【C++】基于C++11的数据库连接池

提示：写完文章后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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前言

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：

• 建立通信连接的TCP三次握手
• 数据库服务器的连接认证
• 数据库服务器关闭连接时的资源回收
• 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

编写代码需要的头文件：
#include<mysql.h>
#include<json/json.h>
#include<jsoncpp.h>

API对应的MySQL动态库
Windows：libmysql.dll
Linux：libmysqlclient.os

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一、连接池设计

1.1 功能设计

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 (此为设计模式)
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
   • 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
   • 如果队列中没有多余的可用连接，需要动态的创建新连接
   • 如果队列中空闲的连接太多，需要动态的销毁一部分
4. 数据库操作完毕，需要将连接归还到连接池中
   

1.2 封装设计

• 数据库连接的存储：可用使用STL中的队列queue
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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。
• 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：

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; // 连接队列
    mutex m_mutexQ;  // 互斥锁
    condition_variable m_cond; // 条件变量
};

二、连接数据库步骤

在程序中连接MySql服务器，主要分为已经几个步骤：

1. 初始化连接环境
2. 连接mysql的服务器，需要提供如下连接数据:

• 服务器的IP地址 服务器监听的端口（默认端口是3306）
• 连接服务器使用的用户名（默认是 root），和这个用户对应的密码
• 要操作的数据库的名字

3. 连接已经建立, 后续操作就是对数据库数据的添删查改

4. 如果要进行数据 添加/ 删除/ 更新，需要进行事务的处理

   • 需要对执行的结果进行判断
     • 成功：提交事务
     • 失败：数据回滚

5. 数据库的读操作 -> 查询 -> 得到结果集

6. 遍历结果集 -> 得到了要查询的数据

7. 释放资源

三、封装编码

3.1 VS配置

3.1.1 MySQL环境

打开项目的属性窗口，在属性页配置MySQL头文件目录和MySQL的库目录

将下载的mysql路径下的include和lib文件目录分别写入包含目录和库目录中

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。

3.1.2 jsoncpp环境

参考博客：jsoncpp的编译和使用

3.2 连接类代码设计

3.2.1 连接类MysqlConn.h

#pragma once
#include <string>
#include <WinSock2.h>//必须要有,解决“fd”:未知重写说明符
#include <algorithm>
#include<chrono>
#include<mysql.h>
using namespace std;
using namespace chrono;
class MysqlConn
{
   
public:
	// 初始化数据库连接
	MysqlConn();
	// 释放数据库连接
	~MysqlConn();
	// 连接数据库
	bool connect(string userName,string passwd,string dbName,string ip,unsigned short port=3306);
	// 更新数据库
	bool update(string sql);
	// 查询数据库
	bool query(string sql);
	// 遍历查询得到的结果集
	bool next();
	// 得到结果集中的字段值
	string value(int index);
	// 事务操作
	bool transaction();
	// 提交事务
	bool commit();
	// 事务回滚
	bool rollback();
	// 刷新起始的空闲时间点
	void refreshAliveTime();
	// 计算连接存活的时长
	long long getAliveTime();

private:
	void freeResource();  // 释放资源
	MYSQL* m_conn = nullptr; // 保存初始化数据库时返回的地址
	MYSQL_RES* m_result = nullptr; // 保存查询结果
	MYSQL_ROW m_row = nullptr; // 保存当前记录中每个字段的值
	steady_clock::time_point m_alivetime; // 存活时间
};

3.2.1 连接类MysqlConn.cpp

#include "MysqlConn.h"

 // 初始化数据库连接
MysqlConn::MysqlConn()
{
   
	// 初始化数据库
	this->m_conn = mysql_init(nullptr);
	// 设置接口的字符编码，防止在数据库操作时中文乱码
	mysql_set_character_set(this->m_conn, "utf8");
}


// 释放数据库连接
MysqlConn::~MysqlConn()
{
   
	// 释放内存
	if (this->m_conn != nullptr) {
   
		mysql_close(this->m_conn);
	}
	this->freeResource();
}


// 连接数据库
bool MysqlConn::connect(string userName, string passwd, string dbName, string ip, unsigned short port)
{
   
	// c_str()函数返回一个指向正规C字符串的指针常量, 内容与本string串相同。
	// 因为调用的MysqlAPI是C语言规范
	MYSQL* ptr = mysql_real_connect(