基于C++11的数据库连接池

数据库连接池概述

我们在进行数据库操作的时候为了提高数据库(关系型数据库)的访问瓶颈,除了在服务器端增加缓存服务器(例如redis)缓存常用的数据之外,还可以增加连接池,来提高数据库服务器的访问效率。

一般来说,对于数据库操作都是在访问数据库的时候创建连接,访问完毕断开连接。但是如果在高并发情况下,有些需要频繁处理的操作就会消耗很多的资源和时间,比如:

  1. 建立通信连接的TCP三次握手
  2. 数据库服务器的连接认证
  3. 数据库服务器关闭连接时的资源回收
  4. 断开通信连接的TCP四次挥手

如果使用数据库连接池会减少这一部分的性能损耗。

接下来会基于MySql数据库(使用MySQL的API连接MySQL数据库)为大家讲解一下,如何使用C++11的相关新特性来实现一个数据库连接池。

涉及的技术点

  • C++11 新特性

    1. 多线程编程
    2. 线程同步(互斥锁的使用)
    3. 处理时间和日期的 chrono 库
    4. 条件变量
    5. 智能指针
    6. lambda 表达式
    7. 使用 =delete 删除函数
  • 其它知识点

    1. MySQL 数据库编程,主要是官方 API 的封装和使用

      MySQL API 详解
    2. 单例模式

    3. STL容器

    4. 生产者和消费者模型

    5. Jsoncpp库的使用(解析配置文件中的数据库相关信息)

连接池的设计

要设计一个数据库连接池,我们需要实现以下几个功能点:

  1. 连接池只需要一个实例,所以连接池类应该是一个单例模式的类
  2. 所有的数据库连接应该维护到一个安全的队列中
    • 使用队列的目的是方便连接的添加和删除
    • 所谓的安全指的是线程安全,也就是说需要使用互斥锁来保护队列数据的读写。
  3. 在需要的时候可以从连接池中得到一个或多个可用的数据库连接
    • 如果有可用连接,直接取出
    • 如果没有可用连接,阻塞等待一定时长然后再重试
  4. 如果队列中没有多余的可用连接,需要动态的创建新连接
  5. 如果队列中空闲的连接太多,需要动态的销毁一部分
  6. 数据库操作完毕,需要将连接归还到连接池中

细节分析

  1. 数据库连接的存储:可用使用STL中的队列queue
  2. 连接池连接的动态创建:这部分工作需要交给一个单独的线程来处理
  3. 连接池连接的动态销毁:这部分工作需要交给一个单独的线程来处理
  4. 数据库连接的添加和归还:这是一个典型的生产者和消费者模型
    • 消费者:需要访问数据库的线程,数据库连接被取出(消费)
    • 生产者:专门负责创建数据库连接的线程
    • 处理生产者和消费者模型需要使用条件变量阻塞线程
  5. 连接池的默认连接数量:连接池中提供的可用连接的最小数量
    • 如果不够就动态创建
    • 如果太多就动态销毁
  6. 连接池的最大连接数量:能够创建的最大有效数据库连接上限
  7. 最大空闲时间:创建出的数据库连接在指定时间长度内一直未被使用,此时就需要销毁该连接。
  8. 连接超时:消费者线程无法获取到可用连接是,阻塞等待的时间长度

综上所述,数据库连接池对应的单例模式的类的设计如下:

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using namespace std;
/*
* 数据库连接池: 单例模式
* MySqlConn 是一个连接MySQL数据库的类
*/
class ConnectionPool
{
public:
// 得到单例对象
static ConnectionPool* getConnectPool();
// 从连接池中取出一个连接
shared_ptr<MySqlConn> getConnection();
// 删除拷贝构造和拷贝赋值运算符重载函数
ConnectionPool(const ConnectionPool& obj) = delete;
ConnectionPool& operator=(const ConnectionPool& obj) = delete;

private:
// 构造函数私有化
ConnectionPool();
bool parseJsonFile();
void produceConnection();
void recycleConnection();
void addConnection();

string m_ip; // 数据库服务器ip地址
string m_user; // 数据库服务器用户名
string m_dbName; // 数据库服务器的数据库名
string m_passwd; // 数据库服务器密码
unsigned short m_port; // 数据库服务器绑定的端口
int m_minSize; // 连接池维护的最小连接数
int m_maxSize; // 连接池维护的最大连接数
int m_maxIdleTime; // 连接池中连接的最大空闲时长
int m_timeout; // 连接池获取连接的超时时长

queue<MySqlConn*> m_connectionQ;
mutex m_mutexQ;
condition_variable m_cond;
};

MySQL环境和代码下载

Windows下载和安装MySql

下载并安装MySQL

如果是8.0版本的MySQL在连接数据的时候需要加密,因此需要额外提供对应的动态库,下载方式如下:

下载8.0版本的MySQL链接库

VS配置MySQL环境

打开项目的属性窗口,在属性页配置MySQL头文件目录MySQL的库目录

这是我本地安装MySQL之后的目录结构:

在VS项目的属性页窗口指定要加载的动态库对应的导入库(xxx.lib)

我们在调用MySQL API的使用需要加载的动态库为libmysql.dll,它对应的导入库为libmysql.lib,在该窗口的附加依赖项位置指定的就是这个导入库的名字。

编译编写好的项目之后,在对应的项目目录中会生成一个可执行程序,打开这个目录,将上面步骤中下载的用于MySQL数据库加密的动态库拷贝到该目录中,这样程序就可以正常执行了,否则会提示无法加载某个动态库。


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