数据库连接池实现

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前置知识:
相关的环境配置: https://xingzhu.top/archives/shu-ju-ku-lian-jie-chi-huan-jing-pei-zhi
MySQL API: https://subingwen.cn/mysql/mysql-api/
Jsoncpp API: https://xingzhu.top/archives/jsoncpp
C++多线程: https://xingzhu.top/archives/duo-xian-cheng-xian-cheng-chi

概述

数据库连接池的作用是管理和复用数据库连接，以提高应用程序的性能和资源利用率
通过预先创建一定数量的连接并将它们存储在池中，应用程序可以快速获取连接，而无需每次都进行昂贵的连接创建和销毁过程
这不仅减少了延迟，还能有效控制数据库连接的数量，防止资源耗尽，从而提升整体系统的稳定性和响应速度

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具体实现

连接池只需要一个实例，所以连接池类应该是一个单例模式的类

ConnectionPool *ConnectionPool::getConnectPool()
{
    // 创建静态布局变量，访问范围就只有这个函数作用域，但是生命周期是到程序结束
    // 第一次调用，会在创建内存地址，但是第二次就直接使用这个地址了，不会再次创建，就返回之前创建的实例了
    // 这里使用的是单例模式中的懒汉模式，调用时创建
    static ConnectionPool pool;
    return &pool;
}

所有的数据库连接应该维护到一个队列中，使用队列的目的是方便连接的添加和删除
由于队列是连接池共享资源，需要使用互斥锁来保护队列数据的读写
由于数据库有连接上限，过多会压力过大，导致性能降低，所以需要设置一个最大连接上限；为了应对突然的高并发操作，需要设置一个最小连接数，这个最小连接数是维护队列的最小数量，保证有这么多连接供使用
客户端在满足条件的情况下，从连接池取连接，然后从进行使用，使用完毕后，归还这个连接，让这个连接重新加入队列中，不是销毁掉
因此队列存储的是一个数据库连接的对象，即 MYSQL* ，为了便于使用，先封装一个 MYSQL 类，用于连接

封装数据库头文件

#pragma once
#include <iostream>
#include <mysql.h>
#include <chrono>
using namespace std;
using namespace chrono;
class MysqlConn
{
public:
    // 初始化数据库连接
    MysqlConn();

    // 释放数据库连接
    ~MysqlConn();

    // 连接数据库
    bool connect(string user, string passwd, string dbName, string ip, unsigned short port = 3306);

    // 更新数据库: insert, update, delete
    bool update(string sql);

    // 查询数据库 select 语句
    bool query(string sql);

    // 遍历查询得到的结果集
    bool next();

    // 得到结果集中的字段值
    string value(int index);

    // 事务操作
    bool transaction();

    // 提交事务
    bool commit();

    // 事务回滚
    bool rollback();

    // 刷新起始的空闲时间点
    void refreshAliveTime();

    // 计算连接存活的总时长
    long long getAliveTime();

private:
    void freeResult();                    // 释放结果集内存
    MYSQL *m_conn = nullptr;              // 数据库对象
    MYSQL_RES *m_result = nullptr;        // select 查询后的结果集
    MYSQL_ROW m_row = nullptr;            // 用于遍历结果集，保存一行数据
    steady_clock::time_point m_alivetime; // 创建绝对时钟
};

连接池头文件

#pragma once
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>
#include "MysqlConn.h"
#include <atomic>
using namespace std;

class ConnectionPool
{
public:
    // 设置静态方法，因为不能创建对象，所以设置为静态方法，通过类名获取这个数据库连接池实例
    static ConnectionPool *getConnectPool();

    // 删除拷贝构造函数和 "=" 操作符重载，因为要保证只有一个连接池实例
    ConnectionPool(const ConnectionPool &obj) = delete;
    ConnectionPool &operator=(const ConnectionPool &obj) = delete;

    // 外部调用这个，取出一个数据库连接
    shared_ptr<MysqlConn> getConnection();
    ~ConnectionPool();

private:
    // 构造函数私有化，不允许外部创建，因为保持一个对象，单例模式
    ConnectionPool();

    // 解析 json数据
    bool parseJsonFile();

    // 创建新的连接的线程处理动作函数
    void produceConnection();

    // 销毁连接线程的线程处理动作函数
    void recycleConnection();

    // 增加连接
    void addConnection();

    string m_ip;            // 数据发服务器的 IP地址
    string m_user;          // 数据库服务器用户名
    string m_passwd;        // 对应的密码
    string m_dbName;        // 数据库服务器上对应的数据库名
    unsigned short m_port;  // 数据库服务器端口号
    int m_minSize;          // 连接数量的最小值，这个是维护队列的最小值，保证突然的大量连接请求
    int m_maxSize;          // 连接数量的最大值，这个是队列数量 + m_busySize，表示最多只支持的连接数，包括了正在使用的
    atomic<int> m_busySize; // 正在忙的连接数，这个是共享资源，设置为原子变量
    int m_timeout;          // 超时时长，当连接数用完后等待的阻塞时长
    int m_maxIdleTime;      // 最大空闲时长，决定是否断开这个数据库连接

    // 连接池队列，存储的时是若干个数据库连接
    queue<MysqlConn *> m_connectionQ;
    mutex m_mutexQ;            // 连接池队列的互斥锁
    condition_variable m_cond; // 条件变量
};

构造函数

首先解析 json 格式数据，设置端口号和 IP
然后以最小连接数添加连接到队列
创建两个线程进行管理添加连接和销毁连接的实现

添加连接

这个使用一个线程单独维护，一直运行，除非连接池发送一个关闭信号
持续判断能否添加连接

// 创建新的连接
void ConnectionPool::produceConnection()
{
    while (true)
    {
        if (isShutdown)
            return;

        // 最小连接数，保证队列里有最小连接数，即使不使用，应对突然的高数量访问
        unique_lock<mutex> locker(m_mutexQ);
        while (m_connectionQ.size() >= m_minSize || m_connectionQ.size() + m_busySize >= m_maxSize)
        {
            m_cond.wait(locker);

            // 这个非常重要，如果是因为连接池关闭唤醒，直接退出
            if (isShutdown)
                return;
        }

        addConnection();     // 将连接加入队列 (封装的函数)
        m_cond.notify_all(); // 唤醒阻塞在队列为空的线程
    }
}

如果队列的数量比最小连接数大，就不需要添加连接
如果队列的连接数量 + 忙的连接 (正在被使用的) 超过了连接上限，就不需要往队列里生产连接了，即使此时队列的数量比最小连接数小，仍不能添加连接，因为添加连接后，客户端就能取，如果都取了，就超过连接上限了，因此维护的是队列连接数 + 忙的连接数要小于最大连接上限
也就是只有队列的数量比最小连接数小，并且此时队列的连接数量 + 忙的连接 (正在被使用的) 小于连接上限，才添加连接到队列

销毁连接

也是使用一个线程隔一段时间就进行检测，销毁的连接是队列中的空闲连接
因此取头部连接，计算它的存活时间，如果大于我们设定的值，就销毁这个连接，弹出队列，销毁它是因为它一直没被使用，属于空闲连接，只需一直销毁到保持有最小连接数即可
注意销毁弹出之前，需要满足队列的数量大于最小连接数，如果小于，就不进行这个操作

// 销毁连接
// 销毁的空闲连接，满足超过一定时长还是空闲就销毁
void ConnectionPool::recycleConnection()
{
    while (true)
    {
        if (isShutdown)
            return;

        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
        unique_lock<mutex> locker(m_mutexQ);
        while (m_connectionQ.size() > m_minSize)
        {
            MysqlConn *conn = m_connectionQ.front();

            // 存活的时间
            if (conn->getAliveTime() >= m_maxIdleTime)
            {
                m_connectionQ.pop();
                delete conn;
            }
            else
                break; 
        }
    }
}

取连接

首先需要检测这个队列是否为空，和现在忙的 (即正在使用的连接) 数量是否大于了连接上限，如果满足这二者之中的任何一个，都对其进行阻塞等待，不取连接
这个阻塞设置一个超时时间，如果满足上述二者只中一个，就阻塞，达到阻塞时长后，这个阻塞会解除，自己进行选择是退出还是继续进行阻塞
取连接后，由于这个连接不使用需要回收，重新加入队列中，因此需要保存这个连接，这个是一个指针，因此考虑共享智能指针维护，更安全
并且这个共享智能指针还有个功能，可以指定删除器函数，也就是这个指针生命周期结束后的指针处理，默认是清除智能指针指向的地址，由于这里不是进行销毁，我们需要重新加入队列，因此重定义删除器函数，使之为这个指针 (这个数据库连接)重新加入队列

// 外部调用这个，取出一个数据库连接
shared_ptr<MysqlConn> ConnectionPool::getConnection()
{
    // 这个能判断四种情况
    // 1. 如果没达到最大连接数请求，但是队列为空，阻塞
    // 2. 如果没达到最大连接数请求，但是队列不为空，不阻塞
    // 3. 如果达到最大连接数请求，但是队列不为空，阻塞
    // 4. 如果达到最大连接s数请求，但是队列为空，阻塞
    // 只要没达到最大连接数以及队列不为空，才能取连接，否则阻塞
    // 设置的超时检测，超过时长没被唤醒，则继续执行 while 判断是否继续阻塞
    unique_lock<mutex> locker(m_mutexQ);
    while (m_connectionQ.empty() || (m_busySize >= m_maxSize))
    {
        // 阻塞指定的时间长度，时间到了就解除阻塞
        if (cv_status::timeout == m_cond.wait_for(locker, chrono::milliseconds(m_timeout)))
        {
            // 进入这个 if 说明阻塞 m_timeout 这个时长，还是没有被唤醒
            if (m_connectionQ.empty() || (m_busySize >= m_maxSize))
            {
                // 两种方式，continue继续阻塞，或者 return退出
                // return nullptr;
                continue;
            }
        }
    }

    // 使用共享的智能指针，回收当前连接用完后，重新 Push进队列中，自动回收
    // 由于这个共享智能指针默认删除器处理动作是：回收这个智能指针指向的内存地址
    // 但是我们不是要回收，我们是要重新加入队列，因此重新指定删除器函数
    // 也就是第二个参数，这里使用 lambda方式实现
    shared_ptr<MysqlConn> connptr(
        m_connectionQ.front(),
        [this](MysqlConn *conn)
        {
            unique_lock<mutex> locker(m_mutexQ);

            // 更新加入队列的时间
            conn->refreshAliveTime();
            m_connectionQ.push(conn);

            m_busySize--;
            m_cond.notify_all(); // 唤醒因最大连接数阻塞的线程
        });

    m_connectionQ.pop();

    m_busySize++;

    // 本意是唤醒生产者线程，也就是唤醒创建新连接的线程
    // 虽然会唤醒取连接的线程，但是不影响，它仍会继续阻塞
    m_cond.notify_all();
    return connptr;
}

解析 Json

为了不写死这个数据库连接的 IP 和端口号，这里使用 json 格式读取进去赋值

// 解析 json数据
bool ConnectionPool::parseJsonFile()
{
    ifstream ifs("dbconf.json");
    Reader rd;
    Value root;
    rd.parse(ifs, root);
    if (root.isObject())
    {
        m_ip = root["ip"].asString();
        m_port = root["port"].asInt();
        m_user = root["userName"].asString();
        m_passwd = root["password"].asString();
        m_dbName = root["dbName"].asString();
        m_minSize = root["minSize"].asInt();
        m_maxSize = root["maxSize"].asInt();
        m_maxIdleTime = root["maxIdleTime"].asInt();
        m_timeout = root["timeout"].asInt();
        m_busySize = 0;
        return true;
    }
    return false;
}

说明: 参考学习 https://www.bilibili.com/video/BV1Fr4y1s7w4/?spm_id_from=333.999.0.0

posted @ 2024-09-29 18:00 星竹z 阅读(15) 评论(0) 编辑收藏举报

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添加连接

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