TCP连接与OKHTTP复用连接池

Android网络编程（八）源码解析OkHttp后篇[复用连接池]

1.引子

在了解OkHttp的复用连接池之前，我们首先要了解几个概念。

TCP三次握手

通常我们进行HTTP连接网络的时候我们会进行TCP的三次握手，然后传输数据，然后再释放连接。

TCP三次握手的过程为：

• 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

• 第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

TCP四次分手

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，断开连接就需要进行TCP四次分手：

• 第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment 
  Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

• 第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence

• 第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST_ACK状态；

• 第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

来看下面的图加强下理解： 

keepalive connections

当然大量的连接每次连接关闭都要三次握手四次分手的很显然会造成性能低下，因此http有一种叫做keepalive connections的机制，它可以在传输数据后仍然保持连接，当客户端需要再次获取数据时，直接使用刚刚空闲下来的连接而不需要再次握手。 

Okhttp支持5个并发KeepAlive，默认链路生命为5分钟(链路空闲后，保持存活的时间)。

2.连接池（ConnectionPool）分析

引用计数

在okhttp中，在高层代码的调用中，使用了类似于引用计数的方式跟踪Socket流的调用，这里的计数对象是StreamAllocation，它被反复执行aquire与release操作，这两个函数其实是在改变RealConnection中的List<Reference<StreamAllocation>> 的大小。（StreamAllocation.Java）

RealConnection是socket物理连接的包装，它里面维护了List<Reference<StreamAllocation>>的引用。List中StreamAllocation的数量也就是socket被引用的计数，如果计数为0的话，说明此连接没有被使用就是空闲的，需要通过下文的算法实现回收；如果计数不为0，则表示上层代码仍然引用，就不需要关闭连接。

主要变量

连接池的类位于okhttp3.ConnectionPool：

private static final Executor executor = new ThreadPoolExecutor(0 /* corePoolSize */,
      Integer.MAX_VALUE /* maximumPoolSize */, 60L /* keepAliveTime */, TimeUnit.SECONDS,
      new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp ConnectionPool", true));

  /** The maximum number of idle connections for each address. */
  //空闲的socket最大连接数
  private final int maxIdleConnections;
  //socket的keepAlive时间
  private final long keepAliveDurationNs;
  // 双向队列
  private final Deque<RealConnection> connections = new ArrayDeque<>();
  final RouteDatabase routeDatabase = new RouteDatabase();
  boolean cleanupRunning;

主要的变量有必要说明一下：

• executor线程池，类似于CachedThreadPool，需要注意的是这种线程池的工作队列采用了没有容量的SynchronousQueue，不了解它的请查看Java并发编程（六）阻塞队列这篇文章。
• Deque<RealConnection>，双向队列，双端队列同时具有队列和栈性质，经常在缓存中被使用，里面维护了RealConnection也就是socket物理连接的包装。
• RouteDatabase，它用来记录连接失败的Route的黑名单，当连接失败的时候就会把失败的线路加进去。

public ConnectionPool() {
  //默认空闲的socket最大连接数为5个，socket的keepAlive时间为5秒
    this(5, 5, TimeUnit.MINUTES);
  }
  public ConnectionPool(int maxIdleConnections, long keepAliveDuration, TimeUnit timeUnit) {
    this.maxIdleConnections = maxIdleConnections;
    this.keepAliveDurationNs = timeUnit.toNanos(keepAliveDuration);

    // Put a floor on the keep alive duration, otherwise cleanup will spin loop.
    if (keepAliveDuration <= 0) {
      throw new IllegalArgumentException("keepAliveDuration <= 0: " + keepAliveDuration);
    }
  }

通过构造函数可以看出ConnectionPool默认的空闲的socket最大连接数为5个，socket的keepAlive时间为5秒。

缓存操作

ConnectionPool提供对Deque<RealConnection>进行操作的方法分别为put、get、connectionBecameIdle和evictAll几个操作。分别对应放入连接、获取连接、移除连接和移除所有连接操作，这里我们举例put和get操作。

put操作

void put(RealConnection connection) {
    assert (Thread.holdsLock(this));
    if (!cleanupRunning) {
      cleanupRunning = true;
      executor.execute(cleanupRunnable);
    }
    connections.add(connection);
  }

在添加到Deque<RealConnection>之前首先要清理空闲的线程，这个后面会讲到。

get操作

 RealConnection get(Address address, StreamAllocation streamAllocation) {
    assert (Thread.holdsLock(this));
    for (RealConnection connection : connections) {
      if (connection.allocations.size() < connection.allocationLimit
          && address.equals(connection.route().address)
          && !connection.noNewStreams) {
        streamAllocation.acquire(connection);
        return connection;
      }
    }
    return null;
  }

遍历connections缓存列表，当某个连接计数的次数小于限制的大小并且request的地址和缓存列表中此连接的地址完全匹配。则直接复用缓存列表中的connection作为request的连接。

总结

可以看出连接池复用的核心就是用Deque<RealConnection>来存储连接，通过put、get、connectionBecameIdle和evictAll几个操作来对Deque进行操作，另外通过判断连接中的计数对象StreamAllocation来进行自动回收连接。