如何实现一个连接池？一文带你深入浅出，彻底搞懂！

-     前言     -

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今天我们通过【2w1h】方式来讨论“连接池”：什么是连接池(what)？为什么需要连接池(why)？怎样做一个连接池(how)？

-      什么是连接池？     -

深入思考连接池的本质，但不要思考的过于复杂！

“池”是一种非常形象化的描述，它是一种容器，做储存之用；在编程中我们往往使用数组、链表、队列、map来表达。

“连接”是网络中用于传输数据的通道；“连接”才是我们要真正去使用的对象，而“池”是用来管理“多个连接”的一种方式。

如果没有用“池”来统一管理“连接”，“连接”将散布在程序各处；那为了使用方便，我们往往会在使用时建立连接，使用完毕后，就关闭连接。所以“连接池”给我们提供了使用“连接”的方便。

同时，池是做储存之用的，所以“连接池”中的“连接”肯定是已经建立好的长连接，比如tcp连接、websocket连接等，即取即用，用完放回。如果没有真正理解“连接池”的本质，在面试中可能会出现“http连接池”的笑话！

根据下游类型，我们常见有数据库连接池、缓存连接池、服务连接池，如下图所示：

图一 数据库连接池

图二 缓存连接池

 

图三 服务连接池

在编程中，我们还经常会碰到进程池、线程池、协程池、内存池、对象池等。

-      为什么需要连接池？     -

除了连接池能非常方便的对连接进行管理外，一句话，在高吞吐时连接池大大提高了数据传输的效率。

从两个方面说：

1、避免反复的三次握手和四次握手

长连接的建立需要进行三次握手，而连接的释放需要进行四次握手，这是发生在系统层面的两个动作，对于单条连接来说耗时微乎其微，但在高吞吐场景时，耗时则不能忽略。

所以连接池的即取即用和用完放回的特性，避免了大量三次握手和四次握手的无效耗时，节省了系统资源。

2、 增加并行车道，实现全双工并行

数据通信包括单工、半双工和全双工。单工通信如下图，数据只能从A到B，不符合访问下游服务的场景。

图四 单工通信

半双工通信如下图，数据可以从A到B，也可从B到A，但是同一时刻只能一个方向上进行数据传输，通道利用率是50%。

 

图五 半双工通信

全双工通信如下图，可同时存在从A到B和从B到A的数据传输，通道的利用率是100%。长连接就是全双工通信。

 

图六 全双工通信

在IO密集型的互联网应用中，一条全双工通信通道仍然无法满足数据吞吐的需求时，该如何解决？

在互联网性能测试指标中有这样一个公式：

QPS(吞吐量) = 并发数 / 平均响应时间

在平均响应时间不变的情况下，适度增加并发数可以提升吞吐量；所以采用多条全双工通信的方式可以在一定程度上(平均响应时间没有大幅增加)提高吞吐量，而连接池则就最好的实现方式。

总结一下：为什么需要连接池？

(1)方便管理连接；

(2)避免反复三次握手和四次握手；

(3)更好地实现全双工并行。

-      怎样做一个连接池？     -

实现一个连接池，最关键的是均衡和保活，如下图所示：

图七 连接池实现原理

该连接池的“池”通过队列数据结构进行实现，队列先进先出的特性保证了使用连接的均衡性，每一条连接都可以均匀的被使用到。

连接池对外提供get()和free()两个API，get()用于从队首“出队”获取一条可用连接，free()用于将使用完的连接从对尾“入队”释放到队列中。

业务代码在低峰时会降低get()动作，所以连接池中的连接在长时间不用时会导致失效，此时保活线程在监测到get()的使用频率较低时，会模拟业务程序调用get()获取连接后发送心跳包，然后再通过free()将被保活的连接放回队列中，达到连接池中所有连接保活的目的。

 

在充分理解上述内容后，可以了解高级连接池的扩展知识！

-      高级连接池     -

高级连接池通常应用在微服务系统中，如下图：连接池连接下游多个节点。

图八 高级连接池

高级连接池具备这样几个特性：

1、 高可用：下游任意一个server 宕机时，连接池会关闭相关无效连接，防止被client访问；

2、 高可扩展：下游增加一个server节点时，连接池会发现并建立到新server节点的连接，供client访问；

3、 负载均衡：连接池会根据下游server的服务能力的高低分配数据请求；

4、 中间件：当下游server是类MySQL数据库并分片时，连接池会将请求打在相应的数据节点上，并对数据进行聚合。

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