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"htmlcode">
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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