某些特定的功能[7-8]。

本地数据库访问模块通常采用基于C/C++的动态链接库技术开发，其作用：一方面，对JNI定义的本地接口提供具体的实现过程，保证了Java应用程序可以调用其内部函数完成特定的功能；另一方面，Java访问数据库的过程交由本地动态链接库完成，不仅在性能上可以得到提升，同时在开发上也可以实现模块化和独立编译。

2 设计与实现

2.1 系统设计

为阐述JNI技术在MySQL数据库访问过程中的应用，本文对系统接口进行了设计。根据一般的数据库应用场景，本文重点对数据库连接/断开、增删改查业务进行了实现。设计结果如图1所示：

图1 系统设计

本地接口：一组采用native关键词修饰的Java方法，仅提供方法的声明，本身不具备Java的代码实现，主要作用为应用层提供调用接口；同时可基于该接口利用JNI生成本地调用头文件。

本地实现：对JNI生成的头文件进行实现，负责完成具体的数据库访问逻辑。实现形式上采用了C/C++开发的动态链接库，将具体的访问代码进行了封装；同时由于涉及数据的跨语言传递，因此该库还需操作JVM将数据库访问结果回传至虚拟机内存。

依赖库：在本地库实现过程中，还需依赖标准库、系统库和libmysql库。MySQL数据库是平台相关的，其数据结构在不同平台下的定义有所不同，因此本地库需根据平台的不同依赖特定的系统库和libmysql库。

2.2 代码实现

2.2.1 Java 本地接口

创建Java本地接口时，需要使用native关键词对方法进行修饰，方法仅做声明，无具体的代码实现。关键代码如表1所示：

在表1中，openConnection/closeConnection方法负责声明数据库的连接/断开；execute方法负责声明增、删、改操作，返回值为非0时表示操作成功，0表示操作失败；query方法负责声明查询操作，返回值为查询后的结果。

表1 Java 本地接口

2.2.2 JNI 头文件

基于2.2.1的本地接口，在项目编译后生成的bin目录下，通过javah命令生成C/C++头文件。该头文件一方面声明了Java与C/C++的调用约定，不可随意修改以防出现无法调用的情况；另一方面本地动态链接库需要对该头文件进行实现，提供具体的数据库访问代码。关键代码如表2所示：

表2 C/C++头文件

需要注意的是，生成的头文件中包含了JNI定义的数据类型，在本地动态链接库开发时还需引入jni.h和jni_md.h头文件。

2.2.3 本地实现

对2.2.2生成的头文件进行实现时，需要包含标准头文件、系统头文件和MySQL头文件。各头文件作用如表3所示：

表3 包含的头文件

由于Java本地接口仅做连接/断开操作，不对数据库连接对象进行访问，因此在本地动态链接库中还需对数据库连接对象进行维护。为了方便起见，本文采用了全局变量的方式来维护数据库连接对象，同时包括加载libmysql.dll的句柄。关键代码如表4所示：

表4 全局变量声明

在实现数据库连接/断开时，本文采用了动态加载动态链接库技术，利用Windows系统函数获取/释放句柄；同时在使用libmysql.dll库中的函数时，采用了函数指针来获取库函数的调用地址，从而实现MySQL函数的调用。关键代码如表5、表6所示：

表5 数据库连接

表6 数据库断开

在表5中全局句柄仅加载一次，表6中不对句柄进行释放，从而防止在大量数据库连接/断开场景中，频繁加载释放全局句柄引发内存崩溃。而针对数据库连接指针，在打开连接的时候动态分配内存空间，在关闭连接的时候不仅需要执行断开操作，同时也要执行内存释放，并将指针置空，从而保证内存不会发生泄漏。

数据库的读写操作主要包括了数据的增删改查四个功能，execute方法完成数据的写入，即增删改功能；query方法完成数据的读取，即查询功能，并且将查询的结果返回给Java应用。关键代码如表7、表8所示：

表7 数据写入

表8 数据读取

在表8中，由于查询结果需要从C/C++的本地动态链接库回传给Java应用，因此需要利用JNI环境指针实现对虚拟机操作。

首先在虚拟机环境中并不存在ArrayList对象，因此需要获取ArrayList类型和构造函数，通过NewObject在虚拟机中创建一个ArrayList对象。后续的Object[]数组的创建同理。

其次MYSQL_ROW类型本质上是char**类型，为保证数据能够正确地传递回Java，在提取某个字段的数据时（即one_row[index]），其类型为char*,因此将其转化为字符串String类型传递给Java，再在Java应用中将String类型转化为其所需的数据类型。故MySQL中不论是什么类型的数据（如Varchar、Datetime、Blob等）均按照字符串处理，回传给Java应用后再自行决定类型转化。

最后由于Java本身是支持多态的，String数据可以赋值给Object引用，故在向Object[]数组添加String数据时不会引发虚拟机错误。

3 对比实验

为了测试本地动态链接库对Java应用访问MySQL数据库的性能提升，本文设计了两组对比实验，分析性能优化的程度。对比实验条件如表9所示：

表9 对比实验条件

为保证实验准确性，实验组与对照组均访问相同的数据库和表，执行相同的SQL语句，且通过多次重复执行SQL并取平均时间来显示性能的变化。结果如图2所示：

图2 性能对比

图2结果显示，在数据库连接/断开和数据库读写性能对比上，基于JNI的本地动态链接库均具备性能上的优势，JNI技术对Java访问MySQL数据库的性能有一定提高。

4 结语

综上所述，本文通过JNI技术定义了Java本地访问接口，采用C/C++生成动态链接库对本地接口进行实现，并采用两组对比实验论证了JNI对数据库连接/断开和读写均有性能上的提升。这对从编程语言层面上，改进Java应用访问MySQL数据库的性能提供了一定的借鉴。

然而上述方案中仍存在一定的缺陷，一方面Java应用通常是基于JDBC接口进行数据库访问，自定义的本地接口不具备通用性，Java应用需要修改代码才能使用，无法做到直接替换底层驱动库而不用修改代码的目的；另一方面本文采用了全局数据库连接对象，在多线程应用中无法创建多个数据库连接。针对上述问题，在后续的工作中还需做进一步研究。