探究Android客戶端網(wǎng)絡(luò)預(yù)連接優(yōu)化機制
對于一個普通的接口請求，通過charles抓包，查看網(wǎng)絡(luò)請求Timing欄信息，我們可以看到類似如下請求時長信息：
Duration 175 ms DNS 6 ms Connect 50 msTLS Handshake 75 ms Request 1 ms Response 1 ms Latency 42 ms同樣的請求，再來一次，時長信息如下所示：
Duration 39 ms DNS - Connect - TLS Handshake - Request 0 ms Response 0 ms Latency 39 ms我們發(fā)現(xiàn)，整體網(wǎng)絡(luò)請求時間從175ms降低到了39ms。其中DNS，Connect，TLS Handshake 后面是個橫線，表示沒有時長信息，于是整體請求時長極大的降低了。這就是Http(s)的連接復(fù)用的效果。那么問題來了，什么是連接復(fù)用，為什么它能降低請求時間？
在解決這個疑問之前，我們先來看看一個網(wǎng)絡(luò)請求發(fā)起，到收到返回的數(shù)據(jù)，這中間發(fā)生了什么？
客戶端發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求 通過DNS服務(wù)解析域名，獲取服務(wù)器IP （基于UDP協(xié)議的DNS解析） 建立TCP連接（3次握手） 建立TLS連接（https才會用到） 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求request 服務(wù)器接收request，構(gòu)造并返回response TCP連接關(guān)閉（4次揮手）上面的連接復(fù)用直接讓上面2,3,4步都不需要走了。這中間省掉的時長應(yīng)該怎么算？如果我們定義網(wǎng)絡(luò)請求一次發(fā)起與收到響應(yīng)的一個來回（一次通信來回）作為一個RTT（Round-trip delay time）。
1）DNS默認(rèn)基于UDP協(xié)議，解析最少需要1-RTT;
2）建立TCP連接，3次握手，需要2-RTT;
3）建立TLS連接，根據(jù)TLS版本不同有區(qū)別，常見的TLS1.2需要2-RTT。
Client Server
ClientHello -------->
ServerHello
Certificate*
ServerKeyExchange*
CertificateRequest*
<-------- ServerHelloDone
Certificate*
ClientKeyExchange
CertificateVerify*
[ChangeCipherSpec]
Finished -------->
[ChangeCipherSpec]
<-------- Finished
Application Data <-------> Application Data
TLS 1.2握手流程（來自 RFC 5246）
注：TLS1.3版本相比TLS1.2，支持0-RTT數(shù)據(jù)傳輸（可選，一般是1-RTT），但目前支持率比較低，用的很少。
http1.0版本，每次http請求都需要建立一個tcp socket連接，請求完成后關(guān)閉連接。前置建立連接過程可能就會額外花費4-RTT，性能低下。
http1.1版本開始，http連接默認(rèn)就是持久連接，可以復(fù)用，通過在報文頭部中加上Connection:Close來關(guān)閉連接 。如果并行有多個請求，可能還是需要建立多個連接，當(dāng)然我們也可以在同一個TCP連接上傳輸，這種情況下，服務(wù)端必須按照客戶端請求的先后順序依次回送結(jié)果。
注：http1.1默認(rèn)所有的連接都進(jìn)行了復(fù)用。然而空閑的持久連接也可以隨時被客戶端與服務(wù)端關(guān)閉。不發(fā)送Connection:Close不意味著服務(wù)器承諾連接永遠(yuǎn)保持打開。
http2 更進(jìn)一步，支持二進(jìn)制分幀，實現(xiàn)TCP連接的多路復(fù)用，不再需要與服務(wù)端建立多個TCP連接了，同域名的多個請求可以并行進(jìn)行。
還有個容易被忽視的是，TCP有擁塞控制，建立連接后有慢啟動過程（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況一點一點的提高發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，前面是指數(shù)級增長，后面變成線性），復(fù)用連接可以避免這個慢啟動過程，快速發(fā)包。
二、預(yù)連接實現(xiàn)客戶端常用的網(wǎng)絡(luò)請求框架如OkHttp等，都能完整支持http1.1與HTTP2的功能，也就支持連接復(fù)用。了解了這個連接復(fù)用機制優(yōu)勢，那我們就可以利用起來，比如在APP閃屏等待的時候，就預(yù)先建立首頁詳情頁等關(guān)鍵頁面多個域名的連接，這樣我們進(jìn)入相應(yīng)頁面后可以更快的獲取到網(wǎng)絡(luò)請求結(jié)果，給予用戶更好體驗。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境偏差的情況下，這種預(yù)連接理論上會有更好的效果。
具體如何實現(xiàn)？
第一反應(yīng)，我們可以簡單的對域名鏈接提前發(fā)起一個HEAD請求（沒有body可以省流量），這樣就能提前建立好連接，下次同域名的請求就可以直接復(fù)用，實現(xiàn)起來也是簡單方便。于是寫了個demo，試了個簡單接口，完美，粗略統(tǒng)計首次請求速度可以提升40%以上。
于是在游戲中心App啟動Activity中加入了預(yù)連接相關(guān)邏輯，跑起來試了下，竟然沒效果...
抓包分析，發(fā)現(xiàn)連接并沒有復(fù)用，每次進(jìn)去詳情頁后都重新創(chuàng)建了連接，預(yù)連接可能只是省掉了DNS解析時間，demo上的效果無法復(fù)現(xiàn)。看樣子分析OkHttp連接復(fù)用相關(guān)源碼是跑不掉了。
三、源碼分析OKHttp通過幾個默認(rèn)的Interceptor用于處理網(wǎng)絡(luò)請求相關(guān)邏輯，建立連接在ConnectInterceptor類中；
public final class ConnectInterceptor implements Interceptor { @Override public Response intercept(Chain chain) throws IOException { RealInterceptorChain realChain = (RealInterceptorChain) chain; Request request = realChain.request(); StreamAllocation streamAllocation = realChain.streamAllocation(); // We need the network to satisfy this request. Possibly for validating a conditional GET. boolean doExtensiveHealthChecks = !request.method().equals('GET'); HttpCodec httpCodec = streamAllocation.newStream(client, chain, doExtensiveHealthChecks); RealConnection connection = streamAllocation.connection(); return realChain.proceed(request, streamAllocation, httpCodec, connection); }}
RealConnection即為后面使用的connection，connection生成相關(guān)邏輯在StreamAllocation類中；
public HttpCodec newStream( OkHttpClient client, Interceptor.Chain chain, boolean doExtensiveHealthChecks) { ... RealConnection resultConnection = findHealthyConnection(connectTimeout, readTimeout,writeTimeout, pingIntervalMillis, connectionRetryEnabled, doExtensiveHealthChecks); HttpCodec resultCodec = resultConnection.newCodec(client, chain, this); ...}private RealConnection findHealthyConnection(int connectTimeout, int readTimeout, int writeTimeout, int pingIntervalMillis, boolean connectionRetryEnabled, boolean doExtensiveHealthChecks) throws IOException { while (true) { RealConnection candidate = findConnection(connectTimeout, readTimeout, writeTimeout, pingIntervalMillis, connectionRetryEnabled); ... return candidate; }} /** * Returns a connection to host a new stream. This prefers the existing connection if it exists, * then the pool, finally building a new connection. */ private RealConnection findConnection(int connectTimeout, int readTimeout, int writeTimeout, int pingIntervalMillis, boolean connectionRetryEnabled) throws IOException { ...// 嘗試從connectionPool中獲取可用connection Internal.instance.acquire(connectionPool, address, this, null); if (connection != null) { foundPooledConnection = true; result = connection; } else { selectedRoute = route; } ... if (!foundPooledConnection) { ... // 如果最終沒有可復(fù)用的connection，則創(chuàng)建一個新的result = new RealConnection(connectionPool, selectedRoute); } ...}
這些源碼都是基于okhttp3.13版本的代碼，3.14版本開始這些邏輯有修改。
StreamAllocation類中最終獲取connection是在findConnection方法中，優(yōu)先復(fù)用已有連接，沒可用的才新建立連接。獲取可復(fù)用的連接是在ConnectionPool類中；
/** * Manages reuse of HTTP and HTTP/2 connections for reduced network latency. HTTP requests that * share the same {@link Address} may share a {@link Connection}. This class implements the policy * of which connections to keep open for future use. */public final class ConnectionPool { private final Runnable cleanupRunnable = () -> { while (true) { long waitNanos = cleanup(System.nanoTime()); if (waitNanos == -1) return; if (waitNanos > 0) {long waitMillis = waitNanos / 1000000L;waitNanos -= (waitMillis * 1000000L);synchronized (ConnectionPool.this) { try { ConnectionPool.this.wait(waitMillis, (int) waitNanos); } catch (InterruptedException ignored) { }} } } }; // 用一個隊列保存當(dāng)前的連接 private final Deque<RealConnection> connections = new ArrayDeque<>(); /** * Create a new connection pool with tuning parameters appropriate for a single-user application. * The tuning parameters in this pool are subject to change in future OkHttp releases. Currently * this pool holds up to 5 idle connections which will be evicted after 5 minutes of inactivity. */ public ConnectionPool() { this(5, 5, TimeUnit.MINUTES); } public ConnectionPool(int maxIdleConnections, long keepAliveDuration, TimeUnit timeUnit) { ... } void acquire(Address address, StreamAllocation streamAllocation, @Nullable Route route) { assert (Thread.holdsLock(this)); for (RealConnection connection : connections) { if (connection.isEligible(address, route)) {streamAllocation.acquire(connection, true);return; } } }
由上面源碼可知，ConnectionPool默認(rèn)最大維持5個空閑的connection，每個空閑connection5分鐘后自動釋放。如果connection數(shù)量超過最大數(shù)5個，則會移除最舊的空閑connection。
最終判斷空閑的connection是否匹配，是在RealConnection的isEligible方法中；
/** * Returns true if this connection can carry a stream allocation to {@code address}. If non-null * {@code route} is the resolved route for a connection. */ public boolean isEligible(Address address, @Nullable Route route) { // If this connection is not accepting new streams, we’re done. if (allocations.size() >= allocationLimit || noNewStreams) return false; // If the non-host fields of the address don’t overlap, we’re done. if (!Internal.instance.equalsNonHost(this.route.address(), address)) return false; // If the host exactly matches, we’re done: this connection can carry the address. if (address.url().host().equals(this.route().address().url().host())) { return true; // This connection is a perfect match. } // At this point we don’t have a hostname match. But we still be able to carry the request if // our connection coalescing requirements are met. See also: // https://hpbn.co/optimizing-application-delivery/#eliminate-domain-sharding // https://daniel.haxx.se/blog/2016/08/18/http2-connection-coalescing/ // 1. This connection must be HTTP/2. if (http2Connection == null) return false; // 2. The routes must share an IP address. This requires us to have a DNS address for both // hosts, which only happens after route planning. We can’t coalesce connections that use a // proxy, since proxies don’t tell us the origin server’s IP address. if (route == null) return false; if (route.proxy().type() != Proxy.Type.DIRECT) return false; if (this.route.proxy().type() != Proxy.Type.DIRECT) return false; if (!this.route.socketAddress().equals(route.socketAddress())) return false; // 3. This connection’s server certificate’s must cover the new host. if (route.address().hostnameVerifier() != OkHostnameVerifier.INSTANCE) return false; if (!supportsUrl(address.url())) return false; // 4. Certificate pinning must match the host. try { address.certificatePinner().check(address.url().host(), handshake().peerCertificates()); } catch (SSLPeerUnverifiedException e) { return false; } return true; // The caller’s address can be carried by this connection. }
這塊代碼比較直白，簡單解釋下比較條件：
如果該connection已達(dá)到承載的流上限（即一個connection可以承載幾個請求，http1默認(rèn)是1個，http2默認(rèn)是Int最大值）則不符合；
如果2個Address除Host之外的屬性有不匹配，則不符合（如果2個請求用的okhttpClient不同，復(fù)寫了某些重要屬性，或者服務(wù)端端口等屬性不一樣，那都不允許復(fù)用）；
如果host相同，則符合，直接返回true（其它字段已經(jīng)在上一條比較了）；
如果是http2，則判斷無代理、服務(wù)器IP相同、證書相同等條件，如果都符合也返回true；
整體看下來，出問題的地方應(yīng)該就是ConnectionPool 的隊列容量太小導(dǎo)致的。游戲中心業(yè)務(wù)復(fù)雜，進(jìn)入首頁后，觸發(fā)了很多接口請求，導(dǎo)致連接池直接被占滿，于是在啟動頁做好的預(yù)連接被釋放了。通過調(diào)試驗證了下，進(jìn)入詳情頁時，ConnectionPool中的確已經(jīng)沒有之前預(yù)連接的connection了。
四、優(yōu)化在http1.1中，瀏覽器一般都是限定一個域名最多保留5個左右的空閑連接。然而okhttp的連接池并沒有區(qū)分域名，整體只做了默認(rèn)最大5個空閑連接，如果APP中不同功能模塊涉及到了多個域名，那這默認(rèn)的5個空閑連接肯定是不夠用的。有2個修改思路：
重寫ConnectionPool，將連接池改為根據(jù)域名來限定數(shù)量，這樣可以完美解決問題。然而OkHttp的ConnectionPool是final類型的，無法直接重寫里面邏輯，另外OkHttp不同版本上，ConnectionPool邏輯也有區(qū)別，如果考慮在編譯過程中使用ASM等字節(jié)碼編寫技術(shù)來實現(xiàn)，成本很大，風(fēng)險很高。 直接調(diào)大連接池數(shù)量和超時時間。這個簡單有效，可以根據(jù)自己業(yè)務(wù)情況適當(dāng)調(diào)大這個連接池最大數(shù)量，在構(gòu)建OkHttpClient的時候就可以傳入這個自定義的ConnectionPool對象。我們直接選定了方案2。
五、問答1、如何確認(rèn)連接池最大數(shù)量值？
這個數(shù)量值有2個參數(shù)作為參考：頁面最大同時請求數(shù)，App總的域名數(shù)。也可以簡單設(shè)定一個很大的值，然后進(jìn)入APP后，將各個主要頁面都點一遍，看看當(dāng)前ConnectionPool中留存的connection數(shù)量，適當(dāng)做一下調(diào)整即可。
2、調(diào)大了連接池會不會導(dǎo)致內(nèi)存占用過多？
經(jīng)測試：將connectionPool最大值調(diào)成50，在一個頁面上，用了13個域名鏈接，總共重復(fù)4次，也就是一次發(fā)起52個請求之后，ConnectionPool中留存的空閑connection平均22.5個，占用內(nèi)存為97Kb，ConnectionPool中平均每多一個connection會占用4.3Kb內(nèi)存。
3、調(diào)大了連接池會影響到服務(wù)器嗎？
理論上是不會的。連接是雙向的，即使客戶端將connection一直保留，服務(wù)端也會根據(jù)實際連接數(shù)量和時長調(diào)整，自動關(guān)閉連接的。比如服務(wù)端常用的nginx就可以自行設(shè)定最大保留的connection數(shù)量，超時也會自動關(guān)閉舊連接。因此如果服務(wù)器定義的最大連接數(shù)和超時時間比較小，可能我們的預(yù)連接會無效，因為連接被服務(wù)端關(guān)閉了。
用charles可以看到這種連接被服務(wù)端關(guān)閉的效果：TLS大類中Session Resumed里面看到復(fù)用信息。
這種情況下，客戶端會重新建立連接，會有tcp和tls連接時長信息。
4、預(yù)連接會不會導(dǎo)致服務(wù)器壓力過大？
由于進(jìn)入啟動頁就發(fā)起了網(wǎng)絡(luò)請求進(jìn)行預(yù)連接，接口請求數(shù)增多了，服務(wù)器肯定會有影響，具體需要根據(jù)自己業(yè)務(wù)以及服務(wù)器壓力來判斷是否進(jìn)行預(yù)連接。
5、如何最大化預(yù)連接效果？
由上面第3點問題可知，我們的效果實際是和服務(wù)器配置息息相關(guān)，此問題涉及到服務(wù)器的調(diào)優(yōu)。
服務(wù)器如果將連接超時設(shè)置的很小或關(guān)閉，那可能每次請求都需要重新建立連接，這樣服務(wù)器在高并發(fā)的時候會因為不斷創(chuàng)建和銷毀TCP連接而消耗很多資源，造成大量資源浪費。
服務(wù)器如果將連接超時設(shè)置的很大，那會由于連接長時間未釋放，導(dǎo)致服務(wù)器服務(wù)的并發(fā)數(shù)受到影響，如果超過最大連接數(shù)，新的請求可能會失敗。
可以考慮根據(jù)客戶端用戶訪問到預(yù)連接接口平均用時來調(diào)節(jié)。比如游戲中心詳情頁接口預(yù)連接，那可以統(tǒng)計一下用戶從首頁平均瀏覽多長時間才會進(jìn)入到詳情頁，根據(jù)這個時長和服務(wù)器負(fù)載情況來適當(dāng)調(diào)節(jié)。
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