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
}

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