如何实现多连接访问单一数据库

本文旨在解决Java桌面应用中多用户同时访问单一数据库的挑战，特别是针对Apache Derby嵌入式数据库的常见误区。文章将深入探讨嵌入式数据库在多JVM环境下的局限性，并推荐采用客户端-服务器架构的数据库解决方案。同时，将详细阐述正确的事务隔离级别、并发控制策略（如乐观锁）以及如何利用高级JDBC封装库（如JDBI或JOOQ）来简化和增强数据库操作的健壮性，确保数据一致性和应用稳定性。

理解多用户数据库访问的挑战

在开发多用户桌面应用程序时，数据库的并发访问是一个核心且复杂的问题。尤其当开发者选择使用嵌入式数据库如Apache Derby时，很容易遇到架构上的根本性限制。

嵌入式数据库的局限性

Apache Derby的嵌入式模式设计初衷是让数据库作为单个Java应用程序的一部分运行。这意味着：

1. 单进程独占：一个嵌入式Derby数据库文件（或目录）在任何给定时间只能被一个Java虚拟机（JVM）独占访问。当第二个JVM尝试连接到同一个嵌入式数据库时，它会因为文件锁定而失败，导致连接异常。
2. 非服务器模式：嵌入式数据库本身不提供网络服务，无法通过TCP/IP协议让多个独立的客户端应用程序连接。因此，期望通过启动多个桌面应用实例来共享同一个嵌入式数据库是不切实际的。

上述问题导致了在尝试运行第二个程序时出现的java.lang.SecurityException: sealing violation错误。虽然这个错误通常指示类路径中存在重复的JAR包，导致包密封性冲突，但其深层原因往往是由于多个JVM试图加载并操作同一个嵌入式数据库驱动及其文件，从而引发了底层资源冲突和类加载问题。

行级锁定与事务隔离的误区

虽然开发者尝试通过设置TRANSACTION_READ_COMMITTED隔离级别和启用derby.storage.rowLocking来解决并发问题，但这些措施在嵌入式数据库的单进程限制下是无效的。

• TRANSACTION_READ_COMMITTED：这个隔离级别允许读取已提交的数据，防止脏读，但仍然可能出现不可重复读和幻读。在多用户环境中，它不足以保证复杂业务逻辑的数据一致性。
• derby.storage.rowLocking：行级锁定是数据库内部的并发控制机制，用于在事务执行期间锁定特定行，防止其他事务修改。然而，它需要在数据库以服务器模式运行，并由数据库引擎自身管理并发访问时才有效。在多个JVM试图直接操作同一组数据库文件时，这种底层机制根本无法介入。

多用户环境下的正确数据库架构

要实现多个桌面应用实例同时访问一个数据库，必须采用客户端-服务器（Client-Server）架构。

推荐使用服务器模式数据库

将数据库从应用程序进程中分离出来，作为独立的服务器进程运行，是解决多用户并发访问问题的关键。推荐的数据库类型包括：

• 关系型数据库服务器：如PostgreSQL、MySQL、SQL Server、Oracle等。这些数据库是为高并发、多用户环境设计的，提供了完善的事务管理、锁定机制和网络协议支持。
• H2或Derby在服务器模式下运行：如果仍希望使用纯Java数据库，H2和Derby都支持以服务器模式运行。在这种模式下，数据库作为一个独立的进程启动，并通过TCP/IP监听端口，允许来自不同JVM的多个客户端连接。

示例：Derby在网络服务器模式下的连接字符串

当Derby作为网络服务器运行时，连接字符串会发生变化，不再是文件路径，而是服务器地址和端口：

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

public class DerbyNetworkConnect {
    public static void main(String[] args) {
        String driver = "org.apache.derby.jdbc.ClientDriver";
        String host = "jdbc:derby://localhost:1527/C:\DATABSE_SUB\VERe;create=true"; // 假设数据库路径
        String uName = "josh";
        String uPass = "1234";

        try {
            Class.forName(driver); // 加载Derby客户端驱动
            Connection con = DriverManager.getConnection(host, uName, uPass);
            System.out.println("成功连接到Derby网络数据库！");
            // ... 执行数据库操作 ...
            con.close();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            System.err.println("Derby客户端驱动未找到: " + e.getMessage());
        } catch (SQLException e) {
            System.err.println("数据库连接失败: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

注意事项：在使用服务器模式时，需要先独立启动Derby网络服务器。例如，通过命令行运行java -jar derbyrun.jar server start。

客户端-服务器模型的工作原理

在这种模型中：

1. 一个数据库服务器进程：负责管理数据库文件、处理并发请求、执行事务和锁定。
2. 多个客户端应用程序进程：每个桌面应用实例都是一个独立的客户端，通过JDBC驱动和网络协议（如TCP/IP）连接到数据库服务器。
3. 数据库服务器管理并发：所有客户端请求都由数据库服务器协调，确保数据完整性和一致性。

并发控制与事务隔离

即使在服务器模式下，也需要正确配置事务隔离级别来处理并发更新。

SERIALIZABLE 隔离级别：实现数据一致性的黄金标准

TRANSACTION_READ_COMMITTED虽然防止了脏读，但在多用户并发修改同一数据时，仍然可能导致业务逻辑错误，例如在取款操作中，两个用户同时检查余额并尝试取款，可能导致透支。

为了确保最高级别的数据一致性，推荐使用SERIALIZABLE（可串行化）隔离级别。

ShopEx助理

一个类似淘宝助理、ebay助理的客户端程序，用来方便的在本地处理商店数据，并能够在本地商店、网上商店和第三方平台之间实现数据上传下载功能的工具。功能说明如下：1.连接本地商店：您可以使用ShopEx助理连接一个本地安装的商店系统，这样就可以使用助理对本地商店的商品数据进行编辑等操作，并且数据也将存放在本地商店数据库中。默认是选择“本地未安装商店”，本地还未安

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• 特性：SERIALIZABLE确保事务的执行如同它们是串行执行的一样，完全避免了脏读、不可重复读和幻读。
• 代价：实现SERIALIZABLE通常需要数据库进行更严格的锁定，这可能导致并发性能下降，并增加死锁或事务回滚的风险。

在Java JDBC中设置 SERIALIZABLE 隔离级别：

con.setTransactionIsolation(Connection.TRANSACTION_SERIALIZABLE);

乐观锁机制

在许多现代应用中，SERIALIZABLE隔离级别带来的性能开销可能难以接受。此时，乐观锁是一种更轻量级的并发控制策略，它假设冲突不常发生。

乐观锁通常通过在数据表中添加一个版本号（或时间戳）字段来实现：

1. 读取时：应用程序读取数据时，同时读取其版本号。
2. 更新时：应用程序尝试更新数据时，会带上之前读取的版本号作为条件。

   UPDATE account SET balance = ?, version = version + 1 WHERE accountId = ? AND version = ?

   登录后复制
3. 冲突处理：如果UPDATE语句影响的行数为零，则表示在当前事务读取数据到尝试更新之间，数据已经被其他事务修改（版本号不匹配），此时应用程序需要捕获此情况并进行重试或通知用户。

处理 SERIALIZABLE 事务冲突：重试机制

当使用SERIALIZABLE隔离级别时，数据库在检测到可能破坏串行性的并发冲突时，可能会抛出SQLException（通常是特定于数据库引擎的错误码）。在这种情况下，应用程序不应简单地失败，而是应该实现重试逻辑。

重试策略：

1. 捕获特定的SQLException（例如，PostgreSQL的SQLState为40001）。
2. 回滚当前事务。
3. 等待一小段时间（可以引入随机延迟以避免“惊群效应”）。
4. 重新开始整个事务操作。

这是一个复杂的实现，通常不建议手动编写。

优化数据库交互：使用高级API

直接使用JDBC API进行事务管理和并发控制是繁琐且容易出错的。

JDBC的局限性

JDBC API是底层的，它要求开发者手动管理连接、语句、结果集、异常处理以及事务的提交和回滚。在处理复杂的并发场景（如SERIALIZABLE事务的重试）时，手动实现这些逻辑会引入大量样板代码和潜在错误。

推荐JDBI和JOOQ等库

为了简化数据库操作并提高代码质量，建议使用高级JDBC封装库或ORM框架：

• JDBI：一个轻量级的JDBC封装库，提供更简洁的API来执行SQL查询和操作，支持声明式事务和便捷的对象映射。它能够很好地集成SERIALIZABLE事务的重试机制。
• JOOQ：一个类型安全的SQL构建器和代码生成器，允许在Java代码中编写SQL，并提供强大的查询DSL。它也支持事务管理和更高级的并发控制模式。

这些库通过提供更抽象的接口和内置功能，帮助开发者避免直接处理底层的JDBC细节，从而专注于业务逻辑，并更容易地实现健壮的并发控制策略。

总结与最佳实践

实现多用户桌面应用同时访问单一数据库需要从根本上改变数据库的使用方式。

1. 摒弃嵌入式数据库用于多用户场景：嵌入式数据库（如Derby嵌入式模式）不适合多JVM并发访问。
2. 采用客户端-服务器架构：部署独立的数据库服务器（如PostgreSQL、H2服务器模式或Derby网络服务器），所有客户端应用通过网络连接到该服务器。
3. 选择合适的事务隔离级别：对于需要高数据一致性的操作，优先考虑SERIALIZABLE隔离级别，并准备好实现重试机制来处理并发冲突。
4. 考虑乐观锁：在性能要求较高且冲突不频繁的场景下，乐观锁是SERIALIZABLE隔离级别的一个有效替代方案。
5. 利用高级数据库访问库：避免直接使用原始JDBC，转而采用JDBI、JOOQ等库来简化代码、提高可读性并更好地管理事务和并发。

通过采纳这些建议，开发者可以构建出稳定、高效且能够支持多用户并发访问的Java桌面应用程序。

以上就是如何实现多连接访问单一数据库的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！