细说Http中的Keep-Alive和Java Http中的Keep-Alive机制

什么是Keep-Alive

这个词看着有点熟，很多地方好像都见过。

TCP的KeepAlive，Http的KeepAlive，现在就连一些前端框架都有类似KeepAlive的东西了（比如VUE.js，保持路由）。

本文介绍HTTP和TCP中的KeepAlive机制，其他方面不在本文讨论范围。

Http中的Keep-Alive

HTTP 持久连接（HTTP persistent connection，也称作HTTP keep-alive或HTTP connection reuse，翻译过来可以是保持连接或者连接复用）是使用同一个TCP连接来发送和接收多个HTTP请求/应答，而不是为每一个新的请求/应答打开新的连接的方式。

HTTP协议采用“请求-应答”模式，当使用普通模式，即非KeepAlive模式时，每个请求/应答客户和服务器都要新建一个连接，完成 之后立即断开连接（HTTP协议为无连接的协议），每次请求都会经过三次握手四次挥手过程，效率较低；当使用Keep-Alive模式时，客户端到服务器端的连接不会断开，当出现对服务器的后继请求时，客户端就会复用已建立的连接。

下图是每次新建连接和连接复用在通信模型上的区别：

在Http 1.0中，Keep-Alive是没有官方支持的，但是也有一些Server端支持，这个年代比较久远就不用考虑了。

Http1.1以后，Keep-Alive已经默认支持并开启。客户端（包括但不限于浏览器）发送请求时会在Header中增加一个请求头Connection: Keep-Alive，当服务器收到附带有Connection: Keep-Alive的请求时，也会在响应头中添加Keep-Alive。这样一来，客户端和服务器之间的HTTP连接就会被保持，不会断开（断开方式下面介绍），当客户端发送另外一个请求时，就可以复用已建立的连接。

现在的Http协议基本都是Http 1.1版本了，不太需要考虑1.0的兼容问题

Keep-Alive真的就这么完美吗

当然不是，Keep-Alive也有自己的优缺点，并不是所有场景下都适用

优点

• 节省了服务端CPU和内存适用量
• 降低拥塞控制 （TCP连接减少）
• 减少了后续请求的延迟（无需再进行握手）

缺点

对于某些低频访问的资源/服务，比如一个冷门的图片服务器，一年下不了几次，每下一次连接还保持就比较浪费了（这个场景举的不是很恰当）。Keep-Alive可能会非常影响性能，因为它在文件被请求之后还保持了不必要的连接很长时间，额外占用了服务端的连接数。

连接复用后会有什么问题

在没有连接复用时，Http 接收端（注意这里是接收端，并没有特指Client/Server，因为Client/Server都同是发送端和接收端）只需要读取Socket中所有的数据就可以了，解决“拆包”问题即可；但是连接复用后，无法区分单次Http报文的边界，所以还需要额外处理报文边界问题。当然这个通过Http中Header的长度字段，按需读取即可解决。

粘包拆包的介绍可以参考另一篇文章细说 Netty 中的粘包和拆包

Http 连接复用后包边界问题处理

由于Http中Header的存在，通过定义一些报文长度的首部字段，可以很方便的处理包边界问题。

在Http中，有两种方式处理包边界问题：

Content-Length处理包边界

这个是最通常的处理方式，接收端处理报文时首先读取完整首部（Header），然后通过Header中的Content-Length来确认报文大小，读取报文时按此长度读取即可，超出长度的报文（“粘包”）不读取，不够长度的报文缓存等待继续读取（“拆包”）。

Chunked处理包边界

对于无法确认总报文大小的情况，可以使用Chunked的方式来对报文进行分块传输，每一块内标示报文大小。比如Nginx，开启Gzip压缩后，就会开启Chunked的传输方式。

当服务端返回Transfer-Encoding: chunked header时，报文会通过chunked的形式进行编码

通过Wireshark抓包，可以很直观的看初Chunked的原理：

注意，这里的chunk包，和tcp segment不是一回事，chunk只是应用层的一个分包，而tcp的segment 是对应用层报文再次进行分组

每个chunk报文前，会携带当前chunk的大小。

Tomcat中对Chunked的处理（返回数据）

tomcat默认的outputBufferSize是8K（翻了下文档，没有找到配置的地方，不过一般也不需要配置）。

当数据不超过8K时，会自动设置Content-Length；当写入的数据超过（大于等于）8K时，就会使用Chunked编码，对报文分块并增加Chunke标识，而不设置Content-Length。

这里可以“杠一下”，如果数据大于8K，同时又手动设置了Content-Length：tomcat在处理返回数据时会检测如果response header中包含Content-Length那么就不会处理执行Chunked的逻辑，直接将数据通过Socket写入

上述逻辑的相关源码参考：org.apache.coyote.http11.Http11Processor

一般对于客户端来说，也都是优先读取Content-Length的，一个正常的HTTP返回报文不应该同时包含Content-Length和Chunked

注意一点，是否使用Chunked和是否连接复用，并没有直接的关系，哪怕Connection:close，也可以使用Chunked Encoding

Http 连接复用后怎样断开连接

通过Keep-Alive已经做到连接复用了，但复用之后什么时候断开连接呢，不然一直保持连接，造成资源的浪费。

Http协议规定了两种关闭复用连接的方式：

通过Keep-Alive Timeout标识

如果服务端Response Header设置了Keep-Alive:timeout={timeout}，客户端会就会保持此连接timeout（单位秒）时间，超时之后关闭连接。

现在在服务端设置响应Header:

Keep-Alive:timeout=15

通过Wireshark来看下配置了timeout的效果：

从上图可以看出，客户端发送请求后，在15S内（图上没有体现时间，就当15S吧）保持了连接不销毁，超时后经过了4次挥手，断开连接

但是如果在15S内再次请求，连接是可以复用的，不会重新3次握手。

下图是15S内再次请求的效果：

通过Connection close标识

还有一种方式是接收端通在Response Header中增加Connection close标识，来主动告诉发送端，连接已经断开了，不能再复用了；客户端接收到此标示后，会销毁连接，再次请求时会重新建立连接。

注意：配置close配置后，并不是说每次都新建连接，而是约定此连接可以用几次，达到这个最大次数时，接收端就会返回close标识（服务端配置方法下面会介绍）

下面来测试下效果，客户端发送两次请求：

通过wireshark截图可以发现，配置了Connection:close之后(服务端设置了请求只可以用1次，所所以请求完成就销毁连接)，两次请求都重新建立了连接。

Nginx中设置Keep-Alive（服务端）

Keep-Alive timeout配置:

Syntax:     keepalive_timeout timeout [header_timeout];
Default:    keepalive_timeout 75s;
Context:    http, server, location

第一个参数设置一个超时，在此期间保持活动的客户机连接将在服务器端保持打开状态。如果为0则禁用保Keep-Alive。第二个可选参数在“Keep-Alive: timeout=time”响应头字段中设置一个值。

“Keep-Alive: timeout=time”报头字段被Mozilla和Konqueror识别。MSIE在大约60秒内自动关闭保持连接。

Keep-Alive requests（连接可用次数）配置：

Syntax:     keepalive_requests number;
Default:    keepalive_requests 100;
Context:    http, server, location

设置通过一个保持活动连接可以服务的请求的最大数量。在发出最大数量的请求之后，连接关闭。

Tomcat中设置Keep-Alive（服务端）

在<Connector>标签中配置属性：

Keep-Alive timeout配置:

keepAliveTimeout="超时时间"，默认值是使用为connectionTimeout属性设置的值 。值为-1表示没有（即无限）超时。

Keep-Alive requests（连接可用次数）配置：

maxKeepAliveRequests="连接可用次数"，-1为永不失效。如果未指定，默认为100。

例如：

<Connector port="8080" 
    protocol="HTTP/1.1" 
    connectionTimeout="20000" 
    redirectPort="8443" 
    keepAliveTimeout="超时时间（单位秒）"
    maxKeepAliveRequests="连接可用次数" />

Spring Boot Tomcat embed中设置Keep-Alive

此版本是基于springboot 2.0.2.release，其他版本请自行测试

@Bean
public TomcatServletWebServerFactory tomcatServletWebServerFactory(){
    TomcatServletWebServerFactory tomcatServletWebServerFactory = new TomcatServletWebServerFactory();
    tomcatServletWebServerFactory.addConnectorCustomizers((connector)->{
        ProtocolHandler protocolHandler = connector.getProtocolHandler();
        if(protocolHandler instanceof Http11NioProtocol){
            Http11NioProtocol http11NioProtocol = (Http11NioProtocol)protocolHandler;
            http11NioProtocol.setKeepAliveTimeout(60000);//millisecond
        }
    });
    return tomcatServletWebServerFactory;
}

此版本是基于springboot 1.5.6.release，其他版本请自行测试

@Bean
public TomcatEmbeddedServletContainerFactory tomcatEmbeddedServletContainerFactory(){
    TomcatEmbeddedServletContainerFactory tomcatServletWebServerFactory = new TomcatEmbeddedServletContainerFactory();
    tomcatServletWebServerFactory.addConnectorCustomizers((connector)->{
        ProtocolHandler protocolHandler = connector.getProtocolHandler();
        if(protocolHandler instanceof Http11NioProtocol){
            Http11NioProtocol http11NioProtocol = (Http11NioProtocol)protocolHandler;
            http11NioProtocol.setKeepAliveTimeout(60000);//millisecond
        }
    });
    return tomcatServletWebServerFactory;
}

上面列出了两个版本的配置方式，理论上只要能找到对应的类，就可以使用。只是因为版本更新导致的部分类移除

Nginx反向代理到tomcat的猜想

其实Nginx的反向代理，也无非是增加了一个节点而已
client<->nginx<->tomcat

对于client，Nginx是Server，对于Tomcat，Nginx是client。

Nginx和client建立连接，和Tomcat端也建立了连接。

那么如果在Nginx和Tomcat上同时配置Keep-Alive会是什么结果呢？

此处较为复杂，待补充……

Apache HttpClient 设置Keep-Alive（客户端）

Apache HttpClient算是Java中最强的HttpClient了，也是最主流的（后端方向），功能强大。
Apache HttpClient在处理KeepAlive的地方设计的比较灵活，提供了可配置的接口，使用者可以使用Http标准的策略，也自定定制策略。

HttpClients.custom()
                //连接是否复用策略，通过此策略返回是否复用
                //DefaultClientConnectionReuseStrategy是默认的Http策略，不设置也可以
                .setConnectionReuseStrategy(new DefaultClientConnectionReuseStrategy())
                //连接复用后有效期（持久时间）策略，复用后通过此策略判断复用超时时间
                //DefaultConnectionKeepAliveStrategy是默认的判断超时时间策略，读取的是Keep-Alive:timeout=超时时间
                .setKeepAliveStrategy(new DefaultConnectionKeepAliveStrategy())
                .build();

这里顺带说一下Apache HttpClient的使用，希望能帮助到有需要的人。（版本Apache HttpClient 4.x）

//创建客户端，此客户端最好保持单例，这是个线程安全的类，并发下也没有问题。
//HttpClient中的连接池等组件都包含在内，如果每次都新建的话，
//效率低，占用资源大，连接复用当然也不会生效了。
HttpClients.custom()
                //禁用自动重试，默认有3次的重试策略
                .disableAutomaticRetries()
                //不用默认的重试策略，自定义
                .setRetryHandler()
                //设置默认请求配置，这里可以配置一些超时时间等参数    
                .setDefaultRequestConfig(requestConfig())
                //全局Header，每次请求都会携带
                .setDefaultHeaders()
                //当Https证书不受信任的时候，记得自定义此项
                .setSSLHostnameVerifier()
                //设置UA
                .setUserAgent()
                //设置代理
                .setProxy()
                //...还有很多配置，可以自行查阅文档
                .build();

TCP中的Keep-Alive

TCP中的KeepAlive和Http的Keep-Alive可不是一回事，HTTP中是做连接复用的，而TCP中的KeepAlive是“心跳监测”，定时发送一个空的TCP Segment，来监测连接是否存活。下面介绍下Java中设置TCP KeepAive的一些方式。

Netty中设置Keep-Alive

bootstrap.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

NIO（New NetWorking IO Lib）中设置Keep-Alive

channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_KEEPALIVE,true);

BIO中设置Keep-Alive

Socket socket = serverSocket.accept();
socket.setKeepAlive(true);

参考

• https://zh.wikipedia.org/wiki...
• https://www.w3.org/Protocols/...
• http://hc.apache.org/
• http://nginx.org/
• http://tomcat.apache.org/tomc...