【项目】基于C++11实现的数据库连接池

前置知识

关键技术点

MySQL数据库编程、单例模式、queue队列容器、C++11多线程编程、线程互斥、线程同步通信和unique_lock、基于CAS的原子整形、智能指针shared_ptr、lambda表达式、生产者-消费者线程模型

项目背景

MySQL是一个基于C/S设计的关系型数据库管理系统，一条SQL的执行需要通过mysql client发起一个连接，经过TCP三次握手完成TCP连接，然后再对客户端进行身份验证，验证成功后再把SQL发给mysql server(RDBMS)执行SQL（一般会涉及磁盘IO），然后给客户端返回执行结果，执行结束后，进行四次挥手断开连接

如果想要提高MySQL数据库（基于C/S设计）的访问瓶颈：

• 在服务器端增加缓存服务器，用户缓存常用的数据（例如redis），减少磁盘IO的次数
• 还可以使用连接池，来提高MySQL Server的访问效率

在高并发情况下：大量的TCP三次握手建立MySQL Server连接认证 以及 TCP四次挥手 MySQL Server关闭连接回收资源所耗费的性能时间也是很明显的，使用连接池就是为了减少这一部分的性能损耗

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连接池功能点介绍

该项目是基于C++语言实现的连接池，主要也是实现几个所有连接池都支持的通用基础功能，连接池一般包含了以下内容：

• 数据库连接所用的ip地址
• port端口号
• 用户名和密码，连接哪个库
• 以及连接池的性能参数，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，

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1.初始连接量（$initSize$）：表示连接池会预先和MySQL Server创建$initSize$个连接，当用户发起MySQL访问时，不需要创建新的连接，直接从连接池中获取一个可用的连接就可以，使用完成后，并不去释放该连接，而是把当前连接重新归还到连接池当中

2.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的时候，此时会根据新的请求数量去创建更多的连接给用户去使用，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

3.最大空闲时间（$maxIdleTime$）：当访问MySQL Server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

4.连接超时时间（$connectionTimeout$）：当MySQL Server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，那么此时用户无法从连接池获取连接，它通过"阻塞"的方式获取连接的时间如果超过$connectionTimeout$，那么获取连接失败，无法访问数据库

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MySQL Server参数介绍

show variables like 'max_connections';  #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会直接拒绝访问，所以在使用连接池增加连接数量的时候，MySQL Server的$ma{x}_{c}onnections$参数也要适当的进行调整，以适配连接池的连接上限

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功能设计

文件	功能
$ConnectionPool.cpp $ 和 $ConnectionPool.h$	实现连接池
$Connection.cpp$ 和 $Connection.h$	描述每一条建立的连接：数据库操作代码、增删改查代码实现

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连接池功能点介绍

1.连接池只需要一个实例，所以采用单例模式进行设计

2.服务器一般是多线程，可能多个线程都发起了对这个Mysql Server的操作请求，都需要从队列当中获取连接空闲连接，而$Connection$全部维护在一个连接队列中 => 所以需要保证连接队列的线程安全，需要使用互斥锁保证队列的线程安全

3.如果连接队列为空，还需要再获取连接，此时需要动态创建连接，上限数量是$maxSize$

4.连接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

5.如果连接队列为空，而此时连接的数量已达上限$maxSize$，客户**“阻塞”**等待$connectionTimeout$时间之后还没有获取到空闲的连接，那么获取连接失败

• 此处"阻塞"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
• 假设连接超时时间为100ms => 并不是直接睡眠100ms，而是在这100ms时间内，不断判断是否连接队列当中是否有空闲连接，如果有，那么直接获取队头的连接，否则连接池队列为空，就获取失败

6.用户获取的连接需要用shared_ptr智能指针来管理，需要定制删除器 定制 连接释放的功能（此处并不是真正释放连接，而是把连接归还到连接池中）

7.新连接的生产线程 和 获取连接的线程 采用生产者-消费者线程模型来设计，所以需要使用线程间的同步通信机制来保证 => 条件变量和互斥锁

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具体流程

假设我们的服务器给客户提供服务，客户端发起请求需要数据库操作时，Server需要到连接池管理的队列中获取一个连接，然后连接池给Server返回一个智能指针维护的连接，Server只管使用这条连接，无需关心这条连接的释放，然后使用这条连接去访问MySQL Server

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开发平台选型

有关MySQL数据库编程、多线程编程、线程互斥和同步通信操作、智能指针、设计模式、容器等等这些技术在C++语言层面都可以直接实现，因此该项目选择直接在windows平台上进行开发

当然，因为采用的都是语言级别的接口，没有强依赖系统的接口，所以跨平台性比较好：放在Linux平台下用g++也可以直接编译运行，但是需要解决一些库的依赖问题

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关于MySQL数据库编程

MySQL的windows安装文件云盘地址如下（下载development开发版：包含mysql头文件和libmysql库文件）：
链接：https://pan.baidu.com/s/1Y1l7qvpdR2clW5OCdOTwrQ			提取码：95de

MySQL数据库编程直接采用oracle公司提供的MySQL C/C++客户端开发包，在VS上需要进行相应的头文件和库文件的配置，如下

• 1.右键项目 - C/C++ - 常规 - 附加包含目录，填写下载好的mysql.h头文件在当前电脑的路径
• 2.右键项目 - 链接器 - 常规 - 附加库目录，填写libmysql.lib的路径
• 3.右键项目 - 链接器 - 输入 - 附加依赖项，填写libmysql.lib库的名字
• 4.把$libmysql.dll$动态链接库（Linux下后缀名是.so库）放在工程目录下

坑点：如果MySQL装的是64位版本的，所以动态库什么的都是64位生成的，所以项目先选成64位的

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MySQL接口介绍

初始化:mysql_init()，

要使用库，必须先进行初始化 由此也可以看出MySQL其实是网络服务，句柄就是文件描述符

MYSQL *my = mysql_init(nullptr);

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链接数据库mysql_real_connect() :

初始化完毕之后，必须先链接数据库，再进行后续操作，因为mysql网络部分是基于TCP/IP的

MYSQL *mysql_real_connect(MYSQL *mysql， const char *host，