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GolangHTTP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：
typeTransportstruct{
//操作空闲连接需要获取锁
idleMusync.Mutex
//空闲连接池，key为协议目标地址等组合
idleConnmap[connectMethodKey][]*persistConn//mostrecentlyusedatend
//等待空闲连接的队列，基于切片实现，队列大小无限制
idleConnWaitmap[connectMethodKey]wantConnQueue//waitinggetConns
//排队等待建立连接需要获取锁
connsPerHostMusync.Mutex
//每个host建立的连接数
connsPerHostmap[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
connsPerHostWaitmap[connectMethodKey]wantConnQueue//waitinggetConns
//最大空闲连接数
MaxIdleConnsint
//每个目标host最大空闲连接数；默认为2（注意默认值）
MaxIdleConnsPerHostint
//每个host可建立的最大连接数
MaxConnsPerHostint
//连接多少时间没有使用则被关闭
IdleConnTimeouttime.Duration
//禁用长连接，使用短连接
DisableKeepAlivesbool
}
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,cmconnectMethod)(pc*persistConn,errerror){}
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
ifdelivered:=t.queueForIdleConn(w);delivered{
returnpc,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:
returnw.pc,w.err
//超时被取消
case<-req.Cancel:
returnnil,errRequestCanceledConn
……
}
varerrRequestCanceledConn=errors.New("net/http:requestcanceledwhilewaitingforconnection")//TODO:unify?
排队等待空闲连接的逻辑如下：
func(t*Transport)queueForIdleConn(w*wantConn)(deliveredbool){
//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
ift.IdleConnTimeout>0{
oldTime=time.Now().Add(-t.IdleConnTimeout)
}
iflist,ok:=t.idleConn[w.key];ok{
forlen(list)>0&&!stop{
pconn:=list[len(list)-1]
tooOld:=!oldTime.IsZero()&&pconn.idleAt.Round(0).Before(oldTime)
//超时了，关闭连接
iftooOld{
gopconn.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
ift.MaxConnsPerHost<=0{
got.dialConnFor(w)
return
}
//如果没超过连接数限制，直接建立连接
ifn:=t.connsPerHost[w.key];n
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,errerror)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
ift.DisableKeepAlives||t.MaxIdleConnsPerHost<0{
returnerrKeepAlivesDisabled
}
ifq,ok:=t.idleConnWait[key];ok{
//如果等待队列不为空，分发连接
forq.len()>0{
w:=q.popFront()
ifw.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]
iflen(idles)>=t.maxIdleConnsPerHost(){
returnerrTooManyIdleHost
}
}
空闲连接超时关闭
GolangHTTP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{
ifq.headPos>=len(q.head){
iflen(q.tail)==0{
returnnil
}
//Pickuptailasnewhead,cleartail.
q.head,q.headPos,q.tail=q.tail,0,q.head[:0]
}
w:=q.head[q.headPos]
q.head[q.headPos]=nil
q.headPos++
returnw
}
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