Go 语言中 database/sql 是如何设计的

常见的关系型数据库都支持标准的 SQL 语言，所以无论是 MySQL、PostgreSQL 还是 SQL Server，我们都可以使用相同的 SQL 语句来对其进行操作。这种思想同样体现在 Go 语言的数据库操作中，在 Go 语言中内置了 database/sql 包，它只对外暴露了一套统一的编程接口，便可以操作不同数据库。

本文重点讲解 database/sql 设计思想，默认读者已经有了 database/sql 使用经验，对于 database/sql 功能则不会详细介绍。如果你对 database/sql 不熟悉，可以查看我的另一篇文章《在 Go 中如何使用 database/sql 来操作数据库》。

接口设计

首先我们来看下 database/sql 目录结构长什么样：

go1.20.1/src/database
└── sql
    ├── driver
    │   ├── driver.go
    │   └── types.go
    ├── convert.go
    ├── ctxutil.go
    ├── sql.go
    ...

笔记：这里没有列出测试文件。

可以发现，database/sql 实际上包含了 sql 包及其子包 driver。

sql 包为我们提供了操作数据库的对象以及方法，driver 包则定义了数据库驱动的编程接口，这些接口都是第三方驱动包需要实现的。

现在我们一起来看下 driver 包是如何设计的。

在 driver 包中定义了一个 Driver 接口：

type Driver interface {
	Open(name string) (Conn, error)
}

这个接口只有一个 Open 方法，用来建立一个数据库连接并返回。

Open 方法的 name 参数即为 DSN，返回值中的 Conn 接口则代表了一个数据库连接，定义如下：

type Conn interface {
	Prepare(query string) (Stmt, error)
	Close() error

	Begin() (Tx, error)
}

Conn 接口包含三个方法：

Prepare 用来预处理 SQL，返回一个准备好的 SQL 语句。

Close 用来关闭数据库连接。

Begin 显然是对事务的支持。

其中 Prepare 返回 Stmt 类型，这也是一个接口，定义如下：

type Stmt interface {
	Close() error
	NumInput() int
	Exec(args []Value) (Result, error)
	Query(args []Value) (Rows, error)
}

Close 用来关闭该预处理语句。

NumInput 返回 SQL 中占位符参数的数量。

Exec 和 Query 两个方法我们再熟悉不过了，分别用来执行 SQL 命令以及查询记录。这两个方法都接收参数 []Value，Value 其实是 any 类型，也就是 interface{}，定义如下：

type Value any

Exec 方法返回的 Result 接口定义如下：

type Result interface {
	LastInsertId() (int64, error)
	RowsAffected() (int64, error)
}

LastInsertId 返回 INSERT SQL 插入记录的 ID。

RowsAffected 返回受影响记录的行数。

Query 方法返回的 Rows 接口定义如下：

type Rows interface {
	Columns() []string
	Close() error

	Next(dest []Value) error
}

当我们执行 SQL 查询时，如果不知道列名，可以使用 rows.Columns() 查看所有列名称列表。

Close 用来关闭 Rows 的迭代器，关闭后无法再继续调用 Next 查询下一条记录。

调用 Next 可以将下一行数据填充到提供的 dest 切片中。

Value 在上面已经介绍过了，是 any 类型。

现在 Conn 接口中定义的 Prepare 方法这条线所涉及到的类型，我们已经追查到底了，是时候回过头来看下 Begin 方法返回的 Tx 类型定义了：

type Tx interface {
	Commit() error
	Rollback() error
}

Tx 不出所料，同样是一个接口，包含两个方法：

Commit 用来提交事务。

Rollback 用来回滚事务。

至此，Driver 接口的设计就清晰的摆在眼前了：

除了 Driver 接口，在 database/sql/driver 包中，还有几个常用接口定义如下：

type Connector interface {

	Connect(context.Context) (Conn, error)

	Driver() Driver

}






type Pinger interface {
	Ping(ctx context.Context) error
}






type Execer interface {
	Exec(query string, args []Value) (Result, error)
}

type ExecerContext interface {
	ExecContext(ctx context.Context, query string, args []NamedValue) (Result, error)
}



type Queryer interface {
	Query(query string, args []Value) (Rows, error)
}

type QueryerContext interface {
	QueryContext(ctx context.Context, query string, args []NamedValue) (Rows, error)
}

Connector 接口用来连接数据库。

Pinger 接口用来检查连接是否能被正确建立。

还有 Execer、ExecerContext、Queryer、QueryerContext 这 4 个接口，正好对应了我们在利用 database/sql 时操作数据库所使用的方法。

所有这些接口，都是第三方数据库驱动包要实现的接口（有些接口是可选的）。

看到这里，你可能有个疑惑，为什么这些接口都只定义为只有一个方法的小接口？

这其实是 Go 语言中的惯用法，越小的接口抽象程度越高，易于解耦，也越容易被实现，并且非常适用于 Go 语言的组合机制。

好了，关于 driver 包中接口的定义部分就讲解到这里，其他用的比较少接口的我就不在这里介绍了，感兴趣的同学可以自行尝试阅读源码学习。

以上介绍的这些接口全部定义在 driver/driver.go 文件中，而 driver/types.go 文件中则用来定义类型，如 Bool、Int32 等方便用来类型转换，由于不是本文重点，这里也就不多介绍了。

代码实现

看了以上关于接口定义的讲解，你可能会觉得有些云里雾里，有种学了一身功夫却又无从下手的感觉。

没关系，接下来我将根据一段示例代码，带你深入到 database/sql 的源码中，加深你对 database/sql 包的理解。

以下示例是我们使用 database/sql 操作 MySQL 最典型的场景：

package main


import (
	"database/sql"
	"fmt"


	_ "github.com/go-sql-driver/mysql"
)





func main() {
	db, err := sql.Open("mysql", "user:password@tcp(127.0.0.1:3306)/demo?charset=utf8mb4&parseTime=true&loc=Local")
	if err != nil {
		panic(err.Error())
	}


	defer db.Close()


	rows, err := db.Query("SELECT id, name FROM user")
	if err != nil {
		panic(err.Error())
	}
	defer rows.Close()

	for rows.Next() {
		var (
			id   int
			name string
		)
		if err := rows.Scan(id, name); err != nil {
			panic(err.Error())
		}
		fmt.Printf("id: %d, name: %s\n", id, name)
	}
}

这段代码最让初学者摸不着头脑的是我们以匿名的方式导入了 MySQL 驱动包：

import _ "github.com/go-sql-driver/mysql"

但在实际的代码中并没有使用它。

其实，这看似有些奇怪的代码导入的作用，就隐藏在 go-sql-driver/mysql 包的 init 函数中：

import "database/sql"


func init() {
	sql.Register("mysql", &MySQLDriver{})
}

go-sql-driver/mysql 包导入并使用 database/sql 包的 sql.Register 函数，将自己实现的驱动程序注册到 database/sql 中。

调用注册函数的代码写在了 init 函数中，go-sql-driver/mysql 包正是利用了匿名导入时 Go 语言会自动调用被导入包的 init 方法所产生的副作用，来实现驱动注册。

注册驱动函数 sql.Register 实现如下：

var (
	driversMu sync.RWMutex
	drivers   = make(map[string]driver.Driver)
)


func Register(name string, driver driver.Driver) {
	driversMu.Lock()
	defer driversMu.Unlock()
	if driver == nil {
		panic("sql: Register driver is nil")
	}
	if _, dup := drivers[name]; dup {
		panic("sql: Register called twice for driver " + name)
	}


	drivers[name] = driver
}

可以发现，Register 内部通过全局互斥锁变量 driversMu 保证了并发操作的安全性。在加锁的条件下，将 mysql 驱动保存在 drivers 这个全局的 map 类型变量中，以 mysql 为 key，驱动对象为 value。

这就是为什么，我们能够使用 sql.Open 函数与数据库建立连接的原因。

func Open(driverName, dataSourceName string) (*DB, error) {
	driversMu.RLock()
	driveri, ok := drivers[driverName]
	driversMu.RUnlock()
	if !ok {
		return nil, fmt.Errorf("sql: unknown driver %q (forgotten import?)", driverName)
	}


	if driverCtx, ok := driveri.(driver.DriverContext); ok {
		connector, err := driverCtx.OpenConnector(dataSourceName)
		if err != nil {
			return nil, err
		}
		return OpenDB(connector), nil
	}


	return OpenDB(dsnConnector{dsn: dataSourceName, driver: driveri}), nil
}

Open 函数接收两个参数，驱动名称和 DSN。

在 Open 函数内部，首先从全局变量 drivers 中获取驱动对象。而我们调用 sql.Open 函数时，传递的第一个参数是 mysql，这刚好与 go-sql-driver/mysql 包中注册的驱动名称对应，所以能够获取到 MySQL 驱动程序。

接着，代码中通过类型断言，判断驱动对象 driveri 是否为 driver.DriverContext 类型。

是的话就先调用驱动对象的 OpenConnector 方法得到 Connector 类型的对象，然后再使用 OpenDB 打开数据库连接。

driver.DriverContext 接口定义如下：

type DriverContext interface {
	OpenConnector(name string) (Connector, error)
}

只包含了 OpenConnector 方法，这个方法返回 Connector 接口类型。

Connector 接口前文已经讲过，我们可以再回顾下它的定义：

type Connector interface {

	Connect(context.Context) (Conn, error)

	Driver() Driver

}

这个接口定义了两个方法分别用来连接数据库和获取驱动对象。

而如果 driveri 不是 driver.DriverContext 类型，则需要先构造一个 dsnConnector 对象，然后再使用 OpenDB 函数打开数据库连接。

dsnConnector 是一个结构体，定义非常简单：

type dsnConnector struct {
	dsn    string
	driver driver.Driver
}

只包含了 DSN 和驱动对象。

并且它同时也实现了 Connector 接口：

func (t dsnConnector) Connect(_ context.Context) (driver.Conn, error) {
	return t.driver.Open(t.dsn)
}






func (t dsnConnector) Driver() driver.Driver {
	return t.driver
}

接下来，我们看看 OpenDB 函数是如何定义的：

func OpenDB(c driver.Connector) *DB {
	ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
	db := &DB{
		connector:    c,
		openerCh:     make(chan struct{}, connectionRequestQueueSize),
		lastPut:      make(map[*driverConn]string),
		connRequests: make(map[uint64]chan connRequest),
		stop:         cancel,
	}



	go db.connectionOpener(ctx)

	return db
}

在 OpenDB 函数内部实例化了一个 *sql.DB 结构体指针并返回。这个结构体由 database/sql 包提供，是统一用户编程接口的关键结构体，我们后续的查询操作，就是调用了这个对象上的方法。

这里实例化 *sql.DB 对象时，并不不会立即建立数据库连接，连接会在需要时被延迟建立。

在 sql.DB 结构体中，我们需要关注的是 openerCh 属性，这是一个 Channel 对象，是一个用来保存连接请求的队列，稍后我们将见到它的关键作用。

db 对象创建后，通过 go db.connectionOpener(ctx) 单独启用了一个协程，用来处理建立连接的请求。

函数最终返回了这个 *sql.DB 类型的 db 对象，此对象是并发安全的，支持多个 Goroutine 同时操作，并且维护了自己的空闲连接池。

OpenDB 函数只应被调用一次，且很少需要用户主动关闭连接。

db.connectionOpener 方法实现如下：

func (db *DB) connectionOpener(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			return
		case <-db.openerCh:
			db.openNewConnection(ctx)
		}
	}


}

这里仅包含一个永不退出的无限循环，当 db.openerCh 这个 Channel 有值时，代码会进入 db.openNewConnection 函数的调用。

func (db *DB) openNewConnection(ctx context.Context) {
	ci, err := db.connector.Connect(ctx)
	...
	dc := &driverConn{
		db:         db,
		createdAt:  nowFunc(),
		returnedAt: nowFunc(),
		ci:         ci,
	}


	if db.putConnDBLocked(dc, err) {
		db.addDepLocked(dc, dc)
	}
	...
}

在 db.openNewConnection 函数的第一行代码中，db.connector 属性是在之前调用 OpenDB 时进行赋值的一个 driver.Connector 接口类型对象（还记得前文讲的 dsnConnector 吗），调用它的 Connect 方法就可以与数据库建立连接了。

之后调用的 db.putConnDBLocked(dc, err) 方法作用是将这个连接放入数据库空闲连接池中（db.freeConn 属性）。

至此，我们得到了两条函数调用线：

在驱动包 go-sql-driver/mysql 中，通过 sql.Register 进行驱动程序注册。

在 database/sql 中，我们调用 sql.OpenDB 来开启数据库连接，这不会立刻建立连接，而是通过开启新的 Goroutine 阻塞在 db.openerCh Channel 上，等待建立连接请求。

那么接下来，何时触发 *sql.DB.connectionOpener 函数中 <-db.openerCh 这个 case，就是我们要研究的重点了。

我们可以顺着示例代码继续往下看。

在示例中，接下来使用 db.Query("SELECT id, name FROM user") 方法来查询 user 记录。

*sql.DB.Query 方法定义如下：

func (db *DB) Query(query string, args ...any) (*Rows, error) {
	return db.QueryContext(context.Background(), query, args...)
}

它直接调用了 *sql.DB.QueryContext：

func (db *DB) QueryContext(ctx context.Context, query string, args ...any) (*Rows, error) {

	var rows *Rows

	var err error




	err = db.retry(func(strategy connReuseStrategy) error {

		rows, err = db.query(ctx, query, args, strategy)

		return err

	})






	return rows, err

}

*sql.DB.QueryContext 方法内部又调用了 db.query 方法：

func (db *DB) query(ctx context.Context, query string, args []any, strategy connReuseStrategy) (*Rows, error) {
	dc, err := db.conn(ctx, strategy)
	if err != nil {
		return nil, err
	}


	return db.queryDC(ctx, nil, dc, dc.releaseConn, query, args)
}

在 db.query 方法内部，首先调用了 db.conn 方法。db.conn 顾名思义，就是用来建立数据库连接的，定义如下：

func (db *DB) conn(ctx context.Context, strategy connReuseStrategy) (*driverConn, error) {
	last := len(db.freeConn) - 1
	if strategy == cachedOrNewConn && last >= 0 {
		conn := db.freeConn[last]
		...
		return conn, nil
	}

	...
	ci, err := db.connector.Connect(ctx)
	if err != nil {
		db.mu.Lock()
		db.numOpen-- // correct for earlier optimism
		db.maybeOpenNewConnections()
		db.mu.Unlock()
		return nil, err
	}

	db.mu.Lock()
	dc := &driverConn{
		db:         db,
		createdAt:  nowFunc(),
		returnedAt: nowFunc(),
		ci:         ci,
		inUse:      true,
	}
	db.addDepLocked(dc, dc)
	db.mu.Unlock()
	return dc, nil
}

这里我省略了一些代码，只列出了比较重要的逻辑。

在函数内部，首先会尝试从 db.freeConn 空闲连接池中获取连接。

如果没有空闲连接，则调用 db.connector.Connect 来获取新的数据库连接。

当获取连接失败，会调用 db.maybeOpenNewConnections() 方法并返回错误。

这个 db.maybeOpenNewConnections() 方法是我们要关注的重点，定义如下：

func (db *DB) maybeOpenNewConnections() {
	numRequests := len(db.connRequests)
	if db.maxOpen > 0 {
		numCanOpen := db.maxOpen - db.numOpen
		if numRequests > numCanOpen {
			numRequests = numCanOpen
		}
	}

	for numRequests > 0 {
		db.numOpen++ // optimistically
		numRequests--
		if db.closed {
			return
		}
		db.openerCh <- struct{}{}
	}

}

可以发现，正是在这个方法内部，调用了 db.openerCh <- struct{}{} 为 Channel 发送数据。

当 db.openerCh 有值时，会被前文讲解的通过子协程调用的 *sql.DB.connectionOpener 函数消费，以此来触发异步获取数据库连接操作。

前文有提到，异步创建的数据库连接会被放入空闲连接池 db.freeConn 中。

此时，我们再次回到 db.query 方法被调用的地方，来重新审视下 *sql.DB.QueryContext 方法的定义：

func (db *DB) QueryContext(ctx context.Context, query string, args ...any) (*Rows, error) {

	var rows *Rows

	var err error




	err = db.retry(func(strategy connReuseStrategy) error {

		rows, err = db.query(ctx, query, args, strategy)

		return err

	})






	return rows, err

}

这里并不是简单的直接调用 db.query，而是将其放入了 db.retry 方法中调用。

顾名思义，db.retry 方法是用来进行重试操作的，如果 db.query 调用失败，则会重试一次。

这就体现了当调用 db.connector.Connect(ctx) 失败时，调用 db.maybeOpenNewConnections() 方法异步建立连接的意义。

因为如果第一次创建连接失败，则 db.retry 会进行重试，下次重试的时候，再次进入 db.conn 方法，如果异步建立连接已经完成，则可以直接从空闲连接池 db.freeConn 中获取数据库连接。即使异步建立连接来不及完成，那么空闲连接池也会有一个新的连接被创建，下次有另外一个请求进来，也能够从空闲连接池中获取连接。这个操作能够提升程序的性能。

至此，database/sql 包中 sql.Open 和 *sql.DB.Query 两条函数调用线，我们就搞清楚了：

这两条函数调用线通信的关键，就是 db.openerCh 所在。

现在，上图中 *sql.DB.Query 这条函数调用线我们唯独没有搞清楚的就只剩下 *sql.DB.queryDC 的调用了。

*sql.DB.queryDC 定义如下：

func (db *DB) queryDC(ctx, txctx context.Context, dc *driverConn, releaseConn func(error), query string, args []any) (*Rows, error) {
	queryerCtx, ok := dc.ci.(driver.QueryerContext)
	var queryer driver.Queryer
	if !ok {
		queryer, ok = dc.ci.(driver.Queryer)
	}
	if ok {
		var nvdargs []driver.NamedValue
		var rowsi driver.Rows
		var err error
		withLock(dc, func() {
			nvdargs, err = driverArgsConnLocked(dc.ci, nil, args)
			if err != nil {
				return
			}
			rowsi, err = ctxDriverQuery(ctx, queryerCtx, queryer, query, nvdargs)
		})
		...
	}
	...
}

这里断言了 *driverConn 中携带的查询对象是 driver.QueryerContext 还是 driver.Queryer，并将断言结果传递给 ctxDriverQuery 函数。

ctxDriverQuery 定义如下：

func ctxDriverQuery(ctx context.Context, queryerCtx driver.QueryerContext, queryer driver.Queryer, query string, nvdargs []driver.NamedValue) (driver.Rows, error) {
	if queryerCtx != nil {
		return queryerCtx.QueryContext(ctx, query, nvdargs)
	}
	dargs, err := namedValueToValue(nvdargs)
	if err != nil {
		return nil, err
	}






	select {
	default:
	case <-ctx.Done():
		return nil, ctx.Err()
	}


	return queryer.Query(query, dargs)
}

在 ctxDriverQuery 函数内部，根据查询对象类型的不同，调用了 queryerCtx.QueryContext 或 queryer.Query。

这个操作正是在调用驱动程序对应的 QueryContext 或 Query 方法。

不管是 driver.QueryerContext 还是 driver.Queryer，都是 database/sql/driver 中定义的接口类型，database/sql 内部正是通过使用接口类型，来实现跟驱动程序 go-sql-driver/mysql 的解耦。

这样，database/sql 不直接跟 go-sql-driver/mysql 中定义的具体类型打交道，二者通过 database/sql/driver 这个中间层来交互，这便是 Go 语言接口用法的精髓所在。

现在，我们的函数调用线路图就已经完整了。

总结

本文带大家一起学习了 database/sql 包的设计思想，database/sql/driver 用来定义定义驱动需要实现的接口，database/sql 则为用户提供了操作数据库的方法。

这里涉及了一个使用 init 函数的技巧，利用 init 函数的副作用，可以实现不改 database/sql 任何代码的情况下，只需要 import 驱动程序，就能注册驱动程序的所有功能。

通过一个简单的示例程序，我们一起阅读了 database/sql 包的部分源码，以 *sql.DB.Query 方法作为示例，查看了 database/sql 最终是在何处调用驱动程序对应方法的。抛砖引玉，如果你对其他方法源码也感兴趣，可以顺着我讲解的思路继续深入学习。

database/sql 包统一了 Go 语言操作数据库的编程接口，避免了操作不同数据库需要学习多套 API 的窘境。

记住，在 Go 语言中使用接口来解耦是惯用方法，你一定要掌握。未来我们讲解如何编写单元测试代码的时候，还会用到。

注意：本文讲解的 database/sql 包源码版本为 Go 1.20.1，其他版本可能有所不同。

希望此文能对你有所帮助。

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参考

• database/sql 源码：github.com/golang/go/t…
• MySQL Driver：github.com/go-sql-driv…
• 在 Go 中如何使用 database/sql 来操作数据库：jianghushinian.cn/2023/06/05/…