前言

當(dāng)實(shí)現(xiàn)具備實(shí)時(shí)性需求時(shí)，我們一般會(huì)選擇長(zhǎng)連接的通信方式

而在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)連接方式時(shí)，存在很多性能問(wèn)題，如 長(zhǎng)連接保活

今天，我將 手把手教大家實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的心跳保活機(jī)制，從而能高效維持長(zhǎng)連接

目錄

示意圖

1. 長(zhǎng)連接 介紹

1.1 簡(jiǎn)介

示意圖

1.2 作用

通過(guò) 長(zhǎng)時(shí)間保持雙方連接，從而：

提高通信速度

確保實(shí)時(shí)性

避免短時(shí)間內(nèi)重復(fù)連接所造成的信道資源 & 網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)

1.3 長(zhǎng)連接 與 短連接的區(qū)別

示意圖

2. 長(zhǎng)連接斷開(kāi)的原因

從上節(jié)可知，在長(zhǎng)連接的情況下，雙方的所有通信 都建立在1條長(zhǎng)連接上(1次TCP連接)；所以，長(zhǎng)連接 需要 持續(xù)保持雙方連接 才可使得雙方持續(xù)通信

可是，長(zhǎng)連接會(huì)存在斷開(kāi)的情況，而 斷開(kāi)原因 主要是：

長(zhǎng)連接所在進(jìn)程被殺死

NAT超時(shí)

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化

其他不可抗因素(網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差、DHCP的租期等等 )

下面，我將對(duì)每種原因進(jìn)行分析

原因1：進(jìn)程被殺死

當(dāng)進(jìn)程被殺死后，長(zhǎng)連接也會(huì)隨之?dāng)嚅_(kāi)

原因2：NAT 超時(shí)(重點(diǎn)關(guān)注)

NAT超時(shí)現(xiàn)象如下

示意圖

各運(yùn)營(yíng)商 & 地區(qū)的 NAT超時(shí)時(shí)間如下

示意圖

特別注意：排除其他外因(網(wǎng)絡(luò)切換、NAT超時(shí)、人為原因)，TCP長(zhǎng)連接在雙方都不斷開(kāi)連接的情況上，本質(zhì)上是不會(huì)自動(dòng)中斷的

即，不需要心跳包來(lái)維持

驗(yàn)證：讓2臺(tái)電腦連上同1個(gè)Wifi(其中1臺(tái)做服務(wù)器, 另1臺(tái)做客戶(hù)端連接服務(wù)器(無(wú)設(shè)置KeepAlive)；只要電腦、路由器不斷網(wǎng)斷電，那么，2臺(tái)電腦的長(zhǎng)連接是不會(huì)自動(dòng)中斷的。

原因3：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化

當(dāng)移動(dòng)客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)(如移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) & Wifi切換、斷開(kāi)、重連)，也會(huì)使長(zhǎng)連接斷開(kāi)

原因4：其他不可抗因素

如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差、DHCP的租期到期等等，都會(huì)使得長(zhǎng)連接發(fā)生 偶然的斷開(kāi)

DHCP的租期到期：對(duì)于 Android系統(tǒng)， DHCP到了租期后不會(huì)主動(dòng)續(xù)約 & 繼續(xù)使用過(guò)期IP,，從而導(dǎo)致長(zhǎng)連接 斷開(kāi)

3. 高效維持長(zhǎng)連接的解決方案

在了解長(zhǎng)連接斷開(kāi)原因后，針對(duì)對(duì)應(yīng)原因，此處給出 高效維持長(zhǎng)連接的解決方案

示意圖

為此，若需有效維持長(zhǎng)連接，則需要做到

示意圖

其實(shí)，說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)：高效維持長(zhǎng)連接的關(guān)鍵在于

保活：處于連接狀態(tài)時(shí)盡量不要斷

斷線(xiàn)重連：斷了之后繼續(xù)重連回來(lái)

解決方案1：進(jìn)程保活

整體概括如下：

示意圖

解決方案2：心跳保活機(jī)制

這是本文的重點(diǎn)，下節(jié)開(kāi)始會(huì)詳細(xì)解析

解決方案3：斷線(xiàn)重連機(jī)制

原理

檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化 & 判斷連接的有效性

具體實(shí)現(xiàn)

前者請(qǐng)參考文章：Android：檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)&監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)變化；后者主要存在于心跳保活機(jī)制，所以下面會(huì)在心跳保活機(jī)制中一起講解。

4. 心跳保活機(jī)制簡(jiǎn)介

心跳保活機(jī)制的整體介紹如下

示意圖

注：很多人容易混淆 心跳機(jī)制 & 輪詢(xún)機(jī)制，此處給出二者區(qū)別

示意圖

5. 主流心跳機(jī)制分析 & 對(duì)比

對(duì)國(guó)、內(nèi)外主流的移動(dòng)IM產(chǎn)品(WhatsApp、Line、微信)進(jìn)行了心跳機(jī)制的簡(jiǎn)單分析 & 對(duì)比，具體請(qǐng)看下圖

示意圖

6. 心跳機(jī)制方案 總體設(shè)計(jì)

下面，將根據(jù)市面上主流的心跳機(jī)制，設(shè)計(jì) 一套心跳機(jī)制方案

6.1 基本流程

示意圖

6.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的主要考慮因素 = 保證消息的實(shí)時(shí)性 & 耗費(fèi)設(shè)備的資源(網(wǎng)絡(luò)流量、電量、CPU等等)

從上圖可以看出，對(duì)于心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于

心跳包的規(guī)格(內(nèi)容 & 大小)

心跳發(fā)送的間隔時(shí)間

斷線(xiàn)重連機(jī)制 (核心 = 如何 判斷長(zhǎng)連接的有效性)

在下面的方案設(shè)計(jì)中，將針對(duì)這3個(gè)問(wèn)題給出詳細(xì)的解決方案。

7. 心跳機(jī)制方案 詳細(xì)設(shè)計(jì)

7.1 心跳包的規(guī)格

為了減少流量 & 提高發(fā)送效率，需要精簡(jiǎn)心跳包的設(shè)計(jì)

7.1.1 設(shè)計(jì)原則

主要從心跳包的內(nèi)容 & 大小入手，設(shè)計(jì)原則具體如下

示意圖

7.1.2 設(shè)計(jì)方案

心跳包 = 1個(gè)攜帶少量信息 & 大小在10字節(jié)內(nèi)的信息包

7.2 心跳發(fā)送的間隔時(shí)間

為了 防止NAT超時(shí) & 減少設(shè)備資源的消耗(網(wǎng)絡(luò)流量、電量、CPU等等)，心跳發(fā)送的間隔時(shí)間 是 整個(gè) 心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

7.2.1 設(shè)計(jì)原則

心跳發(fā)送間隔時(shí)間的設(shè)計(jì)原則如下

示意圖

7.2.2 設(shè)計(jì)方案

a. 最直接 & 常用方案

一般，最直接 & 常用的心跳發(fā)送間隔時(shí)間設(shè)置方案 ：每隔估計(jì) x 分鐘發(fā)送心跳包1次

即 選擇 ＜所有NAT超時(shí)時(shí)間最短(5分鐘)的時(shí)間 即可，綜合主流移動(dòng)IM產(chǎn)品，此處建議 x= 4分鐘

但是，這種方案存在一些問(wèn)題：

示意圖

下面，我將詳細(xì)講解 自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 的設(shè)計(jì)方案

b. 自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 設(shè)計(jì)方案

基本流程

示意圖

該方案需要解決的有2個(gè)核心問(wèn)題：

1.如何自適應(yīng)計(jì)算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近 當(dāng)前NAT 超時(shí)時(shí)間？

答：不斷增加心跳間隔時(shí)間進(jìn)行心跳應(yīng)答測(cè)試，直到心跳失敗5次后，即可找出最接近 當(dāng)前NAT 超時(shí)時(shí)間的心跳間隔時(shí)間。具體請(qǐng)看下圖：

示意圖

注：只有當(dāng)心跳間隔 接近 NAT 超時(shí)時(shí)間 時(shí)，才能最大化平衡 長(zhǎng)連接不中斷 & 設(shè)備資源消耗最低的問(wèn)題。

2.如何檢測(cè) 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT 超時(shí)時(shí)間 發(fā)生了變化 ？

答：當(dāng)前發(fā)送心跳包成功 的最大間隔時(shí)間(即最接近NAT超時(shí)時(shí)間的心跳間隔) 發(fā)送失敗5次后，則判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT 超時(shí)時(shí)間 發(fā)生了變化。具體請(qǐng)看下圖：

示意圖

注：在檢測(cè)到 NAT 超時(shí)時(shí)間 發(fā)生變化后，重新自適應(yīng)計(jì)算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近 NAT 超時(shí)時(shí)間

總結(jié)：統(tǒng)籌2個(gè)核心問(wèn)題，總結(jié)出自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 設(shè)計(jì)方案為下圖

示意圖

7.3 斷線(xiàn)重連機(jī)制

該機(jī)制的核心在于， 如何 判斷長(zhǎng)連接的有效性

即，什么情況下視為 長(zhǎng)連接 斷線(xiàn)？

7.3.1 設(shè)計(jì)原則

判斷長(zhǎng)連接是否有效的準(zhǔn)則 = 服務(wù)器是否返回心跳應(yīng)答

此處需要 分清：長(zhǎng)連接 存活 & 有效 狀態(tài)的區(qū)別：

示意圖

7.3.2 設(shè)計(jì)方案

基本思路

若連續(xù)5次發(fā)送心跳后，服務(wù)器都無(wú)心跳應(yīng)答，則視為長(zhǎng)連接無(wú)效

通過(guò)計(jì)數(shù)計(jì)算

判斷流程

示意圖

7.3.3 網(wǎng)上流傳的方案

在網(wǎng)上流傳著一些用于判斷長(zhǎng)連接是否有效的方案，具體介紹如下

示意圖

至此，關(guān)于心跳保活機(jī)制已經(jīng)講解完畢。

7.4 總結(jié)

設(shè)計(jì)方案

示意圖

流程設(shè)計(jì)

其中，標(biāo)識(shí) “灰色” 的判斷流程參考上文描述

示意圖

8. 優(yōu)化 & 完善

上面的方案依然會(huì)存在缺陷，從而導(dǎo)致 長(zhǎng)連接斷開(kāi)

如，長(zhǎng)連接本身不可用(此時(shí)重連多少次也沒(méi)用)

下面，將優(yōu)化 & 完善上述方案，從而保證 客戶(hù)端與服務(wù)器依然保持著通信狀態(tài)

優(yōu)化點(diǎn)

確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開(kāi)始長(zhǎng)連接

自適應(yīng)計(jì)算心跳包間隔時(shí)間的時(shí)機(jī)

8.1 確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開(kāi)始長(zhǎng)連接

問(wèn)題描述

示意圖

解決方案

示意圖

加入到原有 心跳保活機(jī)制 主流程

示意圖

8.2 自適應(yīng)計(jì)算心跳包間隔時(shí)間的時(shí)機(jī)

問(wèn)題描述

示意圖

方案設(shè)計(jì)

示意圖

加入到原有 心跳保活機(jī)制 主流程

示意圖

8.3 總結(jié)

示意圖

9. 額外說(shuō)明：TCP 協(xié)議自帶 KeepAlive 的機(jī)制 是否 可替代心跳機(jī)制

很多人認(rèn)為，TCP 協(xié)議自身就有KeepAlive機(jī)制，為何基于它的通訊鏈接，仍需 在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)額外的心跳保活機(jī)制？

9.1 回答

結(jié)論：無(wú)法替代

原因：TCP KeepAlive機(jī)制 的作用 是檢測(cè)連接的有無(wú)(死活)，但無(wú)法檢測(cè)連接是否有效。

“連接有效”的定義 = 雙方具備發(fā)送 & 接收消息的能力

9.2 KeepAlive 機(jī)制概述

先來(lái)看看KeepAlive 機(jī)制 是什么

示意圖

9.3 具體原因

KeepAlive 的機(jī)制 不可 替代心跳機(jī)制 的具體原因如下：

示意圖

9.4 特別注意

KeepAlive 機(jī)制只是操作系統(tǒng)底層的一個(gè)被動(dòng)機(jī)制，不應(yīng)該被上層應(yīng)用層使用

當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉一個(gè)由KeepAlive 機(jī)制檢查出來(lái)的死連接時(shí)，是不會(huì)主動(dòng)通知上層應(yīng)用的，只能通過(guò)調(diào)用相應(yīng)IO操作的返回值中發(fā)現(xiàn)

9.6 結(jié)論

KeepAlive機(jī)制無(wú)法代替心跳機(jī)制，需要在應(yīng)用層 自己實(shí)現(xiàn)心跳機(jī)制以檢測(cè)長(zhǎng)連接的有效性，從而高效維持長(zhǎng)連接

10. 實(shí)現(xiàn)方式

關(guān)于該心跳保活機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方案，可采用多種方案實(shí)現(xiàn)

在Android端，本人推薦使用 Rxjava，因?yàn)?#xff1a;基于事件流的鏈?zhǔn)秸{(diào)用 的使用方式 使得 復(fù)雜方案 實(shí)現(xiàn)得更加優(yōu)雅、邏輯簡(jiǎn)潔 & 使用簡(jiǎn)單

RxJava簡(jiǎn)介如下

示意圖

關(guān)于RxJava的使用，請(qǐng)看我系列文章：手把手帶你玩轉(zhuǎn)RxJava

11. 總結(jié)

看完本文后，相信在高效維持長(zhǎng)連接的需求下，你可以完美地解決了！(具體總結(jié)如下)

示意圖

下面我將繼續(xù)對(duì)Android中的其他代碼規(guī)范進(jìn)行深入講解 ，有興趣可以繼續(xù)關(guān)注Carson_Ho的安卓開(kāi)發(fā)筆記

請(qǐng)點(diǎn)贊！因?yàn)槟愕墓膭?lì)是我寫(xiě)作的最大動(dòng)力！

不定期分享關(guān)于安卓開(kāi)發(fā)的干貨，追求短、平、快，但卻不缺深度。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的android 心跳 简书,如何高效维持网络长连接：手把手教你实现 自适应的心跳保活机制...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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