自写数据库连接池，基于C++11、MySQL、智能指针、多线程、生产者-消费者模式.zip

# 基于C++11和Linux环境的自写数据库连接池 ## 关键技术要点 - MySQL数据库编程 - 设计模式中的单例模式 - STL中的queue队列容器 - C++11多线程编程 - C++11线程互斥、线程同步通信和unique_lock - 基于CAS的原子整形 - C++11中的智能指针shared_ptr、lambda表达式 - 生产者-消费者线程模型 ## 项目背景 为提高MySQL数据库（C/S架构设计）的访问瓶颈，除在服务器层面增加缓存服务器（如Redis）缓存常用的数据之外，还可以增加连接池，来提高MySQL Server的访问效率。 在高并发情况下，大量的TCP三次握手、MySQL连接认证、MySQL Server关闭连接回收资源和TCP四次挥手所耗费的性能时间是很大的，增加连接池可以减少这一部分的性能损耗。 本项目使用C++11技术栈，实现了Linux环境下的数据库连接池。 ## 数据库连接池简介 数据库连接池一般包含了数据库连接所使用的`IP地址、Port端口号、用户名和密码以及其它的性能参数`，例如初始连接量，最大连接量，最大空闲时间，连接超时时间等，该项目基于C++实现，实现了大部分数据库连接池都具有的通用基础功能。 - `初始连接量（initSize）`：表示连接池事先会和MySQL Server创建 `initSize`个数的connection连接，当应用发起MySQL访问时，不用再创建和MySQL Server新的连接，直接从连接池中获取一个可用的连接就可以，使用完成后，并不去释放connection，而是把当前connection归还到连接池中，这样就减少了四次挥手和关闭连接回收资源的消耗 - `最大连接量（maxSize）`：当并发访问MySQL Server的请求增多时，初始连接量已经不够使用了，此 时会根据新的请求数量去创建更多的连接给应用去使用，但是新创建的连接数量上限是maxSize，不能 无限制的创建连接，因为每一个连接都会占用一个socket资源，一般连接池和服务器程序是部署在一台 主机上的，如果连接池占用过多的socket资源，那么服务器就不能接收太多的客户端请求了。当这些连 接使用完成后，再次归还到连接池当中来维护。 - `最大空闲时间（maxIdleTime）`：当访问MySQL的并发请求多了以后，连接池里面的连接数量会动态 增加，上限是maxSize个，当这些连接用完再次归还到连接池当中。如果在指定的maxIdleTime里面， 这些新增加的连接都没有被再次使用过，那么新增加的这些连接资源就要被回收掉，只需要保持初始连 接量initSize个连接就可以了。 - `连接超时时间（connectionTimeout）`：当MySQL的并发请求量过大，连接池中的连接数量已经到达 maxSize了，而此时没有空闲的连接可供使用，那么此时应用从连接池获取连接无法成功，它通过阻塞 的方式获取连接的时间如果超过connectionTimeout时间，那么获取连接失败，无法访问数据库。 ## MySQL Server参数 ```sql mysql>show variables like 'max_connectons'; ``` 该命令可以查看MySQL Server所支持的最大连接个数，超过max_connections数量的连接，MySQL Server会直接拒绝，所以在使用连接池增加连接数量的时候，MySQL Server的max_connections参数 也要适当的进行调整，以适配连接池的连接上限。 ## 功能实现设计 - ConnectionPool.cpp和ConnectionPool.h：连接池代码实现 - Connection.cpp和Connection.h：数据库操作代码、增删改查代码实现 数据库连接池主要包含了以下功能点： 1. 连接池只需要一个实例，所以ConnectionPool以单例模式进行设计 2. 从ConnectionPool中可以获取和MySQL的连接Connection 3. 空闲连接Connection全部维护在一个线程安全的Connection队列中，使用线程互斥锁保证队列的线 程安全 4. 如果Connection队列为空，还需要再获取连接，此时需要动态创建连接，上限数量是maxSize 5. 队列中空闲连接时间超过maxIdleTime的就要被释放掉，只保留初始的initSize个连接就可以了，这个 功能点肯定需要放在独立的线程中去做 6. 如果Connection队列为空，而此时连接的数量已达上限maxSize，那么等待connectionTimeout时间 如果还获取不到空闲的连接，那么获取连接失败，此处从Connection队列获取空闲连接，可以使用带 超时时间的mutex互斥锁来实现连接超时时间 7. 用户获取的连接用shared_ptr智能指针来管理，用lambda表达式定制连接释放的功能（不真正释放 连接，而是把连接归还到连接池中） 8. 连接的生产和连接的消费采用生产者-消费者线程模型来设计，使用了线程间的同步通信机制条件变量 和互斥锁 ## 生产者-消费者模型实践 ```C++ // 连接池的构造 ConnectionPool::ConnectionPool() { // 是否已经加载配置项 if (!loadConfigFile()) { return; } // 创建初始数量的连接 for (int i = 0; i < _initSize; ++i) { Connection *p = new Connection(); p->connect(_ip, _port, _username, _password, _dbname); p->refreshAliveTime(); // 刷新一下开始空闲的起始时间 _connectionQue.push(p); _connectionCnt++; } // 启动一个新的线程，作为数据库连接的生产者 linux thread => pthread_create thread produce(std::bind(&ConnectionPool::produceConnectionTask, this)); produce.detach(); // 启动一个新的定时线程，扫描超过maxIdleTime时间的空闲连接，进行对应的连接回收 thread scanner(std::bind(&ConnectionPool::scannerConnectionTask, this)); scanner.detach(); } ``` ### 生产者线程 ```C++ // 运行在独立的线程中，专门负责生产新连接 void ConnectionPool::produceConnectionTask() { for (;;) { unique_lock<mutex> lock(_queueMutex); // Lock while (!_connectionQue.empty()) { cv.wait(lock); // 队列不空，此时生产线程进入等待状态 } // 连接数量没有到达上限，继续创建新的连接 if (_connectionCnt < _maxSize) { Connection *p = new Connection(); p->connect(_ip, _port, _username, _password, _dbname); // 一条新的连接 p->refreshAliveTime(); // 刷新开始空闲的起始时间 _connectionQue.push(p); _connectionCnt++; } // 通知消费者线程，可以进行消费了 cv.notify_all(); // notify_all } } ``` ### 消费者线程 ```C++ // 运行在独立的线程中，专门负责扫描超时的空闲连接 void ConnectionPool::scannerConnectionTask() { for (;;) { // 通过sleep来模拟定时效果 this_thread::sleep_for(chrono::seconds(_maxIdleTime)); // 扫描整个队列，释放多余的连接 unique_lock<mutex> lock(_queueMutex); while (_connectionCnt > _initSize) { Connection *p = _connectionQue.front(); if (p->getAliveTime() >= {_maxIdleTime * 1000}) { _connectionQue.pop(); _connectionCnt--; delete p; // 调用~Connection()释放连接 } else { break; // 队头的连接没有超过_maxIdleTime，其他连接肯定也没有 } } } } ``` ### 获取连接 ```C++ shared_ptr<Connection> ConnectionPool::getConnecction() { unique_lock<mutex> lock(_queueMutex); while (_connectionQue.empty()) { // sleep if (cv_status::timeout == cv.wait_for(lock, chrono::milliseconds(_connectionTimeout)))