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一、背景
HTTP協議是無狀態的協議，即每一次請求都是互相獨立的。因此它的最初實現是，每一個http請求都會開啟一個tcp socket連線，當互動完畢後會關閉這個連線。
HTTP協議是全雙工的協議，所以建立連線與斷開連線是要經過三次握手與四次揮手的。顯然在這種設計中，每次傳送Http請求都會消耗很多的額外資源，即連線的建立與銷燬。
於是，HTTP協議的也進行了發展，通過持久連線的方法來進行socket連線複用。
從圖中可以看到：
- 在序列連線中，每次互動都要開啟關閉連線
- 在持久連線中，第一次互動會開啟連線，互動結束後連線並不關閉，下次互動就省去了建立連線的過程。
持久連線的實現有兩種：HTTP/1.0+的keep-alive與HTTP/1.1的持久連線。
二、HTTP/1.0+的Keep-Alive
從1996年開始，很多HTTP/1.0瀏覽器與伺服器都對協議進行了擴充套件，那就是“keep-alive”擴充套件協議。
注意，這個擴充套件協議是作為1.0的補充的“實驗型持久連線”出現的。keep-alive已經不再使用了，最新的HTTP/1.1規範中也沒有對它進行說明，只是很多應用延續了下來。
使用HTTP/1.0的客戶端在首部中加上"Connection:Keep-Alive"，請求服務端將一條連線保持在開啟狀態。服務端如果願意將這條連線保持在開啟狀態，就會在響應中包含同樣的首部。如果響應中沒有包含"Connection:Keep-Alive"首部，則客戶端會認為服務端不支援keep-alive，會在傳送完響應報文之後關閉掉當前連線。
通過keep-alive補充協議，客戶端與伺服器之間完成了持久連線，然而仍然存在著一些問題：
- 在HTTP/1.0中keep-alive不是標準協議，客戶端必須傳送Connection:Keep-Alive來啟用keep-alive連線。
- 代理伺服器可能無法支援keep-alive，因為一些代理是"盲中繼"，無法理解首部的含義，只是將首部逐跳轉發。所以可能造成客戶端與服務端都保持了連線，但是代理不接受該連線上的資料。
三、HTTP/1.1的持久連線
HTTP/1.1採取持久連線的方式替代了Keep-Alive。
HTTP/1.1的連線預設情況下都是持久連線。如果要顯式關閉，需要在報文中加上Connection:Close首部。即在HTTP/1.1中，所有的連線都進行了複用。
然而如同Keep-Alive一樣，空閒的持久連線也可以隨時被客戶端與服務端關閉。不傳送Connection:Close不意味著伺服器承諾連線永遠保持開啟。
四、HttpClient如何生成持久連線
HttpClien中使用了連線池來管理持有連線，同一條TCP鏈路上，連線是可以複用的。HttpClient通過連線池的方式進行連線持久化。
其實“池”技術是一種通用的設計，其設計思想並不複雜：
- 當有連線第一次使用的時候建立連線
- 結束時對應連線不關閉，歸還到池中
- 下次同個目的的連線可從池中獲取一個可用連線
- 定期清理過期連線
所有的連線池都是這個思路，不過我們看HttpClient原始碼主要關注兩點：
- 連線池的具體設計方案，以供以後自定義連線池參考
- 如何與HTTP協議對應上，即理論抽象轉為程式碼的實現
4.1 HttpClient連線池的實現
HttpClient關於持久連線的處理在下面的程式碼中可以集中體現，下面從MainClientExec摘取了和連線池相關的部分，去掉了其他部分：
public class MainClientExec implements ClientExecChain {
@Override
public CloseableHttpResponse execute(
final HttpRoute route,
final HttpRequestWrapper request,
final HttpClientContext context,
final HttpExecutionAware execAware) throws IOException, HttpException {
//從連線管理器HttpClientConnectionManager中獲取一個連線請求ConnectionRequest
final ConnectionRequest connRequest = connManager.requestConnection(route, userToken);final HttpClientConnection managedConn;
final int timeout = config.getConnectionRequestTimeout(); //從連線請求ConnectionRequest中獲取一個被管理的連線HttpClientConnection
managedConn = connRequest.get(timeout > 0 ? timeout : 0, TimeUnit.MILLISECONDS);
//將連線管理器HttpClientConnectionManager與被管理的連線HttpClientConnection交給一個ConnectionHolder持有
final ConnectionHolder connHolder = new ConnectionHolder(this.log, this.connManager, managedConn);
try {
HttpResponse response;
if (!managedConn.isOpen()) { //如果當前被管理的連線不是出於開啟狀態，需要重新建立連線
establishRoute(proxyAuthState, managedConn, route, request, context);
}
//通過連線HttpClientConnection傳送請求
response = requestExecutor.execute(request, managedConn, context);
//通過連線重用策略判斷是否連線可重用
if (reuseStrategy.keepAlive(response, context)) {
//獲得連線有效期
final long duration = keepAliveStrategy.getKeepAliveDuration(response, context);
//設定連線有效期
connHolder.setValidFor(duration, TimeUnit.MILLISECONDS); //將當前連線標記為可重用狀態
connHolder.markReusable();
} else {
connHolder.markNonReusable();
}
}
final HttpEntity entity = response.getEntity();
if (entity == null || !entity.isStreaming()) {
//將當前連線釋放到池中，供下次呼叫
connHolder.releaseConnection();
return new HttpResponseProxy(response, null);
} else {
return new HttpResponseProxy(response, connHolder);
}
}複製程式碼這裡看到了在Http請求過程中對連線的處理是和協議規範是一致的，這裡要展開講一下具體實現。
PoolingHttpClientConnectionManager是HttpClient預設的連線管理器，首先通過requestConnection()獲得一個連線的請求，注意這裡不是連線。
public ConnectionRequest requestConnection(
final HttpRoute route,
final Object state) {final Future<CPoolEntry> future = this.pool.lease(route, state, null);
return new ConnectionRequest() {
@Override
public boolean cancel() {
return future.cancel(true);
}
@Override
public HttpClientConnection get(
final long timeout,
final TimeUnit tunit) throws InterruptedException, ExecutionException, ConnectionPoolTimeoutException {
final HttpClientConnection conn = leaseConnection(future, timeout, tunit);
if (conn.isOpen()) {
final HttpHost host;
if (route.getProxyHost() != null) {
host = route.getProxyHost();
} else {
host = route.getTargetHost();
}
final SocketConfig socketConfig = resolveSocketConfig(host);
conn.setSocketTimeout(socketConfig.getSoTimeout());
}
return conn;
}
};
}複製程式碼可以看到返回的ConnectionRequest物件實際上是一個持有了Future<CPoolEntry>，CPoolEntry是被連線池管理的真正連線例項。
從上面的程式碼我們應該關注的是：
- Future<CPoolEntry> future = this.pool.lease(route, state, null)
- 如何從連線池CPool中獲得一個非同步的連線，Future<CPoolEntry>
- HttpClientConnection conn = leaseConnection(future, timeout, tunit)
- 如何通過非同步連線Future<CPoolEntry>獲得一個真正的連線HttpClientConnection
4.2 Future
看一下CPool是如何釋放一個Future<CPoolEntry>的，AbstractConnPool核心程式碼如下：
private E getPoolEntryBlocking(
final T route, final Object state,
final long timeout, final TimeUnit tunit,
final Future<E> future) throws IOException, InterruptedException, TimeoutException {
//首先對當前連線池加鎖，當前鎖是可重入鎖ReentrantLockthis.lock.lock();
try { //獲得一個當前HttpRoute對應的連線池，對於HttpClient的連線池而言，總池有個大小，每個route對應的連線也是個池，所以是“池中池”
final RouteSpecificPool<T, C, E> pool = getPool(route);
E entry;
for (;;) {
Asserts.check(!this.isShutDown, "Connection pool shut down"); //死迴圈獲得連線
for (;;) { //從route對應的池中拿連線，可能是null，也可能是有效連線
entry = pool.getFree(state); //如果拿到null，就退出迴圈
if (entry == null) {
break;
} //如果拿到過期連線或者已關閉連線，就釋放資源，繼續迴圈獲取
if (entry.isExpired(System.currentTimeMillis())) {
entry.close();
}
if (entry.isClosed()) {
this.available.remove(entry);
pool.free(entry, false);
} else { //如果拿到有效連線就退出迴圈
break;
}
} //拿到有效連線就退出
if (entry != null) {
this.available.remove(entry);
this.leased.add(entry);
onReuse(entry);
return entry;
}
//到這裡證明沒有拿到有效連線，需要自己生成一個
final int maxPerRoute = getMax(route);
//每個route對應的連線最大數量是可配置的，如果超過了，就需要通過LRU清理掉一些連線
final int excess = Math.max(0, pool.getAllocatedCount() + 1 - maxPerRoute);
if (excess > 0) {
for (int i = 0; i < excess; i++) {
final E lastUsed = pool.getLastUsed();
if (lastUsed == null) {
break;
}
lastUsed.close();
this.available.remove(lastUsed);
pool.remove(lastUsed);
}
}
//當前route池中的連線數，沒有達到上線
if (pool.getAllocatedCount() < maxPerRoute) {
final int totalUsed = this.leased.size();
final int freeCapacity = Math.max(this.maxTotal - totalUsed, 0); //判斷連線池是否超過上線，如果超過了，需要通過LRU清理掉一些連線
if (freeCapacity > 0) {
final int totalAvailable = this.available.size(); //如果空閒連線數已經大於剩餘可用空間，則需要清理下空閒連線
if (totalAvailable > freeCapacity - 1) {
if (!this.available.isEmpty()) {
final E lastUsed = this.available.removeLast();
lastUsed.close();
final RouteSpecificPool<T, C, E> otherpool = getPool(lastUsed.getRoute());
otherpool.remove(lastUsed);
}
} //根據route建立一個連線
final C conn = this.connFactory.create(route); //將這個連線放入route對應的“小池”中
entry = pool.add(conn); //將這個連線放入“大池”中
this.leased.add(entry);
return entry;
}
}
//到這裡證明沒有從獲得route池中獲得有效連線，並且想要自己建立連線時當前route連線池已經到達最大值，即已經有連線在使用，但是對當前執行緒不可用
boolean success = false;
try {
if (future.isCancelled()) {
throw new InterruptedException("Operation interrupted");
} //將future放入route池中等待
pool.queue(future); //將future放入大連線池中等待
this.pending.add(future); //如果等待到了訊號量的通知,success為true
if (deadline != null) {
success = this.condition.awaitUntil(deadline);
} else {
this.condition.await();
success = true;
}
if (future.isCancelled()) {
throw new InterruptedException("Operation interrupted");
}
} finally {
//從等待佇列中移除
pool.unqueue(future);
this.pending.remove(future);
}
//如果沒有等到訊號量通知並且當前時間已經超時，則退出迴圈
if (!success && (deadline != null && deadline.getTime() <= System.currentTimeMillis())) {
break;
}
} //最終也沒有等到訊號量通知，沒有拿到可用連線，則拋異常
throw new TimeoutException("Timeout waiting for connection");
} finally { //釋放對大連線池的鎖
this.lock.unlock();
}
}複製程式碼上面的程式碼邏輯有幾個重要點：
- 連線池有個最大連線數，每個route對應一個小連線池，也有個最大連線數
- 不論是大連線池還是小連線池，當超過數量的時候，都要通過LRU釋放一些連線
- 如果拿到了可用連線，則返回給上層使用
- 如果沒有拿到可用連線，HttpClient會判斷當前route連線池是否已經超過了最大數量，沒有到上限就會新建一個連線，並放入池中
- 如果到達了上限，就排隊等待，等到了訊號量，就重新獲得一次，等待不到就拋超時異常
- 通過執行緒池獲取連線要通過ReetrantLock加鎖，保證執行緒安全
到這裡為止，程式已經拿到了一個可用的CPoolEntry例項，或者拋異常終止了程式。
4.3 HttpClientConnection
protected HttpClientConnection leaseConnection(
final Future<CPoolEntry> future,
final long timeout,
final TimeUnit tunit) throws InterruptedException, ExecutionException, ConnectionPoolTimeoutException {
final CPoolEntry entry;
try { //從非同步操作Future<CPoolEntry>中獲得CPoolEntry
entry = future.get(timeout, tunit);
if (entry == null || future.isCancelled()) {
throw new InterruptedException();
}
Asserts.check(entry.getConnection() != null, "Pool entry with no connection");
if (this.log.isDebugEnabled()) {
this.log.debug("Connection leased: " + format(entry) + formatStats(entry.getRoute()));
} //獲得一個CPoolEntry的代理物件，對其操作都是使用同一個底層的HttpClientConnection
return CPoolProxy.newProxy(entry);
} catch (final TimeoutException ex) {
throw new ConnectionPoolTimeoutException("Timeout waiting for connection from pool");
}
}複製程式碼五、HttpClient如何複用持久連線？
在上一章中，我們看到了HttpClient通過連線池來獲得連線，當需要使用連線的時候從池中獲得。
對應著第三章的問題：
- 當有連線第一次使用的時候建立連線
- 結束時對應連線不關閉，歸還到池中
- 下次同個目的的連線可從池中獲取一個可用連線
- 定期清理過期連線
我們在第四章中看到了HttpClient是如何處理1、3的問題的，那麼第2個問題是怎麼處理的呢？
即HttpClient如何判斷一個連線在使用完畢後是要關閉，還是要放入池中供他人複用？再看一下MainClientExec的程式碼
//傳送Http連線 response = requestExecutor.execute(request, managedConn, context);
//根據重用策略判斷當前連線是否要複用
if (reuseStrategy.keepAlive(response, context)) {
//需要複用的連線，獲取連線超時時間，以response中的timeout為準
final long duration = keepAliveStrategy.getKeepAliveDuration(response, context);
if (this.log.isDebugEnabled()) {
final String s; //timeout的是毫秒數，如果沒有設定則為-1，即沒有超時時間
if (duration > 0) {
s = "for " + duration + " " + TimeUnit.MILLISECONDS;
} else {
s = "indefinitely";
}
this.log.debug("Connection can be kept alive " + s);
} //設定超時時間，當請求結束時連線管理器會根據超時時間決定是關閉還是放回到池中
connHolder.setValidFor(duration, TimeUnit.MILLISECONDS);
//將連線標記為可重用 connHolder.markReusable();
} else { //將連線標記為不可重用
connHolder.markNonReusable();
}複製程式碼可以看到，當使用連線發生過請求之後，有連線重試策略來決定該連線是否要重用，如果要重用就會在結束後交給HttpClientConnectionManager放入池中。
那麼連線複用策略的邏輯是怎麼樣的呢？
public class DefaultClientConnectionReuseStrategy extends DefaultConnectionReuseStrategy {
public static final DefaultClientConnectionReuseStrategy INSTANCE = new DefaultClientConnectionReuseStrategy();
@Override
public boolean keepAlive(final HttpResponse response, final HttpContext context) {
//從上下文中拿到request
final HttpRequest request = (HttpRequest) context.getAttribute(HttpCoreContext.HTTP_REQUEST);
if (request != null) { //獲得Connection的Header
final Header[] connHeaders = request.getHeaders(HttpHeaders.CONNECTION);
if (connHeaders.length != 0) {
final TokenIterator ti = new BasicTokenIterator(new BasicHeaderIterator(connHeaders, null));
while (ti.hasNext()) {
final String token = ti.nextToken(); //如果包含Connection:Close首部，則代表請求不打算保持連線，會忽略response的意願，該頭部這是HTTP/1.1的規範
if (HTTP.CONN_CLOSE.equalsIgnoreCase(token)) {
return false;
}
}
}
} //使用父類的的複用策略
return super.keepAlive(response, context);
}
}複製程式碼看一下父類的複用策略
if (canResponseHaveBody(request, response)) {
final Header[] clhs = response.getHeaders(HTTP.CONTENT_LEN);
//如果reponse的Content-Length沒有正確設定，則不復用連線 //因為對於持久化連線，兩次傳輸之間不需要重新建立連線，則需要根據Content-Length確認內容屬於哪次請求，以正確處理“粘包”現象 //所以，沒有正確設定Content-Length的response連線不能複用
if (clhs.length == 1) {
final Header clh = clhs[0];
try {
final int contentLen = Integer.parseInt(clh.getValue());
if (contentLen < 0) {
return false;
}
} catch (final NumberFormatException ex) {
return false;
}
} else {
return false;
}
}
if (headerIterator.hasNext()) {
try {
final TokenIterator ti = new BasicTokenIterator(headerIterator);
boolean keepalive = false;
while (ti.hasNext()) {
final String token = ti.nextToken(); //如果response有Connection:Close首部，則明確表示要關閉，則不復用
if (HTTP.CONN_CLOSE.equalsIgnoreCase(token)) {
return false; //如果response有Connection:Keep-Alive首部，則明確表示要持久化，則複用
} else if (HTTP.CONN_KEEP_ALIVE.equalsIgnoreCase(token)) {
keepalive = true;
}
}
if (keepalive) {
return true;
}
} catch (final ParseException px) {
return false;
}
}
//如果response中沒有相關的Connection首部說明，則高於HTTP/1.0版本的都複用連線
return !ver.lessEquals(HttpVersion.HTTP_1_0);複製程式碼總結一下：
- 如果request首部中包含Connection:Close，不復用
- 如果response中Content-Length長度設定不正確，不復用
- 如果response首部包含Connection:Close，不復用
- 如果reponse首部包含Connection:Keep-Alive，複用
- 都沒命中的情況下，如果HTTP版本高於1.0則複用
從程式碼中可以看到，其實現策略與我們第二、三章協議層的約束是一致的。
六、HttpClient如何清理過期連線
在HttpClient4.4版本之前，在從連線池中獲取重用連線的時候會檢查下是否過期，過期則清理。
之後的版本則不同，會有一個單獨的執行緒來掃描連線池中的連線，發現有離最近一次使用超過設定的時間後，就會清理。預設的超時時間是2秒鐘。
public CloseableHttpClient build() { //如果指定了要清理過期連線與空閒連線，才會啟動清理執行緒，預設是不啟動的
if (evictExpiredConnections || evictIdleConnections) { //創造一個連線池的清理執行緒
final IdleConnectionEvictor connectionEvictor = new IdleConnectionEvictor(cm,
maxIdleTime > 0 ? maxIdleTime : 10, maxIdleTimeUnit != null ? maxIdleTimeUnit : TimeUnit.SECONDS,
maxIdleTime, maxIdleTimeUnit);
closeablesCopy.add(new Closeable() {
@Override
public void close() throws IOException {
connectionEvictor.shutdown();
try {
connectionEvictor.awaitTermination(1L, TimeUnit.SECONDS);
} catch (final InterruptedException interrupted) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}); //執行該清理執行緒
connectionEvictor.start();
}複製程式碼可以看到在HttpClientBuilder進行build的時候,如果指定了開啟清理功能，會建立一個連線池清理執行緒並執行它。
public IdleConnectionEvictor(
final HttpClientConnectionManager connectionManager,
final ThreadFactory threadFactory,
final long sleepTime, final TimeUnit sleepTimeUnit,
final long maxIdleTime, final TimeUnit maxIdleTimeUnit) {
this.connectionManager = Args.notNull(connectionManager, "Connection manager");
this.threadFactory = threadFactory != null ? threadFactory : new DefaultThreadFactory();
this.sleepTimeMs = sleepTimeUnit != null ? sleepTimeUnit.toMillis(sleepTime) : sleepTime;
this.maxIdleTimeMs = maxIdleTimeUnit != null ? maxIdleTimeUnit.toMillis(maxIdleTime) : maxIdleTime;
this.thread = this.threadFactory.newThread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try { //死迴圈，執行緒一直執行
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { //休息若干秒後執行，預設10秒
Thread.sleep(sleepTimeMs); //清理過期連線
connectionManager.closeExpiredConnections(); //如果指定了最大空閒時間，則清理空閒連線
if (maxIdleTimeMs > 0) {
connectionManager.closeIdleConnections(maxIdleTimeMs, TimeUnit.MILLISECONDS);
}
}
} catch (final Exception ex) {
exception = ex;
}
}
});
}複製程式碼總結一下：
- 只有在HttpClientBuilder手動設定後，才會開啟清理過期與空閒連線
- 手動設定後，會啟動一個執行緒死迴圈執行，每次執行sleep一定時間，呼叫HttpClientConnectionManager的清理方法清理過期與空閒連線。
七、本文總結
- HTTP協議通過持久連線的方式，減輕了早期設計中的過多連線問題
- 持久連線有兩種方式：HTTP/1.0+的Keep-Avlive與HTTP/1.1的預設持久連線
- HttpClient通過連線池來管理持久連線，連線池分為兩個，一個是總連線池，一個是每個route對應的連線池
- HttpClient通過非同步的Future<CPoolEntry>來獲取一個池化的連線
- 預設連線重用策略與HTTP協議約束一致，根據response先判斷Connection:Close則關閉，在判斷Connection:Keep-Alive則開啟，最後版本大於1.0則開啟
- 只有在HttpClientBuilder中手動開啟了清理過期與空閒連線的開關後，才會清理連線池中的連線
- HttpClient4.4之後的版本通過一個死迴圈執行緒清理過期與空閒連線，該執行緒每次執行都sleep一會，以達到定期執行的效果
上面的研究是基於HttpClient原始碼的個人理解，如果有誤，希望大家積極留言討論。
文章來源：www.liangsonghua.me
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