设计一个数据库连接池

发表于 更新于 分类于 本文字数： 2.1k 阅读时长 ≈ 7 分钟

我被问到这个问题的频率真的很高，可能是因为我的简历里面 有一个连接池相关的项目，所以很多面试官都会问我这个问题。

连接池其实是一种非常常见的技术，如果大家做过一些线上服务，多少都会知道连接池复用的重要性。下面是 ChatGPT 的解释，关于我们为什么需要连接池。

连接池（Connection Pool）是为了提高数据库连接的利用效率而设计的一种技术。在许多应用程序中，与数据库进行通信时，需要频繁地获取和释放数据库连接。这个过程涉及到网络通信、身份验证和资源分配等操作，耗费时间和系统资源。

连接池的作用是在应用程序启动时预先创建一定数量的数据库连接，并将它们保存在连接池中。应用程序需要与数据库通信时，从连接池中获取一个可用的连接，并在使用完毕后将连接返回给连接池，而不是每次都重新创建和释放连接。这样可以避免频繁地创建和销毁连接的开销，提高连接的重复利用率。

当涉及到创建和释放数据库连接时，主要的开销包括以下几个方面：

  1. 网络通信开销：建立数据库连接涉及到与数据库服务器之间的网络通信。在创建连接时，需要建立底层的网络连接，包括建立TCP连接、进行握手和身份验证等操作。这些网络通信的开销包括往返延迟时间、数据传输时间等，尤其在远程数据库服务器的情况下，网络通信开销可能较大。

  2. 身份验证开销：在建立连接时，通常需要进行身份验证以确保访问数据库的权限。这涉及到验证用户凭据、检查权限等操作，这些验证过程可能需要访问数据库的系统表或其他认证机制，从而增加了额外的开销。

  3. 资源分配开销：每个数据库连接都需要分配一定的系统资源，包括内存、文件描述符或其他操作系统资源。创建连接时，需要为每个连接分配足够的资源以满足其操作的需求。在连接释放时，需要释放这些资源，包括内存的释放和系统资源的回收，这涉及到系统调用和内核操作，从而产生一定的开销。

  4. 连接池管理开销：连接池本身也需要管理连接的生命周期和状态。这包括连接的创建、分配、回收和销毁等操作。连接池需要维护连接的可用性、闲置超时时间、连接的有效性检测等功能，这些管理操作也会带来一定的开销。

以上是创建和释放数据库连接可能涉及的一些主要开销。这些开销在每次创建和释放连接时都会发生，而连接池的作用是通过预先创建一定数量的连接，并重复利用这些连接，避免了频繁创建和销毁连接所带来的开销。通过连接池，应用程序可以从连接池中获取已经建立的连接，避免了每次连接都需要进行网络通信、身份验证和资源分配等操作，从而提高了性能和效率。

以下是使用连接池的一些好处：

  1. 提高性能：连接池避免了每次与数据库建立连接和断开连接的开销，减少了网络通信、身份验证和资源分配等的时间消耗，从而提高了应用程序的响应速度和整体性能。

  2. 节省资源：连接池能够合理管理和控制数据库连接的数量，避免了无限制地创建连接，节省了系统资源（如内存、文件描述符等）的消耗。

[Note] 这种 case 下，如果连接不被管理，那么很容易出现单个 process handle 数量过多或者占用 port 过多的情况，严重情况下会耗尽整个系统的 port 资源。

  1. 平滑扩展：连接池可以动态调整连接的数量，根据应用程序的负载情况和数据库的处理能力进行合理分配，从而实现对数据库连接的平滑扩展和负载均衡。

  2. 连接管理：连接池可以提供连接的管理功能，包括连接的闲置超时时间、心跳检测、连接的有效性验证等，确保连接的可用性和稳定性。

  3. 流量管理：在多节点环境下，连接池可以提供连接的流量管理功能，确保连接的可用性和稳定性，尽可能将流量均匀地分发到各个节点。

总而言之，连接池通过预先创建和管理数据库连接，以及重复利用连接，提高了应用程序与数据库之间的效率和性能，减少了系统资源的消耗。它是常见的数据库优化技术之一，在高并发和大数据量的场景下尤为重要。

下面简单介绍一个连接池的实现，一般来说，在面试过程中，首先肯定要定义一下基本的接口, 其实最主要的方法就两个 getConnection 和 returnConnection，考虑到可能需要利用额外的线程去创建和清理连接，还可以加上 produceConnectionTask 和 scanConnectionTask。与此同时，考虑到监控的需求，我们还可以加上几个方法来读取连接池的状态信息，比如连接的数量、创建的数量、返回的数量等。

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/* 
* ConnectionPool.h
*/
#ifndef CONNECTION_POOL_H
#define CONNECTION_POOL_H

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <mysqlx/xdevapi.h>
#include <chrono>
#include <condition_variable>
#include <atomic>

class ConnectionPool {
public:
    ConnectionPool(const std::string& host, const std::string& user, const std::string& password, const std::string& schema, int min_size, int max_size, int timeout_sec);

    ~ConnectionPool();

    std::shared_ptr<mysqlx::Session*> getConnection();

    void returnConnection(std::shared_ptr<mysqlx::Session*> connection);

    int getNumConnectionsAcquired() const;

    int getNumConnectionsReturned() const;

    int getNumConnectionsCreated() const;

    int getNumConnectionsDestroyed() const;

    int getNumActiveConnections() const;

private:
    const std::string host_;
    const std::string user_;
    const std::string password_;
    const std::string schema_;
    const int min_size_;
    const int max_size_;
    const int timeout_sec_;
    std::atomic_int num_connections_{0};
    std::atomic_int num_connections_acquired_{0};
    std::atomic_int num_connections_returned_{0};
    std::atomic_int num_connections_created_{0};
    std::atomic_int num_connections_destroyed_{0};
    std::atomic_int num_active_connections_{0};
    std::queue<std::shared_ptr<mysqlx::Session*>> connections_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;

    mysqlx::Session* createConnection();

    void destroyConnection(mysqlx::Session* connection);

    void produceConnectionTask();

    void scanConnectionTask();
};

#endif // CONNECTION_POOL_H

下面是具体的实现。

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/*
* ConnectionPool.cpp
*/
#include "connection_pool.h"

ConnectionPool::ConnectionPool(const std::string& host, const std::string& user, const std::string& password, const std::string& schema, int min_size, int max_size, int timeout_sec)
    : host_(host), user_(user), password_(password), schema_(schema), min_size_(min_size), max_size_(max_size), timeout_sec_(timeout_sec)
{
    for (int i = 0; i < min_size_; ++i) {
        mysqlx::Session* connection = createConnection();
        connections_.push(std::make_shared<mysqlx::Session*>(connection));
        num_connections_.fetch_add(1);
        num_connections_created_.fetch_add(1);
    }

    std::thread producer_thread(&ConnectionPool::produceConnectionTask, this);
    std::thread scanner_thread(&ConnectionPool::scanConnectionTask, this);

    producer_thread.detach();
    scanner_thread.detach();
}

ConnectionPool::~ConnectionPool()
{
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (!connections_.empty()) {
            mysqlx::Session* connection = *(connections_.front().get());
            connections_.pop();
            destroyConnection(connection);
        }
    }

    num_connections_.store(0);
    num_connections_acquired_.store(0);
    num_connections_returned_.store(0);
    num_connections_created_.store(0);
    num_connections_destroyed_.store(0);
    num_active_connections_.store(0);
}

std::shared_ptr<mysqlx::Session> ConnectionPool::getConnection(int timeout_ms)
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    if (cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(timeout_ms), [this]() { return !connections_.empty(); })) {
        std::shared_ptr<mysqlx::Session*> connection_ptr = connections_.front();
        connections_.pop();
        num_connections_acquired_++;
        num_active_connections_++;
        return std::shared_ptr<mysqlx::Session>(*(connection_ptr.get()), [this](mysqlx::Session* connection) {
            returnConnection(std::make_shared<mysqlx::Session*>(connection));
        });
    } else {
        return nullptr;
    }
}

void ConnectionPool::returnConnection(std::shared_ptr<mysqlx::Session*> connection)
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    connections_.push(connection);
    num_connections_returned_.fetch_add(1);
    num_active_connections_.fetch_sub(1);
    cv_.notify_one();
}

int ConnectionPool::getNumConnectionsAcquired() const
{
    return num_connections_acquired_.load();
}

int ConnectionPool::getNumConnectionsReturned() const
{
    return num_connections_returned_.load();
}

int ConnectionPool::getNumConnectionsCreated() const
{
    return num_connections_created_.load();
}

int ConnectionPool::getNumConnectionsDestroyed() const
{
    return num_connections_destroyed_.load();
}

int ConnectionPool::getNumActiveConnections() const
{
    return num_active_connections_.load();
}

mysqlx::Session* ConnectionPool::createConnection()
{
    mysqlx::Session* connection = new mysqlx::Session(host_, 33060, user_, password_, schema_);
    num_connections_created_.fetch_add(1);
    return connection;
}

void ConnectionPool::destroyConnection(mysqlx::Session* connection)
{
    connection->close();
    delete connection;
    num_connections_destroyed_.fetch_add(1);
}

void ConnectionPool::produceConnectionTask()
{
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        if (num_connections_.load() < max_size_) {
            mysqlx::Session* connection = createConnection();
            connections_.push(std::make_shared<mysqlx::Session*>(connection));
            num_connections_.fetch_add(1);
        }
        lock.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(timeout_sec_));
    }
}

void ConnectionPool::scanConnectionTask()
{
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (!connections_.empty()) {
            mysqlx::Session* connection = *(connections_.front().get());
            connections_.pop();
            lock.unlock();
            // Check if the connection is still alive
            try {
                mysqlx::Result result = connection->execute("SELECT 1");
            } catch (const mysqlx::Error& e) {
                destroyConnection(connection);
                num_connections_.fetch_sub(1);
                continue;
            }
            connections_.push(std::make_shared<mysqlx::Session*>(connection));
        }
        lock.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(timeout_sec_));
    }
}