Go组件学习——手写连接池并没有那么简单

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	
}

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
}

NextConnIndex对应的结构体如下

type NextConnIndex struct {
	Index int
}

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
}

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),
	}
}

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,
	}

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
}

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
}

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
}

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

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
	}
}

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
	}
}

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

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
	}
}

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[]

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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