C++ Webserver从零开始：代码书写（十一）——封装数据库连接池

前言

Hello大家好，今晚睡不着，起来写博客了。其实我发现上一篇文章也就是

C++ Webserver从零开始：代码书写（十）——完成Locker类和Log类封装-CSDN博客

的可读性不是很好，这主要原因是因为我写博客主要使用的工具是语雀。而在语雀上编辑完后，复制到csdn上会少很多结构和UI上的东西。比如高亮块，给每个高亮块的颜色区分，代码块命名等。但每次我写完博客后往往处于十分疲惫的阶段，也就直接发上来发布就不管了。现在看起来非常影响可读性，但是我现在实在没有多余的精力去重新排版和规划。我尽量在整个专栏完成之后来一次大的风格统一和整理吧。

数据库连接池

这一节我们来写数据库的连接池，在动手之前我们先看看什么是池；

池是什么

在程序设计思想中，"池"（Pool）通常指的是一种资源管理的模式，其中资源被集中管理并通过预先分配而不是按需创建。这种模式可以用于多种类型的资源，比如：

• 内存池
• 线程池
• 数据库连接池

那么，我们为什么要使用池呢？我们以数据库连接池举例，来说明一下池的优点和好处。

首先，我们先来看看数据库访问的一般流程：

1. 当系统需要访问数据库时，先系统创建数据库连接
2. 接着完成数据库操作
3. 最后断开数据库连接

这非常好理解，就仿佛把大象放入冰箱需要几步一样。但是，从这个流程中我们可以看出，除了第二步，第一步和第三步都是重复且耗时的无意义工作；而且当系统需要频繁地访问数据库时，就会频繁创建和断开数据库连接，这种行为不但耗时，甚至容易对数据库造成安全隐患。因此，我们使用“池”来解决这一问题。

在程序初始化时，我们就立刻创建多个数据连接，把它们集中管理。当程序需要使用时，就从“池”中取出使用，用完再放回池中，这样就避免了频繁的数据库连接和断开操作，而且更加地安全可靠。

池怎么设计

通过上面地介绍，我们发现，其实池是一个装着资源地容器。如果池里装的是进程就是进程池，如果是线程就是线程池，而如果是数据库连接，那就是数据库连接池。具体实现池的方法有许多，比如：数组，链表，队列等。

本节我们使用单例模式和链表来实现数据库连接池，同时利用RAII机制来释放数据连接；

单例模式代码

老朋友了，在上一章Log日志系统的设计中我们就使用了单例模式，这里不再赘述。

我们上来就是个私有构造，再用公有静态方法获得唯一实例，里面用上局部静态变量保证了线程安全，很快啊，单例模式就写好了；

class connection_pool{
public:
    static connection_pool* Getinstance() {
        static connection_pool connPool;
        return &connPool;
    }

private:
    connection_pool();
    ~connection_pool();
};

再把构造函数和析构函数补充完整，里面初始化的成员不要着急，后面会写；

connection_pool::connection_pool() {
    m_FreeConn = 0;
    m_CurConn = 0;
}
connection_pool::~connection_pool() {
    DestroyPool();
}

数据库连接池初始化

数据库的资源我们使用信号量进行同步，所以，将信号量初始化为数据库的连接总数；

初始化的代码十分简单，只有两个不常见的API需要了解

mysql_init

mysql_real_connection

同时，细心同学可以观察一下这里的进行了我们第一次的Log日志使用，根据之前设计的Log日志系统，体会其运行的逻辑。

public:
/*初始化数据库连接池*/
    void init(string url, string User, string PassWord, string DBName, int MaxConn, int Port, int close_log);
private:
    int m_MaxConn;//最大连接数
    int m_FreeConn;//可用连接数
    int m_CurConn;//已用连接数
    list<MYSQL *> connList;//连接池

    locker m_lock;
    sem reserve;//信号量记录可用资源
public:
    string m_url;//主机地址
    string m_Port;//数据库端口号
    string m_User;//数据库用户名
    string m_PassWord;//数据库密码
    string m_DatabaseName;//数据库名
    int m_close_log;//是否开启日志

void connection_pool::init(string url, string User, string PassWord, string DBName, int MaxConn, int Port, int close_log) {
    m_url = url;
    m_Port = Port;
    m_User = User;
    m_PassWord = PassWord;
    m_DatabaseName = DBName;
    m_close_log = close_log;

    for (int i = 0; i < MaxConn; ++i) {
        MYSQL *con = NULL;
        con = mysql_init(con);

        if (con == nullptr) {
            LOG_ERROR("MySQL Error : mysql_init");
            exit(1);
        }

        /*真正的连接函数*/
        con = mysql_real_connect(con, url.c_str(), User.c_str(), PassWord.c_str(), DBName.c_str(), Port, NULL, 0);

        if (con == nullptr) {
            LOG_ERROR("MySQL Error : mysql_real_connect");
            exit(1);
        }

        connList.push_back(con);
        m_FreeConn++;
    }

    reserve = sem(m_FreeConn);//信号量记录共享资源总量

    m_MaxConn = m_FreeConn;
}

数据库访问函数

按照我们的冰箱关大象流程思想，就可以得到数据库访问的函数了，分别是：

1. 获取数据库连接
2. 释放数据库连接
3. 销毁数据库连接

除此之外，我们再设计一个共有函数来获得私有变量空余的连接数量，就完成了数据库访问函数的设计；注意，无论是获取，释放还是销毁，我们都要用mutex来保证线程同步；同时，获取连接前需要wait()阻塞等到临界区有资源，释放连接后需要post()来提醒其他线程临界区有新资源

public:
    MYSQL *Getconnection();                 //获取数据库连接
    bool ReleaseConnection(MYSQL *conn);    //释放数据库连接
    int GetFreeConn();                     //获得空余连接数量
    void DestroyPool();                     //销毁所有连接

MYSQL *connection_pool::Getconnection() {
    MYSQL * con = NULL;
    if (connList.size() == 0) {
        return NULL;
    }
    reserve.wait();

    m_lock.lock();
    con = connList.front();
    connList.pop_front();

    m_FreeConn--;
    m_CurConn++;
    m_lock.unlock();
    return con;
}

bool connection_pool::ReleaseConnection(MYSQL *con) {
    if (con == nullptr) {
        return false;
    }
    m_lock.lock();
    connList.push_back(con);
    
    m_FreeConn++;
    m_CurConn--;
    m_lock.unlock();
    reserve.post();
    return true;
}

int connection_pool::GetFreeConn() {
    return m_FreeConn;
}

void connection_pool::DestroyPool() {
    m_lock.lock();
    if (connList.size() > 0) {
        list<MYSQL*>::iterator it;
        for (it = connList.begin(); it != connList.end(); ++it) {
            MYSQL *con = *it;
            mysql_close(con);
        }
        m_FreeConn = 0;
        m_CurConn = 0;
        connList.clear();
    }
    m_lock.unlock();
}

RAII类

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）（资源获取即初始化）是一种C++编程中的重要设计原则，用于管理资源的获取和释放。RAII的核心思想是通过对象的生命周期来控制资源的生命周期，从而确保资源在合适的时候被正确地获取和释放。我们的智能指针如unique_ptr，锁lock_gurad和文件流都采用了RAII的机制

根据上述思想，我们单独再创建一个RAII类，这个类的唯一作用就是与数据库连接池的资源进行绑定；可以看到这个类中只有构造函数和析构函数。

这样当类创建实例时就会调用构造函数，构造函数内就会调用数据库连接函数；当类的生命周期结束时就会调用析构函数，析构函数会调用销毁数据库函数；从而实现了资源的获取与释放与类的实例的生命周期绑定。

/*使用RAII技术来保证connPool单例对象的生命周期符合RAII规则*/
class connectionRAII {
public:
    connectionRAII(MYSQL **con, connection_pool *connPool);
    ~connectionRAII();

private:
    connection_pool *poolRALL;
    MYSQL *conRAII;
};

connectionRAII::connectionRAII(MYSQL **SQL, connection_pool *connPool) {
    *SQL = connPool->Getconnection();

    conRAII = *SQL;
    poolRALL = connPool;
}

connectionRAII::~connectionRAII() {
    poolRALL ->ReleaseConnection(conRAII);
}

结束语：

终于，我们完成了数据库连接池的设计，下一章我们开始设计线程池