Android客户端网络预连接优化机制探究

一、背景

一般情况下，我们都是用一些封装好的网络框架去请求网络，对底层实现不甚关注，而大部分情况下也不需要特别关注处理。得益于因特网的协议，网络分层，我们可以只在应用层去处理业务就行。但是了解底层的一些实现，有益于我们对网络加载进行优化。本文就是关于根据http的连接复用机制来优化网络加载速度的原理与细节。

二、连接复用

对于一个普通的接口请求，通过charles抓包，查看网络请求Timing栏信息，我们可以看到类似如下请求时长信息：

• Duration 175 ms
• DNS 6 ms
• Connect 50 msTLS Handshake 75 ms
• Request 1 ms
• Response 1 ms
• Latency 42 ms

同样的请求，再来一次，时长信息如下所示：

• Duration 39 ms
• DNS -
• Connect -
• TLS Handshake -
• Request 0 ms
• Response 0 ms
• Latency 39 ms

我们发现，整体网络请求时间从175ms降低到了39ms。其中DNS，Connect，TLS Handshake 后面是个横线，表示没有时长信息，于是整体请求时长极大的降低了。这就是Http(s)的连接复用的效果。那么问题来了，什么是连接复用，为什么它能降低请求时间？

在解决这个疑问之前，我们先来看看一个网络请求发起，到收到返回的数据，这中间发生了什么？

• 客户端发起网络请求
• 通过DNS服务解析域名，获取服务器IP （基于UDP协议的DNS解析）
• 建立TCP连接（3次握手）
• 建立TLS连接（https才会用到）
• 发送网络请求request
• 服务器接收request，构造并返回response
• TCP连接关闭（4次挥手）

上面的连接复用直接让上面2,3,4步都不需要走了。这中间省掉的时长应该怎么算？如果我们定义网络请求一次发起与收到响应的一个来回（一次通信来回）作为一个RTT（Round-trip delay time）。

1）DNS默认基于UDP协议，解析最少需要1-RTT;

2）建立TCP连接，3次握手，需要2-RTT;

（图片来源自网络）

3）建立TLS连接，根据TLS版本不同有区别，常见的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（来自 RFC 5246）

注：TLS1.3版本相比TLS1.2，支持0-RTT数据传输（可选，一般是1-RTT），但目前支持率比较低，用的很少。

http1.0版本，每次http请求都需要建立一个tcp socket连接，请求完成后关闭连接。前置建立连接过程可能就会额外花费4-RTT，性能低下。

http1.1版本开始，http连接默认就是持久连接，可以复用，通过在报文头部中加上Connection:Close来关闭连接 。如果并行有多个请求，可能还是需要建立多个连接，当然我们也可以在同一个TCP连接上传输，这种情况下，服务端必须按照客户端请求的先后顺序依次回送结果。

注：http1.1默认所有的连接都进行了复用。然而空闲的持久连接也可以随时被客户端与服务端关闭。不发送Connection:Close不意味着服务器承诺连接永远保持打开。

http2 更进一步，支持二进制分帧，实现TCP连接的多路复用，不再需要与服务端建立多个TCP连接了，同域名的多个请求可以并行进行。

（图片来源自网络）

还有个容易被忽视的是，TCP有拥塞控制，建立连接后有慢启动过程（根据网络情况一点一点的提高发送数据包的数量，前面是指数级增长，后面变成线性），复用连接可以避免这个慢启动过程，快速发包。

三、预连接实现

客户端常用的网络请求框架如OkHttp等，都能完整支持http1.1与HTTP2的功能，也就支持连接复用。了解了这个连接复用机制优势，那我们就可以利用起来，比如在APP闪屏等待的时候，就预先建立首页详情页等关键页面多个域名的连接，这样我们进入相应页面后可以更快的获取到网络请求结果，给予用户更好体验。在网络环境偏差的情况下，这种预连接理论上会有更好的效果。

具体如何实现？

第一反应，我们可以简单的对域名链接提前发起一个HEAD请求（没有body可以省流量），这样就能提前建立好连接，下次同域名的请求就可以直接复用，实现起来也是简单方便。于是写了个demo，试了个简单接口，完美，粗略统计首次请求速度可以提升40%以上。

于是在游戏中心App启动Activity中加入了预连接相关逻辑，跑起来试了下，竟然没效果...

抓包分析，发现连接并没有复用，每次进去详情页后都重新创建了连接，预连接可能只是省掉了DNS解析时间，demo上的效果无法复现。看样子分析OkHttp连接复用相关源码是跑不掉了。

四、源码分析

OKHttp通过几个默认的Interceptor用于处理网络请求相关逻辑，建立连接在ConnectInterceptor类中；

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即为后面使用的connection，connection生成相关逻辑在StreamAllocation类中；

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 {
    ...
    
    // 尝试从connectionPool中获取可用connection
    Internal.instance.acquire(connectionPool, address, this, null);
    if (connection != null) {
    foundPooledConnection = true;
    result = connection;
    } else {
    selectedRoute = route;
    }
    
   ...
   
    if (!foundPooledConnection) {
      ... 
      // 如果最终没有可复用的connection，则创建一个新的
        result = new RealConnection(connectionPool, selectedRoute);
    }
  ...
}

这些源码都是基于okhttp3.13版本的代码，3.14版本开始这些逻辑有修改。

StreamAllocation类中最终获取connection是在findConnection方法中，优先复用已有连接，没可用的才新建立连接。获取可复用的连接是在ConnectionPool类中；

/**
 * 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) {
          }
        }
      }
    }
  };

  // 用一个队列保存当前的连接
  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;
      }
    }
  }

由上面源码可知，ConnectionPool默认最大维持5个空闲的connection，每个空闲connection5分钟后自动释放。如果connection数量超过最大数5个，则会移除最旧的空闲connection。

最终判断空闲的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.
  }

这块代码比较直白，简单解释下比较条件：

如果该connection已达到承载的流上限（即一个connection可以承载几个请求，http1默认是1个，http2默认是Int最大值）则不符合；

如果2个Address除Host之外的属性有不匹配，则不符合（如果2个请求用的okhttpClient不同，复写了某些重要属性，或者服务端端口等属性不一样，那都不允许复用）；

如果host相同，则符合，直接返回true（其它字段已经在上一条比较了）；

如果是http2，则判断无代理、服务器IP相同、证书相同等条件，如果都符合也返回true；

整体看下来，出问题的地方应该就是ConnectionPool 的队列容量太小导致的。游戏中心业务复杂，进入首页后，触发了很多接口请求，导致连接池直接被占满，于是在启动页做好的预连接被释放了。通过调试验证了下，进入详情页时，ConnectionPool中的确已经没有之前预连接的connection了。

五、优化

在http1.1中，浏览器一般都是限定一个域名最多保留5个左右的空闲连接。然而okhttp的连接池并没有区分域名，整体只做了默认最大5个空闲连接，如果APP中不同功能模块涉及到了多个域名，那这默认的5个空闲连接肯定是不够用的。有2个修改思路：

重写ConnectionPool，将连接池改为根据域名来限定数量，这样可以完美解决问题。然而OkHttp的ConnectionPool是final类型的，无法直接重写里面逻辑，另外OkHttp不同版本上，ConnectionPool逻辑也有区别，如果考虑在编译过程中使用ASM等字节码编写技术来实现，成本很大，风险很高。

直接调大连接池数量和超时时间。这个简单有效，可以根据自己业务情况适当调大这个连接池最大数量，在构建OkHttpClient的时候就可以传入这个自定义的ConnectionPool对象。

我们直接选定了方案2。

六、问答

1、如何确认连接池最大数量值？

这个数量值有2个参数作为参考：页面最大同时请求数，App总的域名数。也可以简单设定一个很大的值，然后进入APP后，将各个主要页面都点一遍，看看当前ConnectionPool中留存的connection数量，适当做一下调整即可。

2、调大了连接池会不会导致内存占用过多？

经测试：将connectionPool最大值调成50，在一个页面上，用了13个域名链接，总共重复4次，也就是一次发起52个请求之后，ConnectionPool中留存的空闲connection平均22.5个，占用内存为97Kb，ConnectionPool中平均每多一个connection会占用4.3Kb内存。

3、调大了连接池会影响到服务器吗？

理论上是不会的。连接是双向的，即使客户端将connection一直保留，服务端也会根据实际连接数量和时长调整，自动关闭连接的。比如服务端常用的nginx就可以自行设定最大保留的connection数量，超时也会自动关闭旧连接。因此如果服务器定义的最大连接数和超时时间比较小，可能我们的预连接会无效，因为连接被服务端关闭了。

用charles可以看到这种连接被服务端关闭的效果：TLS大类中Session Resumed里面看到复用信息。

这种情况下，客户端会重新建立连接，会有tcp和tls连接时长信息。

4、预连接会不会导致服务器压力过大？

由于进入启动页就发起了网络请求进行预连接，接口请求数增多了，服务器肯定会有影响，具体需要根据自己业务以及服务器压力来判断是否进行预连接。

5、如何最大化预连接效果？

由上面第3点问题可知，我们的效果实际是和服务器配置息息相关，此问题涉及到服务器的调优。

服务器如果将连接超时设置的很小或关闭，那可能每次请求都需要重新建立连接，这样服务器在高并发的时候会因为不断创建和销毁TCP连接而消耗很多资源，造成大量资源浪费。

服务器如果将连接超时设置的很大，那会由于连接长时间未释放，导致服务器服务的并发数受到影响，如果超过最大连接数，新的请求可能会失败。

可以考虑根据客户端用户访问到预连接接口平均用时来调节。比如游戏中心详情页接口预连接，那可以统计一下用户从首页平均浏览多长时间才会进入到详情页，根据这个时长和服务器负载情况来适当调节。

七、参考资料

1.一文读懂 HTTP/1HTTP/2HTTP/3

2.TLS1.3VSTLS1.2，让你明白TLS1.3的强大

3.https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/12732052.html

作者：vivo互联网客户端团队-Cao Junlin