如何用python实现一个HTTP连接池

脚本专栏 2024/11/17 佚名

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一. 连接池的原理

　　首先, HTTP连接是基于TCP连接的, 与服务器之间进行HTTP通信, 本质就是与服务器之间建立了TCP连接后, 相互收发基于HTTP协议的数据包. 因此, 如果我们需要频繁地去请求某个服务器的资源, 我们就可以一直维持与个服务器的TCP连接不断开, 然后在需要请求资源的时候, 把连接拿出来用就行了.

　　一个项目可能需要与服务器之间同时保持多个连接, 比如一个爬虫项目, 有的线程需要请求服务器的网页资源, 有的线程需要请求服务器的图片等资源, 而这些请求都可以建立在同一条TCP连接上.

　　因此, 我们使用一个管理器来对这些连接进行管理, 任何程序需要使用这些连接时, 向管理器申请就可以了, 等到用完之后再将连接返回给管理器, 以供其他程序重复使用, 这个管理器就是连接池.

二. 实现代码

1. HTTPConnectionPool类

　　基于上一章的分析, 连接池应该是一个收纳连接的容器, 同时对这些连接有管理能力:

class HTTPConnectionPool:

 def __init__(self, host: str, port: int = None, max_size: int = None, idle_timeout: int = None) -> None:
  """
  :param host: pass
  :param port: pass
  :param max_size: 同时存在的最大连接数, 默认None->连接数无限,没了就创建
  :param idle_timeout: 单个连接单次最长空闲时间,超时自动关闭,默认None->不限时
  """
  self.host = host
  self.port = port
  self.max_size = max_size
  self.idle_timeout = idle_timeout
  self._lock = threading.Condition()
  self._pool = []
  # 这里的conn_num指的是总连接数,包括其它线程拿出去正在使用的连接
  self.conn_num = 0
  self.is_closed = False

 def acquire(self, blocking: bool = True, timeout: int = None) -> WrapperHTTPConnection:
  ...

 def release(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
  ...

　　因此, 我们定义这样一个HTTPConnectionPool类, 使用一个列表来保存可用的连接. 对于外部来说, 只需要调用这个连接池对象的acquire和release方法就能取得和释放连接.

2. 线程安全地管理连接

　　对于线程池内部来说, 至少需要三个关于连接的操作: 从连接池中取得连接, 将连接放回连接池, 以及创建一个连接:

def _get_connection(self) -> WrapperHTTPConnection:
 # 这个方法会把连接从_idle_conn移动到_used_conn列表中,并返回这个连接
 try:
  return self._pool.pop()
 except IndexError:
  raise EmptyPoolError


def _put_connection(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
 self._pool.append(conn)


def _create_connection(self) -> WrapperHTTPConnection:
 self.conn_num += 1
 return WrapperHTTPConnection(self, HTTPConnection(self.host, self.port))

　　对于连接池外部来说, 主要有申请连接和释放连接这两个操作, 实际上这就是个简单的生产者消费者模型. 考虑到外部可能是多线程的环境, 我们使用threading.Condition来保证线程安全. 关于Condition的资料可以看这里.

def acquire(self, blocking: bool = True, timeout: int = None) -> WrapperHTTPConnection:
 if self.is_closed:
  raise ConnectionPoolClosed
 with self._lock:
  if self.max_size is None or not self.is_full():
   # 在还能创建新连接的情况下,如果没有空闲连接,直接创建一个就行了
   if self.is_pool_empty():
    self._put_connection(self._create_connection())
  else:
   # 不能创建新连接的情况下,如果设置了blocking=False,没连接就报错
   # 否则,就基于timeout进行阻塞,直到超时或者有可用连接为止
   if not blocking:
    if self.is_pool_empty():
     raise EmptyPoolError
   elif timeout is None:
    while self.is_pool_empty():
     self._lock.wait()
   elif timeout < 0:
    raise ValueError("'timeout' must be a non-negative number")
   else:
    end_time = time.time() + timeout
    while self.is_pool_empty():
     remaining = end_time - time.time()
     if remaining <= 0:
      raise EmptyPoolError
     self._lock.wait(remaining)
  # 走到这一步了,池子里一定有空闲连接
  return self._get_connection()


def release(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
 if self.is_closed:
  # 如果这个连接是在连接池关闭后才释放的,那就不用回连接池了,直接放生
  conn.close()
  return
 # 实际上,python列表的append操作是线程安全的,可以不加锁
 # 这里调用锁是为了通过notify方法通知其它正在wait的线程:现在有连接可用了
 with self._lock:
  if not conn.is_available:
   # 如果这个连接不可用了,就应该创建一个新连接放进去,因为可能还有其它线程在等着连接用　　　　　　 conn.close()　　　　　　 self.conn_num -= 1
   conn = self._create_connection()
  self._put_connection(conn)
  self._lock.notify()

　　我们首先看看acquire方法, 这个方法其实就是在申请到锁之后调用内部的_get_connection方法获取连接, 这样就线程安全了. 需要注意的是, 如果当前的条件无法获取连接, 就会调用条件变量的wait方法, 及时释放锁并阻塞住当前线程. 然后, 当其它线程作为生产者调用release方法释放连接时, 会触发条件变量的notify方法, 从而唤醒一个阻塞在wait阶段的线程, 即消费者. 这个消费者再从池中取出刚放回去的线程, 这样整个生产者消费者模型就运转起来了.

3. 上下文管理器

　　对于一个程序来说, 它使用连接池的形式是获取连接->使用连接->释放连接. 因此, 我们应该通过with语句来管理这个连接, 以免在程序的最后遗漏掉释放连接这一步骤.

　　基于这个原因, 我们通过一个WrapperHTTPConnection类来对HTTPConnection进行封装, 以实现上下文管理器的功能. HTTPConnection的代码可以看《用python实现一个HTTP客户端》这篇文章.

class WrapperHTTPConnection:

 def __init__(self, pool: 'HTTPConnectionPool', conn: HTTPConnection) -> None:
  self.pool = pool
  self.conn = conn
  self.response = None
  self.is_available = True

 def __enter__(self) -> 'WrapperHTTPConnection':
  return self

 def __exit__(self, *exit_info: Any) -> None:
  # 如果response没读完并且连接需要复用,就弃用这个连接
  if not self.response.will_close and not self.response.is_closed():
   self.close()
  self.pool.release(self)

 def request(self, *args: Any, **kwargs: Any) -> HTTPResponse:
  self.conn.request(*args, **kwargs)
  self.response = self.conn.get_response()
  return self.response

 def close(self) -> None:
  self.conn.close()
  self.is_available = False

　　同样的, 连接池可能也需要关闭, 因此我们给连接池也加上上下文管理器的功能:

class HTTPConnectionPool:
 ...

 def close(self) -> None:
  if self.is_closed:
   return
  self.is_closed = True
  pool, self._pool = self._pool, None
  for conn in pool:
   conn.close()

 def __enter__(self) -> 'HTTPConnectionPool':
  return self

 def __exit__(self, *exit_info: Any) -> None:
  self.close()

　　这样, 我们就可以通过with语句优雅地管理连接池了:

with HTTPConnectionPool(**kwargs) as pool:
 with pool.acquire() as conn:
  res = conn.request('GET', '/')
  ...

4. 定时清理连接

　　如果一个连接池的所需连接数是随时间变化的, 那么就会出现一种情况: 在高峰期, 我们创建了非常多的连接, 然后进入低谷期之后, 连接过剩, 大量的连接处于空闲状态, 浪费资源. 因此, 我们可以设置一个定时任务, 定期清理空闲时间过长的连接, 减少连接池的资源占用.

　　首先, 我们需要为连接对象添加一个last_time属性, 每当连接释放进入连接池后, 就修改这个属性的值为当前时间, 这样我们就能明确知道, 连接池内的每个空闲连接空闲了多久:

class WrapperHTTPConnection:
 ...

 def __init__(self, pool: 'HTTPConnectionPool', conn: HTTPConnection) -> None:
  ...
  self.last_time = None


class HTTPConnectionPool:
 ...

 def _put_connection(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
  conn.last_time = time.time()
  self._pool.append(conn)

　　然后, 我们通过threading.Timer来实现一个定时任务:

def start_clear_conn(self) -> None:
 if self.idle_timeout is None:
  # 如果空闲连接的超时时间为无限,那么就不应该清理连接
  return
 self.clear_idle_conn()
 self._clearer = threading.Timer(self.idle_timeout, self.start_clear_conn)
 self._clearer.start()


def stop_clear_conn(self) -> None:
 if self._clearer is not None:
  self._clearer.cancel()

　　threading.Timer只会执行一次定时任务, 因此, 我们需要在start_clear_conn中不断地把自己设置为定时任务. 这其实等同于新开了一个线程来执行start_clear_conn方法, 因此并不会出现递归过深问题. 不过需要注意的是, threading.Timer虽然不会阻塞当前线程, 但是却会阻止当前线程结束, 就算把它设置为守护线程都不行, 唯一可行的办法就是调用stop_clear_conn方法取消这个定时任务.

　　最后, 我们定义clear_idle_conn方法来清理闲置时间超时的连接:

def clear_idle_conn(self) -> None:
 if self.is_closed:
  raise ConnectionPoolClosed
 # 这里开一个新线程来清理空闲连接,避免了阻塞主线程导致的定时精度出错
 threading.Thread(target=self._clear_idle_conn).start()


def _clear_idle_conn(self) -> None:
 if not self._lock.acquire(timeout=self.idle_timeout):
  # 因为是每隔self.idle_timeout秒检查一次
  # 如果过了self.idle_timeout秒还没申请到锁,下一次都开始了,本次也就不用继续了
  return
 current_time = time.time()
 if self.is_pool_empty():
  pass
 elif current_time - self._pool[-1].last_time >= self.idle_timeout:
  # 这里处理下面的二分法没法处理的边界情况,即所有连接都闲置超时的情况
  self.conn_num -= len(self._pool)
  self._pool.clear()
 else:
  # 通过二分法找出从左往右第一个不超时的连接的指针
  left, right = 0, len(self._pool) - 1
  while left < right:
   mid = (left + right) // 2
   if current_time - self._pool[mid].last_time >= self.idle_timeout:
    left = mid + 1
   else:
    right = mid
  self._pool = self._pool[left:]
  self.conn_num -= left
 self._lock.release()

　　由于我们获取和释放连接都是从self._pool的尾部开始操作的, 因此self._pool这个容器是一个先进后出队列, 它里面放着的连接, 一定是越靠近头部的闲置时间越长, 从头到尾闲置时间依次递减. 基于这个原因, 我们使用二分法来找出列表中第一个没有闲置超时的连接, 然后把在它之前的连接一次性删除, 这样就能达到O(logN)的时间复杂度, 算是一种比较高效的方法. 需要注意的是, 如果连接池内所有的连接都是超时的, 那么这种方法是删不干净的, 需要对这种边界情况单独处理.

三. 总结

1. 完整代码及分析

　　这个连接池的完整代码如下:

import threading
import time
from typing import Any

from client import HTTPConnection, HTTPResponse


class WrapperHTTPConnection:

 def __init__(self, pool: 'HTTPConnectionPool', conn: HTTPConnection) -> None:
  self.pool = pool
  self.conn = conn
  self.response = None
  self.last_time = time.time()
  self.is_available = True

 def __enter__(self) -> 'WrapperHTTPConnection':
  return self

 def __exit__(self, *exit_info: Any) -> None:
  # 如果response没读完并且连接需要复用,就弃用这个连接
  if not self.response.will_close and not self.response.is_closed():
   self.close()
  self.pool.release(self)

 def request(self, *args: Any, **kwargs: Any) -> HTTPResponse:
  self.conn.request(*args, **kwargs)
  self.response = self.conn.get_response()
  return self.response

 def close(self) -> None:
  self.conn.close()
  self.is_available = False


class HTTPConnectionPool:

 def __init__(self, host: str, port: int = None, max_size: int = None, idle_timeout: int = None) -> None:
  """
  :param host: pass
  :param port: pass
  :param max_size: 同时存在的最大连接数, 默认None->连接数无限,没了就创建
  :param idle_timeout: 单个连接单次最长空闲时间,超时自动关闭,默认None->不限时
  """
  self.host = host
  self.port = port
  self.max_size = max_size
  self.idle_timeout = idle_timeout
  self._lock = threading.Condition()
  self._pool = []
  # 这里的conn_num指的是总连接数,包括其它线程拿出去正在使用的连接
  self.conn_num = 0
  self.is_closed = False
  self._clearer = None
  self.start_clear_conn()

 def acquire(self, blocking: bool = True, timeout: int = None) -> WrapperHTTPConnection:
  if self.is_closed:
   raise ConnectionPoolClosed
  with self._lock:
   if self.max_size is None or not self.is_full():
    # 在还能创建新连接的情况下,如果没有空闲连接,直接创建一个就行了
    if self.is_pool_empty():
     self._put_connection(self._create_connection())
   else:
    # 不能创建新连接的情况下,如果设置了blocking=False,没连接就报错
    # 否则,就基于timeout进行阻塞,直到超时或者有可用连接为止
    if not blocking:
     if self.is_pool_empty():
      raise EmptyPoolError
    elif timeout is None:
     while self.is_pool_empty():
      self._lock.wait()
    elif timeout < 0:
     raise ValueError("'timeout' must be a non-negative number")
    else:
     end_time = time.time() + timeout
     while self.is_pool_empty():
      remaining = end_time - time.time()
      if remaining <= 0:
       raise EmptyPoolError
      self._lock.wait(remaining)
   # 走到这一步了,池子里一定有空闲连接
   return self._get_connection()

 def release(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
  if self.is_closed:
   # 如果这个连接是在连接池关闭后才释放的,那就不用回连接池了,直接放生
   conn.close()
   return
  # 实际上,python列表的append操作是线程安全的,可以不加锁
  # 这里调用锁是为了通过notify方法通知其它正在wait的线程:现在有连接可用了
  with self._lock:
   if not conn.is_available:
    # 如果这个连接不可用了,就应该创建一个新连接放进去,因为可能还有其它线程在等着连接用
    conn.close()
    self.conn_num -= 1
    conn = self._create_connection()
   self._put_connection(conn)
   self._lock.notify()

 def _get_connection(self) -> WrapperHTTPConnection:
  # 这个方法会把连接从_idle_conn移动到_used_conn列表中,并返回这个连接
  try:
   return self._pool.pop()
  except IndexError:
   raise EmptyPoolError

 def _put_connection(self, conn: WrapperHTTPConnection) -> None:
  conn.last_time = time.time()
  self._pool.append(conn)

 def _create_connection(self) -> WrapperHTTPConnection:
  self.conn_num += 1
  return WrapperHTTPConnection(self, HTTPConnection(self.host, self.port))

 def is_pool_empty(self) -> bool:
  # 这里指的是,空闲可用的连接是否为空
  return len(self._pool) == 0

 def is_full(self) -> bool:
  if self.max_size is None:
   return False
  return self.conn_num >= self.max_size

 def close(self) -> None:
  if self.is_closed:
   return
  self.is_closed = True
  self.stop_clear_conn()
  pool, self._pool = self._pool, None
  for conn in pool:
   conn.close()

 def clear_idle_conn(self) -> None:
  if self.is_closed:
   raise ConnectionPoolClosed
  # 这里开一个新线程来清理空闲连接,避免了阻塞主线程导致的定时精度出错
  threading.Thread(target=self._clear_idle_conn).start()

 def _clear_idle_conn(self) -> None:
  if not self._lock.acquire(timeout=self.idle_timeout):
   # 因为是每隔self.idle_timeout秒检查一次
   # 如果过了self.idle_timeout秒还没申请到锁,下一次都开始了,本次也就不用继续了
   return
  current_time = time.time()
  if self.is_pool_empty():
   pass
  elif current_time - self._pool[-1].last_time >= self.idle_timeout:
   # 这里处理下面的二分法没法处理的边界情况,即所有连接都闲置超时的情况
   self.conn_num -= len(self._pool)
   self._pool.clear()
  else:
   # 通过二分法找出从左往右第一个不超时的连接的指针
   left, right = 0, len(self._pool) - 1
   while left < right:
    mid = (left + right) // 2
    if current_time - self._pool[mid].last_time >= self.idle_timeout:
     left = mid + 1
    else:
     right = mid
   self._pool = self._pool[left:]
   self.conn_num -= left
  self._lock.release()

 def start_clear_conn(self) -> None:
  if self.idle_timeout is None:
   # 如果空闲连接的超时时间为无限,那么就不应该清理连接
   return
  self.clear_idle_conn()
  self._clearer = threading.Timer(self.idle_timeout, self.start_clear_conn)
  self._clearer.start()

 def stop_clear_conn(self) -> None:
  if self._clearer is not None:
   self._clearer.cancel()

 def __enter__(self) -> 'HTTPConnectionPool':
  return self

 def __exit__(self, *exit_info: Any) -> None:
  self.close()


class EmptyPoolError(Exception):
 pass


class ConnectionPoolClosed(Exception):
 pass

　　首先, 这个连接池的核心就是对连接进行管理, 而这包含取出连接和释放连接两个过程. 因此这东西的本质就是一个生产者消费者模型, 取出线程时是消费者, 放入线程时是生产者, 使用threading自带的Condition对象就能完美解决线程安全问题, 使二者协同合作.

　　解决获取连接和释放连接这个问题之后, 其实这个连接池就已经能用了. 但是如果涉及到更多细节方面的东西, 比如判断连接是否可用, 自动释放连接, 清理闲置连接等等, 就需要对这个连接进行封装, 为它添加更多的属性和方法, 这就引入了WrapperHTTPConnection这个类. 实现它的__enter___和__exit__方法之后, 就能使用上下文管理器来自动释放连接. 至于清理闲置连接, 通过last_time属性记录每个连接的最后释放时间, 然后在连接池中添加一个定时任务就行了.

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如何用python实现一个HTTP连接池

一. 连接池的原理

二. 实现代码

1. HTTPConnectionPool类

2. 线程安全地管理连接

3. 上下文管理器

4. 定时清理连接

三. 总结

1. 完整代码及分析

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