Android客戶端網路預連線優化機制探究

vivo網際網路技術發表於2021-06-17
Android客戶端優化

一、背景

一般情況下，我們都是用一些封裝好的網路框架去請求網路，對底層實現不甚關注，而大部分情況下也不需要特別關注處理。得益於因特網的協議，網路分層，我們可以只在應用層去處理業務就行。但是瞭解底層的一些實現，有益於我們對網路載入進行優化。本文就是關於根據http的連線複用機制來優化網路載入速度的原理與細節。

二、連線複用

對於一個普通的介面請求，通過charles抓包，檢視網路請求Timing欄資訊，我們可以看到類似如下請求時長資訊：

  • 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，時長資訊如下所示：

  • Duration 39 ms

  • DNS -

  • Connect -

  • TLS Handshake -

  • Request 0 ms

  • Response 0 ms

  • Latency 39 ms

我們發現，整體網路請求時間從175ms降低到了39ms。其中DNS，Connect，TLS Handshake 後面是個橫線，表示沒有時長資訊，於是整體請求時長極大的降低了。這就是Http(s)的連線複用的效果。那麼問題來了，什麼是連線複用，為什麼它能降低請求時間？

在解決這個疑問之前，我們先來看看一個網路請求發起，到收到返回的資料，這中間發生了什麼？

  • 客戶端發起網路請求

  • 通過DNS服務解析域名，獲取伺服器IP （基於UDP協議的DNS解析）

  • 建立TCP連線（3次握手）

  • 建立TLS連線（https才會用到）

  • 傳送網路請求request

  • 伺服器接收request，構造並返回response

  • TCP連線關閉（4次揮手）

上面的連線複用直接讓上面2,3,4步都不需要走了。這中間省掉的時長應該怎麼算？如果我們定義網路請求一次發起與收到響應的一個來回（一次通訊來回）作為一個RTT（Round-trip delay time）。

1）DNS預設基於UDP協議，解析最少需要1-RTT;

2）建立TCP連線，3次握手，需要2-RTT;

（圖片來源自網路）

3）建立TLS連線，根據TLS版本不同有區別，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，支援0-RTT資料傳輸（可選，一般是1-RTT），但目前支援率比較低，用的很少。

http1.0版本，每次http請求都需要建立一個tcp socket連線，請求完成後關閉連線。前置建立連線過程可能就會額外花費4-RTT，效能低下。

http1.1版本開始，http連線預設就是持久連線，可以複用，通過在報文頭部中加上Connection:Close來關閉連線 。如果並行有多個請求，可能還是需要建立多個連線，當然我們也可以在同一個TCP連線上傳輸，這種情況下，服務端必須按照客戶端請求的先後順序依次回送結果。

注：http1.1預設所有的連線都進行了複用。然而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。

http2 更進一步，支援二進位制分幀，實現TCP連線的多路複用，不再需要與服務端建立多個TCP連線了，同域名的多個請求可以並行進行。

（圖片來源自網路）

還有個容易被忽視的是，TCP有擁塞控制，建立連線後有慢啟動過程（根據網路情況一點一點的提高傳送資料包的數量，前面是指數級增長，後面變成線性），複用連線可以避免這個慢啟動過程，快速發包。

三、預連線實現

客戶端常用的網路請求框架如OkHttp等，都能完整支援http1.1與HTTP2的功能，也就支援連線複用。瞭解了這個連線複用機制優勢，那我們就可以利用起來，比如在APP閃屏等待的時候，就預先建立首頁詳情頁等關鍵頁面多個域名的連線，這樣我們進入相應頁面後可以更快的獲取到網路請求結果，給予使用者更好體驗。在網路環境偏差的情況下，這種預連線理論上會有更好的效果。

具體如何實現？

第一反應，我們可以簡單的對域名連結提前發起一個HEAD請求（沒有body可以省流量），這樣就能提前建立好連線，下次同域名的請求就可以直接複用，實現起來也是簡單方便。於是寫了個demo，試了個簡單介面，完美，粗略統計首次請求速度可以提升40%以上。

於是在遊戲中心App啟動Activity中加入了預連線相關邏輯，跑起來試了下，竟然沒效果...

抓包分析，發現連線並沒有複用，每次進去詳情頁後都重新建立了連線，預連線可能只是省掉了DNS解析時間，demo上的效果無法復現。看樣子分析OkHttp連線複用相關原始碼是跑不掉了。

四、原始碼分析

OKHttp通過幾個預設的Interceptor用於處理網路請求相關邏輯，建立連線在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即為後面使用的connection，connection生成相關邏輯在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) {
      ... 
      // 如果最終沒有可複用的connection，則建立一個新的
        result = new RealConnection(connectionPool, selectedRoute);
    }
  ...
}

這些原始碼都是基於okhttp3.13版本的程式碼，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，優先複用已有連線，沒可用的才新建立連線。獲取可複用的連線是在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) {
          }
        }
      }
    }
  };

  // 用一個佇列儲存當前的連線
  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;
      }
    }
  }

由上面原始碼可知，ConnectionPool預設最大維持5個空閒的connection，每個空閒connection5分鐘後自動釋放。如果connection數量超過最大數5個，則會移除最舊的空閒connection。

最終判斷空閒的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.
  }

這塊程式碼比較直白，簡單解釋下比較條件：

如果該connection已達到承載的流上限（即一個connection可以承載幾個請求，http1預設是1個，http2預設是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，複寫了某些重要屬性，或者服務端埠等屬性不一樣，那都不允許複用）；

如果host相同，則符合，直接返回true（其它欄位已經在上一條比較了）；

如果是http2，則判斷無代理、伺服器IP相同、證照相同等條件，如果都符合也返回true；

整體看下來，出問題的地方應該就是ConnectionPool 的佇列容量太小導致的。遊戲中心業務複雜，進入首頁後，觸發了很多介面請求，導致連線池直接被佔滿，於是在啟動頁做好的預連線被釋放了。通過除錯驗證了下，進入詳情頁時，ConnectionPool中的確已經沒有之前預連線的connection了。

五、優化

在http1.1中，瀏覽器一般都是限定一個域名最多保留5個左右的空閒連線。然而okhttp的連線池並沒有區分域名，整體只做了預設最大5個空閒連線，如果APP中不同功能模組涉及到了多個域名，那這預設的5個空閒連線肯定是不夠用的。有2個修改思路：

重寫ConnectionPool，將連線池改為根據域名來限定數量，這樣可以完美解決問題。然而OkHttp的ConnectionPool是final型別的，無法直接重寫裡面邏輯，另外OkHttp不同版本上，ConnectionPool邏輯也有區別，如果考慮在編譯過程中使用ASM等位元組碼編寫技術來實現，成本很大，風險很高。

直接調大連線池數量和超時時間。這個簡單有效，可以根據自己業務情況適當調大這個連線池最大數量，在構建OkHttpClient的時候就可以傳入這個自定義的ConnectionPool物件。

我們直接選定了方案2。

六、問答

1、如何確認連線池最大數量值？

這個數量值有2個引數作為參考：頁面最大同時請求數，App總的域名數。也可以簡單設定一個很大的值，然後進入APP後，將各個主要頁面都點一遍，看看當前ConnectionPool中留存的connection數量，適當做一下調整即可。

2、調大了連線池會不會導致記憶體佔用過多？

經測試：將connectionPool最大值調成50，在一個頁面上，用了13個域名連結，總共重複4次，也就是一次發起52個請求之後，ConnectionPool中留存的空閒connection平均22.5個，佔用記憶體為97Kb，ConnectionPool中平均每多一個connection會佔用4.3Kb記憶體。

3、調大了連線池會影響到伺服器嗎？

理論上是不會的。連線是雙向的，即使客戶端將connection一直保留，服務端也會根據實際連線數量和時長調整，自動關閉連線的。比如服務端常用的nginx就可以自行設定最大保留的connection數量，超時也會自動關閉舊連線。因此如果伺服器定義的最大連線數和超時時間比較小，可能我們的預連線會無效，因為連線被服務端關閉了。

用charles可以看到這種連線被服務端關閉的效果：TLS大類中Session Resumed裡面看到複用資訊。

這種情況下，客戶端會重新建立連線，會有tcp和tls連線時長資訊。

4、預連線會不會導致伺服器壓力過大？

由於進入啟動頁就發起了網路請求進行預連線，介面請求數增多了，伺服器肯定會有影響，具體需要根據自己業務以及伺服器壓力來判斷是否進行預連線。

5、如何最大化預連線效果？

由上面第3點問題可知，我們的效果實際是和伺服器配置息息相關，此問題涉及到伺服器的調優。

伺服器如果將連線超時設定的很小或關閉，那可能每次請求都需要重新建立連線，這樣伺服器在高併發的時候會因為不斷建立和銷燬TCP連線而消耗很多資源，造成大量資源浪費。

伺服器如果將連線超時設定的很大，那會由於連線長時間未釋放，導致伺服器服務的併發數受到影響，如果超過最大連線數，新的請求可能會失敗。

可以考慮根據客戶端使用者訪問到預連線介面平均用時來調節。比如遊戲中心詳情頁介面預連線，那可以統計一下使用者從首頁平均瀏覽多長時間才會進入到詳情頁，根據這個時長和伺服器負載情況來適當調節。

七、參考資料

1.一文讀懂 HTTP/1HTTP/2HTTP/3

2.TLS1.3VSTLS1.2，讓你明白TLS1.3的強大

3.https://www.cnblogs.com

作者：vivo網際網路客戶端團隊-Cao Junlin

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