蔡朝暉，付丹丹，蘇 丹

（大慶師范學院計算機科學與信息技術學院，黑龍江大慶163712）

基于ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問編碼優(yōu)化

蔡朝暉，付丹丹，蘇 丹

（大慶師范學院計算機科學與信息技術學院，黑龍江大慶163712）

分析了數(shù)據(jù)庫應用程序在運行中出現(xiàn)的性能問題，進而討論了基于ADO.NET的數(shù)據(jù)庫訪問技術的優(yōu)化原則，并針對具體的應用程序設計編寫了相應的優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問代碼。

數(shù)據(jù)訪問；數(shù)據(jù)庫中間件；性能優(yōu)化；ADO.NET技術

0 引言

隨著計算機硬件變得更快更廉價，大多數(shù)數(shù)據(jù)庫應用程序通過網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫進行通信，而不再是直接通過單個計算機中的內(nèi)部進程進行通信。與此同時，計算機軟件則需要提供在應用程序和數(shù)據(jù)庫之間的連接，即所謂的數(shù)據(jù)庫中間件，因此企業(yè)出現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫連接標準的需求，通用的應用程序編程接口（application programming interface，API）應運而生。例如ODBC（Open Database Connectivity，開放式數(shù)據(jù)庫連接）的出現(xiàn)，解決了開發(fā)人員對于不同數(shù)據(jù)源Microsoft SQL Server、Oracle和IBM DB2等的數(shù)據(jù)訪問的統(tǒng)一接口問題。

隨著數(shù)據(jù)庫連接標準的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序被添加到數(shù)據(jù)庫中間件層，即數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序處理基于標準的API函數(shù)調(diào)用，向數(shù)據(jù)庫提交SQL（Structured Query Language，結(jié)構(gòu)化查詢語言）請求，并向應用程序返回結(jié)果。但同時數(shù)據(jù)訪問中間件的使用，也為應用程序的性能問題添加了新的隱患。

目前，開發(fā)人員面臨的系統(tǒng)性能問題是：即使數(shù)據(jù)庫調(diào)試得很好，數(shù)據(jù)庫應用程序的運行情況卻并不總是盡如人意。其主要原因是：相比于之前處理請求時間大多用在DBMS（Data Base Management System，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）上，近幾年，應用系統(tǒng)處理請求時間的75%～95%則花費在了數(shù)據(jù)庫中間件上［1］。

在本文中，我們討論了基于ADO.NET（ActiveX Data Objects for the.NET）的數(shù)據(jù)庫訪問技術的優(yōu)化原則和方法，并針對具體教學項目案例《畢業(yè)論文管理系統(tǒng)》設計編寫了相應的數(shù)據(jù)訪問代碼。

1 應用程序性能問題分析

數(shù)據(jù)庫應用程序中的性能問題，一般由于以下4個方面原因引起的［1］：

1）網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)包的容量設定

網(wǎng)絡常見性能問題是完成一個操作需要的往返次數(shù)。在應用程序和數(shù)據(jù)庫之間發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)越少，意味著在數(shù)據(jù)庫和應用程序之間的往返次數(shù)越少。

2）數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序的選擇

在數(shù)據(jù)庫應用程序部署中，選擇使用哪個驅(qū)動程序，對性能有很大的影響。一個好的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序，能夠更加高效地處理連接池和內(nèi)存管理。

3）環(huán)境配置

內(nèi)存的適時分配與釋放、服務器端與客戶端彼此操作系統(tǒng)的字節(jié)順序是否匹配等都會影響應用程序性能；另外，在當前虛擬化的新趨勢下，硬件資源的使用很容易達到極限，檢測產(chǎn)生硬件（內(nèi)存、磁盤I／O、CPU以及網(wǎng)絡適配器）瓶頸的原因變得更加困難。

4）數(shù)據(jù)庫應用程序編碼不良

如果應用程序代碼的效率不高，應用程序向數(shù)據(jù)庫中間件發(fā)送數(shù)據(jù)請求的性能就會降低。例如對事務管理的提交方式，如果使用默認的自動提交模式就會對應用程序造成嚴重的性能限制，因為對于大多基于標準的應用程序，默認的事務模式需要數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序在每個API請求之后處理昂貴的Commit操作。

2 基于ADO.NET的性能優(yōu)化原則

2.1 ADO.NET概述

ADO.NET是一組用于和數(shù)據(jù)源進行交互的面向?qū)ο箢悗?，用于讀寫數(shù)據(jù)庫，是Microsoft希望在.NET編程環(huán)境中優(yōu)先使用的數(shù)據(jù)訪問接口。訪問過程如圖1所示。

圖1 ADO.NET數(shù)據(jù)訪問過程

2.2 ADO.NET數(shù)據(jù)訪問模式

在ADO.NET組件中包含兩個核心組件，分別是.NET Framework數(shù)據(jù)提供程序和數(shù)據(jù)集DataSet。

基于ADO.NET的客戶端應用程序有兩種數(shù)據(jù)訪問模式，即通過DataSet對象訪問數(shù)據(jù)模式和通過DataReader對象訪問數(shù)據(jù)模式。如圖2所示。

圖2 ADO.NET數(shù)據(jù)訪問模式

ADO.NET的兩種數(shù)據(jù)訪問模式本身就為應用程序提供了可優(yōu)化選擇：使用DataSet對象是數(shù)據(jù)集斷開式（也稱非連接式）數(shù)據(jù)訪問模式，使用DataReader對象則是連接式數(shù)據(jù)訪問模式。

其中的DataSet對象是ADO.NET技術基于ADO技術的重大變化和革新，旨在解決Web應用程序的松耦合特性以及其在本質(zhì)上互不關聯(lián)的特性［2］。

如圖2所示，DataSet對象通過DataAdepter對象訪問數(shù)據(jù)庫，它不直接對數(shù)據(jù)庫進行訪問，從而實現(xiàn)了斷開式的數(shù)據(jù)庫訪問。DataSet對象代表數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存緩存［2］，由于其獨立于數(shù)據(jù)庫，所以配合了連接池的管理方式，在數(shù)據(jù)庫連接上為系統(tǒng)性能優(yōu)化提供了保證。

2.3 ADO.NET訪問數(shù)據(jù)庫方法及步驟

（1）使用連接對象connection連接數(shù)據(jù)源；

（2）使用命令對象Command執(zhí)行SQL語句或存儲過程操縱數(shù)據(jù)庫；

（3）使用數(shù)據(jù)讀取器對象DataReader讀取數(shù)據(jù)，或者使用數(shù)據(jù)集對象DataSet和數(shù)據(jù)適配器對象DataAdapter訪問數(shù)據(jù)庫。

2.4 性能優(yōu)化通用原則

在應用程序開發(fā)中，對ADO.NET應用程序進行性能優(yōu)化是一件很復雜的事情。首先，當代碼運行緩慢時，數(shù)據(jù)提供程序是不會拋出異常進行通知的；其次，因為不同數(shù)據(jù)提供程序之間，編程概念有一定的差異，編寫.NET應用程序比編寫ODBC或JDBC應用程序更復雜。

所以，所謂的性能優(yōu)化通用原則［1］，是指我們所設計的數(shù)據(jù)訪問編碼，它們具體實現(xiàn)了以下4個目標中的一個或多個：

（1）降低網(wǎng)絡通信量；

（2）限制磁盤I／O；

（3）優(yōu)化應用程序和驅(qū)動程序之間的交互；

（4）簡化查詢。

3 ADO.NET編碼優(yōu)化建議

3.1 使用連接池管理連接

數(shù)據(jù)庫連接可能需要付出較昂貴的時間和資源成本，為了緩解這個成本問題，許多數(shù)據(jù)提供者都支持連接池（Connection Pooling）。默認情況下，ADO.NET中啟用連接池，除非以顯式形式禁用，否則，連接在應用中打開和關閉時，池進程將對連接進行優(yōu)化。

優(yōu)化原理［2］：連接池可以減少新連接需要打開的次數(shù)。池進程保持物理連接的所有權(quán)。通過為每個給定的連接配置保留一組連接來管理連接。只要用戶在連接上調(diào)用Open，池進程就會檢查池中是否有可用的連接。如果某個池連接可用，會將該連接返回給調(diào)用者，而不是打開新連接。應用程序在該連接上調(diào)用Close時，池進程會將該連接返回到活動連接池中，而不是真正關閉連接。連接返回到池中后，即可在下一個Open調(diào)用中使用。

3.2 使用手動提交模式管理事務

提交或回滾事務是比較緩慢的，因為涉及到磁盤I／O，同時潛在地需要大量的網(wǎng)絡往返，通常建議在應用程序中關閉自動提交模式，并同時使用手動提交模式；另外，除非必須使用分布式事務，否則應使用本地事務。

優(yōu)化原理：自動提交模式下，每次成功操作之后，數(shù)據(jù)提供程序就向數(shù)據(jù)庫發(fā)送一個提交請求，需要進行一次網(wǎng)絡往返；而使用手動提交模式，應用程序可以控制何時提交數(shù)據(jù)庫工作，避免了不必要的事務自動提交。至于優(yōu)先選擇本地事務模型，是由于本地事務訪問和更新位于單個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而分布式事務訪問和更新位于多個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，事務須協(xié)調(diào)這些數(shù)據(jù)庫。

3.3 選擇合適的SQL語句、程序和方法

（1）選擇執(zhí)行SQL語句的Command對象方法

使用Command對象方法執(zhí)行SQL語句時，有選擇地使用以下方法：ExecuteNonQuery、ExecuteReader、ExecuteScalar，可以得到最佳性能。

執(zhí)行不檢索數(shù)據(jù)的SQL語句（如Update、Insert、Delete），使用ExecuteNonQuery方法，因為此方法只返回影響記錄數(shù)量，不返回實際記錄；如果SQL語句檢索單個數(shù)值（總數(shù)或個數(shù)），使用ExecuteScalar方法，因為此方法返回結(jié)果集中第一條記錄的第一列。

（2）選擇使用語句或預先編譯的語句

如果正在使用只會執(zhí)行一次的SQL語句，選擇使用語句，因為該語句不會被放入語句池，這樣可以避免相應的在池中查找該語句的負擔。當SQL語句執(zhí)行頻率較高時，建議使用預先編譯的Command對象。

（3）使用參數(shù)數(shù)組或批處理

當更新大量數(shù)據(jù)時，可以使用參數(shù)數(shù)組或SQL語句的批處理。盡管參數(shù)數(shù)組使用更多的CPU循環(huán)，但是通過減少網(wǎng)絡往返次數(shù)可以提升性能。

（4）使用批量加載

如果有大量數(shù)據(jù)需要插入到數(shù)據(jù)庫表中，使用批量加載比參數(shù)數(shù)組更快。使用批量加載時，記錄在一個連續(xù)的流中從數(shù)據(jù)庫客戶端發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，從而不會生成額外的網(wǎng)絡往返；此外，當執(zhí)行批量加載時，數(shù)據(jù)庫能夠優(yōu)化插入記錄的方式。但使用批量加載可能會忽略參照完整性，從而引起數(shù)據(jù)的一致性問題。

（5）使用純托管提供程序

使用純托管代碼，.NET程序集運行于CLR（Command Language Runtime，公共語言運行庫）內(nèi)部，與數(shù)據(jù)提供程序連接到非托管代碼或在CLR外部運行時相比，內(nèi)部調(diào)用的相關開銷會降低5%～100%。尤其是應用程序服務器運行繁忙時，性能對比更明顯。

3.4 控制檢索數(shù)據(jù)量

（1）設計應用程序從select列表中排除長數(shù)據(jù)

通過網(wǎng)絡檢索長數(shù)據(jù)速度比較慢，并且需要消耗大量的資源。而且大多用戶實際上不希望查看長數(shù)據(jù)。以下列出盡量避免使用的長數(shù)據(jù)類型：大XML數(shù)據(jù)、長文本、長二進制數(shù)據(jù)、Clob以及Blob。

（2）限制檢索數(shù)據(jù)量

限制在驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)庫服務器之間的網(wǎng)絡通信量，可以通過確保select語句及其所使用where子句限制檢索返回結(jié)果的數(shù)據(jù)量；當不能避免檢索會產(chǎn)生大量網(wǎng)絡通信量時，應用程序可以限制通過網(wǎng)絡發(fā)送的記錄數(shù)量，同時降低通過網(wǎng)絡發(fā)送的每條記錄的大小，從而控制數(shù)據(jù)庫向驅(qū)動程序發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

（3）選擇處理效率比較高的數(shù)據(jù)類型

處理速度從最快到最慢的數(shù)據(jù)類型：binary（二進制），int、smallint、float（32位整數(shù)、16位整數(shù)、64位小數(shù)），decimal（十進制），timestamp（時間戳），char（字符）。

圖3顯示了當屬性列分別定義為64位整數(shù)類型與decimal（20）類型時，每秒返回的記錄數(shù)量的比較。

圖3 不同數(shù)據(jù)類型的性能比較

4 數(shù)據(jù)訪問編碼實例及優(yōu)化分析

針對《畢業(yè)論文管理系統(tǒng)》中的“修改選題”功能，采用了上述優(yōu)化建議，規(guī)避了數(shù)據(jù)訪問中影響應用程序性能的主要問題，設計編寫了相關的優(yōu)化測試代碼。其優(yōu)化的主要方面包括：

（1）及時關閉不使用的數(shù)據(jù)庫連接，當然這些連接還保持在連接池中；

（2）設置管理事務的提交模式為手動提交，其中設計相關的完整操作“修改選題”在同一事務中；

（3）使用純托管提供程序，即使用SQL Server專用的內(nèi)置.NET數(shù)據(jù)提供者對基礎功能進行直接訪問；

（4）選用DataReader對象查看“論文選題”情況；

（5）選用DataSet對象完成“修改題目”操作的相關數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)的更新，并使用顯示方式更新數(shù)據(jù)。

4.1 編碼實例

／／以下代碼用C＃語言編寫

說明：①連接字符串中設置Integrated Security＝SSPI（集成安全性）時，可以使用windows身份驗證；連接字符串中設置Connect Timeout＝5，連接被銷毀前，此連接在連接池中生存的最短時間為5秒；連接字符串中設置MultipleActiveResultSets＝true，為數(shù)據(jù)連接復用。

②交互操作部分代碼略去。

4.2 編碼優(yōu)化分析

（1）使用using指令引用專用內(nèi)置的.NET數(shù)據(jù)提供程序；

（2）使用try／catch塊處理連接異常，同時在finally塊中顯示關閉連接，確保及時關閉不使用的連接，避免等待垃圾收集器清除不用連接的時間，而間接影響其他連接的等待時間；

（3）使用Transaction對象處理一個功能的兩部分操作，即通過事務管理，確保數(shù)據(jù)庫的一致性和完整性。同時使用事務的顯示提交或回滾，避免了不必要的事務自動提交；

（4）檢索大量只讀數(shù)據(jù)時，選DataReader對象；（5）插入、更新或刪除數(shù)據(jù)時，選用DataSet對象。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)庫應用程序設計會直接影響所開發(fā)的應用程序性能，軟件設計人員和開發(fā)人員應特別注意這一點。由于為了收集數(shù)據(jù)庫的相關信息，應用程序經(jīng)常需要通過代碼建立連接，而建立連接對性能的影響非常大，所以為了達到最好的性能，必須考慮相關的數(shù)據(jù)庫應用程序設計。

本文編碼優(yōu)化涉及的幾個關鍵的應用程序功能區(qū)包括：數(shù)據(jù)庫連接配置、事務提交模式、SQL語句執(zhí)行以及數(shù)據(jù)檢索設計。

［1］John Goodson，Robert A.Steward.數(shù)據(jù)訪問寶典［M］.北京：清華大學出版社，2010：155-176.

［2］龔根華，王煒立.ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術［M］.北京：清華大學出版社，2012：25-33，74-75，87-138.

［3］Shawn Eildermuth，Mark Blomsma，Jim Wightman.ADO.NET應用程序開發(fā)［M］.北京：清華大學出版社，2010：1-33，105-120.

蔡朝暉（1968-），女，黑龍江大慶人，大慶師范學院計算機科學與信息技術學院副教授，博士生，從事數(shù)據(jù)庫與知識庫研究。

大慶師范學院教學改革研究資助項目（JY1230）。

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2095-0063（2013）06-0026-05

2013-08-21