[译]配置 sql.DB 获得更好的性能(2020年更新版)

原文
在2020年4月9号做了更新，所以重新翻译了原文。

网上有很多教程介绍 sql.DB
, 以及如何使用它来执行SQL数据库查询和语句, 但是大部分都没有介绍 SetMaxOpenConns（）
、 SetMaxIdleConns（）
和 SetConnmaxLifetime（）
方法。事实上你可以使用这些方法来配置 sql.DB
的行为并改善其性能。
在这篇文章中，我想准确地解释这些设置的作用，并演示它们可能产生的（正面和负面）影响。

打开和空闲连接

首先说一点背景知识。

sql.db对象是包含多个 in-use
和 idle
数据库连接的连接池。当使用连接执行数据库任务（如执行SQL语句或查询数据）时，该连接被标记为 in-use
(打开)。任务完成后，连接将变为 idle
(空闲)。

当您指示 sql.db
执行数据库任务时，它将首先检查池中是否有空闲连接可用。如果有可用的连接，Go将重用现有连接，并在任务期间将其标记为 in-use
。如果在需要连接时池中没有空闲连接的话，go将创建一个新的连接。

SetMaxOpenConns 方法

默认情况下，可以同时打开的连接数没有限制( in-use
+ idle
)。但您可以通过 SetMaxOpenConns()
方法实现自己的限制，如下所示：

// 初始化一个新的连接池
db, err := sql.Open("postgres", "postgres://user:pass@localhost/db")
if err != nil {
    log.Fatal(err)
}

// 设置最大的并发打开连接数为5（in-use + idle）。
// 设置这个数小于等于0则表示没有限制，也就是默认设置。
db.SetMaxOpenConns(5)

在此示例代码中，池中最多有5个并发打开的连接。如果5个连接都已经标记为 in-use
被使用，并且应用程序需要另一个连接的话，那么应用程序将被迫等待，直到5个打开的连接其中的一个被释放并变为 idle
。

为了说明更改 MaxOpenConns
的影响，我运行了一个基准测试，将最大开放连接设置为1、2、5、10和无限制。基准测试在PostgreSQL数据库上执行并行的insert语句，您可以在这个 gist
中找到代码。结果如下：

BenchmarkMaxOpenConns1-8                500      3129633 ns/op        478 B/op        10 allocs/op
BenchmarkMaxOpenConns2-8               1000      2181641 ns/op        470 B/op        10 allocs/op
BenchmarkMaxOpenConns5-8               2000       859654 ns/op        493 B/op        10 allocs/op
BenchmarkMaxOpenConns10-8              2000       545394 ns/op        510 B/op        10 allocs/op
BenchmarkMaxOpenConnsUnlimited-8       2000       531030 ns/op        479 B/op         9 allocs/op
PASS

准确地说，此基准的目的不是模拟应用程序的“真实”行为。它只是帮助说明 SQL.DB
在幕后的行为，以及更改 MaxOpenConns
对该行为的影响。

对于这个基准，我们可以看到允许的开放连接越多，在数据库上执行 插入
操作所花费的时间就越少（3129633 ns/op，其中1个 in-use
连接，而无限连接为531030 ns/op，大约快6倍）。这是因为允许打开的连接越多，越多的数据库查询就能并发的执行。

SetMaxIdleConns

默认情况下， sql.DB
允许在连接池中最多保留 2
个 idle
连接。您可以通过 SetMaxIdleConns()
方法进行更改，如下所示：

// 初始化连接池
db, err := sql.Open("postgres", "postgres://user:pass@localhost/db")
if err != nil {
    log.Fatal(err)
}

// 设置最大的空闲连接数为5。
// 设置小于等于0的数意味着不保留空闲连接。
db.SetMaxIdleConns(5)

理论上，在池中允许更多的空闲连接将提高性能，因为这样可以减少从头开始建立新连接的可能性，从而有助于节省资源。
让我们来看看相同的基准，最大空闲连接设置为无、1、2、5和10（并且开放连接的数量是无限的）：

BenchmarkMaxIdleConnsNone-8         300      4567245 ns/op      58174 B/op       625 allocs/op
BenchmarkMaxIdleConns1-8           2000       568765 ns/op       2596 B/op        32 allocs/op
BenchmarkMaxIdleConns2-8           2000       529359 ns/op        596 B/op        11 allocs/op
BenchmarkMaxIdleConns5-8           2000       506207 ns/op        451 B/op         9 allocs/op
BenchmarkMaxIdleConns10-8          2000       501639 ns/op        450 B/op         9 allocs/op
PASS

当 MaxIdleConns
设置为none时，必须为每个插入操作创建新的连接，从基准中我们可以看到平均运行时间和内存分配相对较高。
只允许保留和重用一个空闲连接，在我们这个特定的基准测试中有很大的不同——它将平均运行时间减少了8倍左右，并将内存分配减少了20倍左右。继续增加空闲连接池的大小会使性能更好，尽管这些改进不那么明显。
那么我们应该维护一个大的空闲连接池吗？答案是它取决于应用程序。
重要的是要认识到保持空闲连接的存活是要付出代价的——它会占用内存，否则这些内存可以同时用于应用程序和数据库。

也有一种可能，如果一个连接空闲太久，那么它也可能会变得不可用。例如，MySQL的 wait_timeout
设置将自动关闭8小时内未使用的任何连接（默认情况下）。

当发生这种情况时， sql.DB
会优雅地处理它。在放弃之前，将自动重试两次坏连接，之后Go将从池中删除坏连接并创建新连接。因此，将 MaxIdleConns
设置得太高实际上可能会导致连接变得不可用，并且使用的资源比使用较小的空闲连接池（使用的连接更少，使用频率更高）的情况下要多。所以只有你很可能马上再次使用这些连接，你才会保持这些连接空闲。

最后要指出的一点是， MaxIdleConns
应该始终小于或等于 MaxOpenConns
。Go会检查并在必要时自动减少 MaxIdleConns
StackOverflow上的一个解释很好地描述了原因：

设置比 MaxOpenConns
更多的空闲连接数是没有意义的，因为你最多也就能拿到所有打开的连接，剩余的空闲连接依然保持的空闲。这就像一座四车道的桥，但是只允许三辆车同时通过。

SetConnMaxLifetime 方法

现在让我们来看一下 SetConnMaxLifetime（）
方法，它设置了连接可重用的最大时间长度。如果您的SQL数据库也实现了最大的连接生存期，或者（例如）您希望在负载均衡器后面方便地切换数据库，那么这将非常有用。
您可以这样使用它：

// 初始化连接池
db, err := sql.Open("postgres", "postgres://user:pass@localhost/db")
if err != nil {
    log.Fatal(err)
}

// 设置连接的最大生命周期为一小时。
// 设置为0的话意味着没有最大生命周期，连接总是可重用(默认行为)。
db.SetConnMaxLifetime(time.Hour)

在这个例子中，我们的所有连接将在第一次创建后1小时“过期”，并且在它们过期后无法重用。但是注意：

• 这并不能保证连接将在池中存在完整的一小时；很可能由于某种原因连接将变得不可用，并且在此之前自动关闭。
• 一个连接在创建后仍可以使用一个多小时，只是说一个小时后不能再被重用了。
• 这不是空闲超时。连接将在第一次创建后1小时后过期，而不是1小时后变成空闲。
• 每秒自动运行一次清理操作以便从池中删除“过期”连接。

理论上， ConnMaxLifetime
越短，从零开始创建连接的频率就越高。

为了说明这一点，我运行了基准测试，将 ConnMaxLifetime
设置为100ms、200ms、500ms、1000ms和unlimited（永远重复使用），默认设置为unlimited open connections和2个idle connections。这些时间段显然比您在大多数应用程序中使用的要短得多，但它们有助于很好地说明连接库的行为。

BenchmarkConnMaxLifetime100-8              2000       637902 ns/op       2770 B/op        34 allocs/op
BenchmarkConnMaxLifetime200-8              2000       576053 ns/op       1612 B/op        21 allocs/op
BenchmarkConnMaxLifetime500-8              2000       558297 ns/op        913 B/op        14 allocs/op
BenchmarkConnMaxLifetime1000-8             2000       543601 ns/op        740 B/op        12 allocs/op
BenchmarkConnMaxLifetimeUnlimited-8        3000       532789 ns/op        412 B/op         9 allocs/op
PASS

在这些特定的基准测试中，我们可以看到100毫秒的内存分配要比unlimited的内存分配多三倍，而且每个插入的操作的平均运行时间也稍长一些。

加入你在代码中设置了 ConnMaxLifetime
, 必须要记住连接过期的频率(过期后再重新创建)。例如你有100个连接，设置 ConnMaxLifetime
为1分钟，然后你的应用程序可能每秒会kill和重建1.67个连接。你肯定不想这么频繁，因为这会影响性能，而不是提升性能。

超出连接限制

最后，如果不提及超过了数据库连接数的硬限制的话，那么本文就不算一个完整的教程了。

如图所示，我将更改 postgresql.conf
文件，因此只允许总共5个连接（默认值为100）…

max_connections =5

使用 unlimited open connections 的配置进行基准测试：

BenchmarkMaxOpenConnsUnlimited-8    --- FAIL: BenchmarkMaxOpenConnsUnlimited-8
    main_test.go:14: pq: sorry, too many clients already
    main_test.go:14: pq: sorry, too many clients already
    main_test.go:14: pq: sorry, too many clients already
FAIL

一旦达到5个连接的硬限制，我的数据库驱动程序（PQ）立即返回一条 sorry, too many clients already
错误信息，而不是完成插入操作。

为了避免这个错误，我们需要将 sql.DB
中open的( in-use
和 idle
)连接的最大总数设置为5以下。像这样：

// 初始化连接池
db, err := sql.Open("postgres", "postgres://user:pass@localhost/db")
if err != nil {
    log.Fatal(err)
}

//设置in-use和idle的总连接数为3
db.SetMaxOpenConns(3)

现在，由 sql.DB
创建的连接数最多只能有3个，基准测试运行时应该没有错误。

但是这样也会给我们带来一个很大的警示：当达到open连接限制时，所有的连接都处于 in-use
状态，应用程序需要执行的任何新数据库任务都将被强制等待，直到连接变为 idle
。比如在web应用程序中，用户的http请求会hang住，等待数据库任务完成，期间可能因为超时而失败。

为了兼容这一点，你可以传递一个 context.Context
参数，执行数据库的方法是采用 ExecContext()
，可以参考 例子
。

总结

1. 根据经验，你应该显式的设置 MaxOpenConns
   值。这个值应该远远低于数据库或者基础设施对连接数的任何硬限制。
2. 通常，更大的 MaxOpenConns
   和 MaxIdleConns
   可能会带来更好的性能。但是回报正在减少。你需要知道，一个大的连接池(一些连接根本就美誉重用却被重新创建)可能会减少性能。
3. 为了降低第二点的风险，你可能需要设置一个相对短的 ConnMaxLifetime
   ，但是太对会导致连接被kill并被创建
4. MaxIdleConns
   应该小于等于 MaxOpenConns

对于一个小的web应用程序，我使用下面的配置作为基础，然后根据实际吞吐量级别的负载测试结果进行优化。

db.SetMaxOpenConns(25)
db.SetMaxIdleConns(25)
db.SetConnMaxLifetime(5*time.Minute)