1、背景
前段时间在看gorm，发现gorm是复用database/sql的连接池。
于是翻了下database/sql的数据库连接池的代码实现，看完代码，好像也不是很复杂，但是总觉得理解不够深刻，于是萌生了自己想写个连接池的想法。（最后也验证了，看源码的理解确实不够深刻，一看就会，一做就跪）
2、连接池的实现原理
什么是连接池
- 顾名思义是一个池子
- 池子里面存放有限数量即时可用的连接，减少创建连接和关闭连接的时间
- 连接是有存活时间的
具体到数据库连接池，我根据自己的理解画了一张获取连接的流程图
从上图我们可以看出，除了连接池的容量大小，我们还有一个最大连接数的限制。池子里的连接让我们不用频繁的创建和关闭连接，同时应该也要有最大连接的限制，避免无限制的创建连接导致服务器资源耗尽，拖垮服务不可用。
池子中的连接也有存活时间，如果超过存活时间则会销毁连接。
3、实现连接池我们需要考虑哪些问题
3.1 功能点
-
获取连接
-
释放连接
-
Ping
-
关闭连接池
-
设置最大连接数和连接池容量（连接存活时间等等）
3.2 实现细节
- 连接应该有哪些属性，比如最大连接数、连接池容量、连接创建时间和存活时间
- 如何模拟使用连接池以及超过最大连接数后等待其他连接释放
- 如何保证在多协程操作下数据的一致性
- 如果实现连接的超时监听和通知
4、具体实现
这里的连接池实现包括
- 设置最大连接数和连接池容量
- 获取连接
- 释放连接
4.1 结构定义
定义Conn结构体，这里包含了几乎所有的有关连接需要的信息属性
type Conn struct {
maxConn int // 最大连接数
maxIdle int // 最大可用连接数
freeConn int // 线程池空闲连接数
connPool []int // 连接池
openCount int // 已经打开的连接数
waitConn map[int]chan Permission // 排队等待的连接队列
waitCount int // 等待个数
lock sync.Mutex // 锁
nextConnIndex NextConnIndex // 下一个连接的ID标识（用于区分每个ID）
freeConns map[int]Permission // 连接池的连接
}
复制代码这里并不会创建一个真正的数据库连接，而是使用一个非空的Permission表示拿到了连接。拿到一个非空的Permission才有资格执行后面类似增删改查的操作。
Permission对应的结构体如下
type Permission struct {
NextConnIndex // 对应Conn中的NextConnIndex
Content string // 通行证的具体内容，比如"PASSED"表示成功获取
CreatedAt time.Time // 创建时间，即连接的创建时间
MaxLifeTime time.Duration // 连接的存活时间，本次没有用到这个属性，保留
}
复制代码NextConnIndex对应的结构体如下
type NextConnIndex struct {
Index int
}
复制代码还有一个用来设置最大连接数以及连接池最大连接数的Config
type Config struct {
MaxConn int
MaxIdle int
}
复制代码4.2 初始化连接池参数
func Prepare(ctx context.Context, config *Config) (conn *Conn) {
// go func() {
//for {
//conn.expiredCh = make(chan string, len(conn.freeConns))
//for _, value := range conn.freeConns {
// if value.CreatedAt.Add(value.MaxLifeTime).Before(nowFunc()) {
// conn.expiredCh <- "CLOSE"
// }
//}
// }()
return &Conn{
maxConn: config.MaxConn,
maxIdle: config.MaxIdle,
openCount: 0,
connPool: []int{},
waitConn: make(map[int]chan Permission),
waitCount: 0,
freeConns: make(map[int]Permission),
}
}
复制代码这里主要是初始化上面的Conn结构体参数。
注释的部分，主要想通过启动一个监听协程，用于监听已经过期的连接，并通过channel发送。（这块还有一些细节没有想清楚，先搁置）
4.3 设置MaxConn和MaxIdle
在main.go中添加代码
ctx := context.Background()
config := &custom_pool.Config{
MaxConn: 2,
MaxIdle: 1,
}
复制代码这里意味连接池只能缓存一个连接，最大新建连接数为2，超过则要加入等待队列。
4.4 获取连接
// 创建连接
func (conn *Conn) New(ctx context.Context) (permission Permission, err error) {
/**
1、如果当前连接池已满，即len(freeConns)=0
2、判定openConn是否大于maxConn，如果大于，则丢弃获取加入队列进行等待
3、如果小于，则考虑创建新连接
*/
conn.lock.Lock()
select {
default:
case <-ctx.Done(): // context取消或超时，则退出
conn.lock.Unlock()
return Permission{}, errors.New("new conn failed, context cancelled!")
}
// 连接池不为空，从连接池获取连接
if len(conn.freeConns) > 0 {
var (
popPermission Permission
popReqKey int
)
// 获取其中一个连接
for popReqKey, popPermission = range conn.freeConns {
break
}
// 从连接池删除
delete(conn.freeConns, popReqKey)
fmt.Println("log", "use free conn!!!!!", "openCount: ", conn.openCount, " freeConns: ", conn.freeConns)
conn.lock.Unlock()
return popPermission, nil
}
if conn.openCount >= conn.maxConn { // 当前连接数大于上限，则加入等待队列
nextConnIndex := getNextConnIndex(conn)
req := make(chan Permission, 1)
conn.waitConn[nextConnIndex] = req
conn.waitCount++
conn.lock.Unlock()
select {
// 如果在等待指定超时时间后，仍然无法获取释放连接，则放弃获取连接，这里如果不在超时时间后退出会一直阻塞
case <-time.After(time.Second * time.Duration(3)):
fmt.Println("超时，通知主线程退出")
return
case ret, ok := <-req: // 有放回的连接, 直接拿来用
if !ok {
return Permission{}, errors.New("new conn failed, no available conn release")
}
fmt.Println("log", "received released conn!!!!!", "openCount: ", conn.openCount, " freeConns: ", conn.freeConns)
return ret, nil
}
return Permission{}, errors.New("new conn failed")
}
// 新建连接
conn.openCount++
conn.lock.Unlock()
permission = Permission{NextConnIndex: NextConnIndex{nextConnIndex},
Content: "PASSED", CreatedAt: nowFunc(), MaxLifeTime: time.Second * 5}
fmt.Println("log", "create conn!!!!!", "openCount: ", conn.openCount, " freeConns: ", conn.freeConns)
return permission, nil
}
复制代码这里主要分为三个部分
-
如果连接池不为空，则直接从池子里面获取连接使用即可
-
如果连接池为空，且当前的连接数已经超过最大连接数maxConn，则会将当前任务加入等待队列，同时监听是否有释放的可用连接，如果有则拿来直接用，如果超过指定等待时间后仍然取不到连接则退出阻塞返回。
-
如果连接池为空，且尚未达到最大连接数maxConn，则新建一个新连接。
getNextConnIndex函数
func getNextConnIndex(conn *Conn) int {
currentIndex := conn.nextConnIndex.Index
conn.nextConnIndex.Index = currentIndex + 1
return conn.nextConnIndex.Index
}
复制代码4.5 释放连接
// 释放连接
func (conn *Conn) Release(ctx context.Context) (result bool, err error) {
conn.lock.Lock()
// 如果等待队列有等待任务，则通知正在阻塞等待获取连接的进程（即New方法中"<-req"逻辑）
// 这里没有做指定连接的释放，只是保证释放的连接会被利用起来
if len(conn.waitConn) > 0 {
var req chan Permission
var reqKey int
for reqKey, req = range conn.waitConn {
break
}
// 假定释放的连接就是下面新建的连接
permission := Permission{NextConnIndex: NextConnIndex{reqKey},
Content: "PASSED", CreatedAt: nowFunc(), MaxLifeTime: time.Second * 5}
req <- permission
conn.waitCount--
delete(conn.waitConn, reqKey)
conn.lock.Unlock()
} else {
if conn.openCount > 0 {
conn.openCount--
if len(conn.freeConns) < conn.maxIdle { // 确保连接池大小不会超过maxIdle
nextConnIndex := getNextConnIndex(conn)
permission := Permission{NextConnIndex: NextConnIndex{nextConnIndex},
Content: "PASSED", CreatedAt: nowFunc(), MaxLifeTime: time.Second * 5}
conn.freeConns[nextConnIndex] = permission
}
}
conn.lock.Unlock()
}
return
}
复制代码这里主要分为两部分
- 如果释放连接的时候发现等待队列有任务在等待，则将释放的连接通过channel发送，给正在等待连接释放的阻塞任务使用，同时从等待队列中删除该任务。
- 如果当前无等待任务，则将连接放入连接池
这里的nowFunc
var nowFunc = time.Now
复制代码5、Case模拟
5.1 无释放创建连接
即只有创建连接，拿到连接也不会释放连接
package main
import (
"context"
custom_pool "go-demo/main/src/custom-pool"
)
func main() {
ctx := context.Background()
config := &custom_pool.Config{
MaxConn: 2,
MaxIdle: 1,
}
conn := custom_pool.Prepare(ctx, config)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
}
复制代码执行结果如下
注意上面代码都是一直在获取连接，在获取连接后没有释放连接。
第一次获取，连接池为空，则新建连接
第二次获取，连接池为空，继续新建连接
第三次获取，连接池为空，同时已有连接数>=maxConn，所以会阻塞等待释放连接，但是因为没有连接释放，所以一直等待，直到3秒超时后退出。
所以第三次、第四次和第五次都是超时退出
5.2 释放连接
如果我们释放连接会怎么样，我们可以通过新启一个协程用于释放一个连接如下
package main
import (
"context"
custom_pool "go-demo/main/src/custom-pool"
)
func main() {
ctx := context.Background()
config := &custom_pool.Config{
MaxConn: 2,
MaxIdle: 1,
}
conn := custom_pool.Prepare(ctx, config)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
go conn.Release(ctx)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
}
复制代码执行结果如下
log create conn!!!!! openCount: 1 freeConns: map[]
log create conn!!!!! openCount: 2 freeConns: map[]
log received released conn!!!!! openCount: 2 freeConns: map[]
超时，通知主线程退出
超时，通知主线程退出
复制代码前两次和上面一样，但是第三次获取的时候，会收到一个释放的连接，所以可以直接复用释放的连接返回。
但是第四次和第五次创建，因为没有释放的连接，所以都会因为等待超时后退出。
5.3 使用连接池
上面的两个case是在MaxConn=2，MaxIdle=1的情况下执行的。
下面我们看看如果基于以上两个参数设定，模拟出正好使用连接池的情况。
package main
import (
"context"
custom_pool "go-demo/main/src/custom-pool"
)
func main() {
ctx := context.Background()
config := &custom_pool.Config{
MaxConn: 2,
MaxIdle: 1,
}
conn := custom_pool.Prepare(ctx, config)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
go conn.Release(ctx)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
go conn.Release(ctx)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
go conn.Release(ctx)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
go conn.Release(ctx)
if _, err := conn.New(ctx); err != nil {
return
}
}
复制代码即除了第一次，后面都会有连接释放。
执行结果可能情况如下
log create conn!!!!! openCount: 1 freeConns: map[]
log create conn!!!!! openCount: 2 freeConns: map[]
log use free conn!!!!! openCount: 1 freeConns: map[]
log use free conn!!!!! openCount: 0 freeConns: map[]
log create conn!!!!! openCount: 1 freeConns: map[]
复制代码从执行结果可以看出，这里有两次使用了连接池中的连接。
注意：因为释放是新启协程执行，所以无法保证执行顺序，不同的执行顺序，会有不同的执行结果。上面只是执行结果的一种。
以上完整代码参见https://github.com/DMinerJackie/go-demo/tree/master/main/src/custom-pool
6、总结和展望
6.1 总结
- 通过手写连接池加深对于连接池实现的理解
- 学会使用channel和协程
- 学会如何在channel阻塞指定时间后退出（设立超时时间）
- 学会对于共享资源加锁，比如nextConnIndex的获取和更新需要加锁
6.2 展望
- Close和Ping没有写（实现不难）
- 连接池连接需要有存活时间，并在连接过期的时候从连接池删除
- 实现使用的是普通的map集合，可以考虑并发安全的syncMap
- 代码实现比较简陋不够优雅，可以继续完善保证职责单一
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