Golang你一定要懂的连接池实现

问题引入

作为一名Golang开发者，线上环境遇到过好几次连接数暴增问题（mysql/redis/kafka等）。

纠其原因，Golang作为常驻进程，请求第三方服务或者资源完毕后，需要手动关闭连接，否则连接会一直存在。而很多时候，开发者不一定记得关闭这个连接。

这样是不是很麻烦？于是有了连接池。顾名思义，连接池就是管理连接的；我们从连接池获取连接，请求完毕后再将连接还给连接池；连接池帮我们做了连接的建立、复用以及回收工作。

在设计与实现连接池时，我们通常需要考虑以下几个问题：

连接池的连接数目是否有限制，最大可以建立多少个连接？
当连接长时间没有使用，需要回收该连接吗？
业务请求需要获取连接时，此时若连接池无空闲连接且无法新建连接，业务需要排队等待吗？
排队的话又存在另外的问题，队列长度有无限制，排队时间呢？

Golang连接池实现原理

我们以Golang HTTP连接池为例，分析连接池的实现原理。

结构体Transport

Transport结构定义如下：

type Transport struct {
  //操作空闲连接需要获取锁
  idleMu    sync.Mutex
  //空闲连接池，key为协议目标地址等组合
  idleConn   map[connectMethodKey][]*persistConn // most recently used at end
  //等待空闲连接的队列，基于切片实现，队列大小无限制
  idleConnWait map[connectMethodKey]wantConnQueue // waiting getConns
  
  //排队等待建立连接需要获取锁
  connsPerHostMu  sync.Mutex
  //每个host建立的连接数
  connsPerHost   map[connectMethodKey]int
  //等待建立连接的队列，同样基于切片实现，队列大小无限制
  connsPerHostWait map[connectMethodKey]wantConnQueue // waiting getConns
  
  //最大空闲连接数
  MaxIdleConns int
  //每个目标host最大空闲连接数；默认为2（注意默认值）
  MaxIdleConnsPerHost int
  //每个host可建立的最大连接数
  MaxConnsPerHost int
  //连接多少时间没有使用则被关闭
  IdleConnTimeout time.Duration
  
  //禁用长连接，使用短连接
  DisableKeepAlives bool
}

可以看到，连接护着队列，都是一个map结构，而key为协议目标地址等组合，即同一种协议与同一个目标host可建立的连接或者空闲连接是有限制的。

需要特别注意的是，MaxIdleConnsPerHost默认等于2，即与目标主机最多只维护两个空闲连接。这会导致什么呢？

如果遇到突发流量，瞬间建立大量连接，但是回收连接时，由于最大空闲连接数的限制，该联机不能进入空闲连接池，只能直接关闭。结果是，一直新建大量连接，又关闭大量连，业务机器的TIME_WAIT连接数随之突增。

线上有些业务架构是这样的：客户端 ===> LVS ===> Nginx ===> 服务。LVS负载均衡方案采用DR模式，LVS与Nginx配置统一VIP。此时在客户端看来，只有一个IP地址，只有一个Host。上述问题更为明显。

最后，Transport也提供了配置DisableKeepAlives，禁用长连接，使用短连接访问第三方资源或者服务。

连接获取与回收

Transport结构提供下面两个方法实现连接的获取与回收操作。

func (t *Transport) getConn(treq *transportRequest, cm connectMethod) (pc *persistConn, err error) {}

func (t *Transport) tryPutIdleConn(pconn *persistConn) error {}

连接的获取主要分为两步走：1）尝试获取空闲连接；2）尝试新建连接：

//getConn方法内部实现

if delivered := t.queueForIdleConn(w); delivered {
  return pc, nil
}
  
t.queueForDial(w)

当然，可能获取不到连接而需要排队，此时怎么办呢？当前会阻塞当前协程了，直到获取连接为止，或者httpclient超时取消请求：

select {
  case <-w.ready:
    return w.pc, w.err
    
  //超时被取消
  case <-req.Cancel:
    return nil, errRequestCanceledConn
  ……
}

var errRequestCanceledConn = errors.New("net/http: request canceled while waiting for connection") // TODO: unify?

排队等待空闲连接的逻辑如下：

func (t *Transport) queueForIdleConn(w *wantConn) (delivered bool) {
  //如果配置了空闲超时时间，获取到连接需要检测，超时则关闭连接
  if t.IdleConnTimeout > 0 {
    oldTime = time.Now().Add(-t.IdleConnTimeout)
  }
  
  if list, ok := t.idleConn[w.key]; ok {
    for len(list) > 0 && !stop {
      pconn := list[len(list)-1]
      tooOld := !oldTime.IsZero() && pconn.idleAt.Round(0).Before(oldTime)
      //超时了，关闭连接
      if tooOld {
        go pconn.closeConnIfStillIdle()
      }
      
      //分发连接到wantConn
      delivered = w.tryDeliver(pconn, nil)
    }
  }
  
  //排队等待空闲连接
  q := t.idleConnWait[w.key]
  q.pushBack(w)
  t.idleConnWait[w.key] = q
}

排队等待新建连接的逻辑如下：

func (t *Transport) queueForDial(w *wantConn) {
  //如果没有限制最大连接数，直接建立连接
  if t.MaxConnsPerHost <= 0 {
    go t.dialConnFor(w)
    return
  }
  
  //如果没超过连接数限制，直接建立连接
  if n := t.connsPerHost[w.key]; n < t.MaxConnsPerHost {
    go t.dialConnFor(w)
    return
  }
  
  //排队等待连接建立
  q := t.connsPerHostWait[w.key]
  q.pushBack(w)
  t.connsPerHostWait[w.key] = q
}

连接建立完成后，同样会调用tryDeliver分发连接到wantConn，同时关闭通道w.ready，这样主协程纠接触阻塞了。

func (w *wantConn) tryDeliver(pc *persistConn, err error) bool {
  w.pc = pc
  close(w.ready)
}

请求处理完成后，通过tryPutIdleConn将连接放回连接池；这时候如果存在等待空闲连接的协程，则需要分发复用该连接。另外，在回收连接时，还需要校验空闲连接数目是否超过限制：

func (t *Transport) tryPutIdleConn(pconn *persistConn) error {
  //禁用长连接；或者最大空闲连接数不合法
  if t.DisableKeepAlives || t.MaxIdleConnsPerHost < 0 {
    return errKeepAlivesDisabled
  }
  
  if q, ok := t.idleConnWait[key]; ok {
    //如果等待队列不为空，分发连接
    for q.len() > 0 {
      w := q.popFront()
      if w.tryDeliver(pconn, nil) {
        done = true
        break
      }
    }
  }
  
  //空闲连接数目超过限制，默认为DefaultMaxIdleConnsPerHost=2
  idles := t.idleConn[key]
  if len(idles) >= t.maxIdleConnsPerHost() {
    return errTooManyIdleHost
  }

}

空闲连接超时关闭

Golang HTTP连接池如何实现空闲连接的超时关闭逻辑呢？从上述queueForIdleConn逻辑可以看到，每次在获取到空闲连接时，都会检测是否已经超时，超时则关闭连接。

那如果没有业务请求到达，一直不需要获取连接，空闲连接就不会超时关闭吗？其实在将空闲连接添加到连接池时，Golang同时还设置了定时器，定时器到期后，自然会关闭该连接。

pconn.idleTimer = time.AfterFunc(t.IdleConnTimeout, pconn.closeConnIfStillIdle)

排队队列怎么实现

怎么实现队列模型呢？很简单，可以基于切片：

queue  []*wantConn

//入队
queue = append(queue, w)

//出队
v := queue[0]
queue[0] = nil
queue = queue[1:]

这样有什么问题吗？随着频繁的入队与出队操作，切片queue的底层数组，会有大量空间无法复用而造成浪费。除非该切片执行了扩容操作。

Golang在实现队列时，使用了两个切片head和tail；head切片用于出队操作，tail切片用于入队操作；出队时，如果head切片为空，则交换head与tail。通过这种方式，Golang实现了底层数组空间的复用。

func (q *wantConnQueue) pushBack(w *wantConn) {
  q.tail = append(q.tail, w)
}

func (q *wantConnQueue) popFront() *wantConn {
  if q.headPos >= len(q.head) {
    if len(q.tail) == 0 {
      return nil
    }
    // Pick up tail as new head, clear tail.
    q.head, q.headPos, q.tail = q.tail, 0, q.head[:0]
  }
  w := q.head[q.headPos]
  q.head[q.headPos] = nil
  q.headPos++
  return w
}

到此这篇关于Golang你一定要懂的连接池实现的文章就介绍到这了,更多相关Golang 连接池内容请搜索自学编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自学编程网！

编程技巧