万字长文：手把手教你实现一套高效的IM长连接自适应心跳保活机制

本文作者“Carson”，现就职于腾讯公司，原题“高效保活长连接：手把手教你实现自适应的心跳保活机制”，有较多修订和改动。

1、引言

当要实现IM即时通讯聊天、消息推送等高实时性需求时，我们一般会选择长连接的通信方式。

而真正当实现长连接方式时，会遇到很多技术问题，比如最常见的长连接保活问题。

今天，我将通过本篇文章，手把手教大家实现一套可自适应的心跳保活机制，从而能高效稳定地维持诸如IM聊天这类需求的长连接。

学习交流：

- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》

- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-3908-1-1.html）

2、相关文章

1. 《为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？》
2. 《一文读懂即时通讯应用中的网络心跳包机制：作用、原理、实现思路等》
3. 《一种Android端IM智能心跳算法的设计与实现探讨（含样例代码）》
4. 《自已开发IM有那么难吗？手把手教你自撸一个Andriod版简易IM (有源码)》
5. 《跟着源码学IM(一)：手把手教你用Netty实现心跳机制、断线重连机制》
6. 《跟着源码学IM(五)：正确理解IM长连接、心跳及重连机制，并动手实现》

3、什么是长连接

认识长连接：

长连接的主要作是通过长时间保持双方连接，从而：

• 1）提高通信速度；
• 2）确保实时性；
• 3）避免短时间内重复连接所造成的信道资源和网络资源的浪费。

长连接与短连接的区别：

PS：对于IM这类的开发者而言，通常大家都把HTTP协议称“短连接”、把直接基于TCP、UDP或WebSocket的socket称为“长连接”。

4、导致长连接断开的原因

4.1 基本概念

从上节可知，在使用长连接的情况下，双方的所有通信都建立在1条长连接上（比如1次TCP连接）。所以，长连接需要持续保持双方连接才可使得双方持续通信。

然而，实际情况是，长连接会存在断开的情况。

这些断开原因主要是：

• 1）长连接所在进程被杀死（这主要说的是移动端）；
• 2）NAT超时；
• 3）网络状态发生变化；
• 4）其他不可抗因素（网络状态差、DHCP的租期等等 ）。

下面，我将对每种原因进行分析。

4.2 具体分析

1）原因1：进程被杀死

当进程被杀死后，长连接也会随之断开。进程被杀在Andriod端是最常见的问题，限于篇幅就不在此展开这个话题，有兴趣可以阅读这篇：《Android P正式版即将到来：后台应用保活、消息推送的真正噩梦》。

2）原因2：NAT 超时（重点关注）

NAT超时现象如下：

各运营商和地区的NAT超时时间如下：

PS：上述数据来源于微信团队的《移动端IM实践：实现Android版微信的智能心跳机制》一文，随着4G、5G的普及，这些数据有可能已发生变化，请以实际测试结果为准。

特别注意：排除其他外因（网络切换、NAT超时、人为原因），TCP长连接在双方都不断开连接的情况上，本质上是不会自动中断的（也就是不需要心跳包来维持，可以验证一下：让2台电脑连上同1个Wifi，其中1台做服务器, 另1台做客户端连接服务器（无设置KeepAlive）。只要电脑、路由器不断网断电，那么，2台电脑的长连接是不会自动中断的）。

Jack Jiang注：上述论述可能不太准确，有新兴趣的读者可以详读《拔掉网线再插上，TCP连接还在吗？一文即懂！》。

3）原因3：网络状态发生变化

当移动客户端网络状态发生变化时（如移动网络 & Wifi切换、断开、重连），也会使长连接断开。

4）原因4：其他不可抗因素

如网络状态差、DHCP的租期到期等等，都会使得长连接发生 偶然的断开。DHCP的租期到期：对于 Android系统， DHCP到了租期后不会主动续约（继续使用过期IP），从而导致长连接断开。

5、高效维持长连接的解决方案

5.1 基本介绍

在了解长连接断开原因后，针对这些原因，此处给出我的高效维持长连接的解决方案（如下图所示）。

为此，若需有效维持长连接，则需要做到：

说得简单点，高效维持长连接的关键在于：

• 1）保活：处于连接状态时要做到尽量不要断；
• 2）重连：连接断了之后要能继续重连回来。

5.2 具体措施

1）措施1：进程保活

整体概括如下：

PS：关于Android的进程保活，这个话题就很热门了，感兴趣可以顺着下面的文章详细读一读：

1. 《应用保活终极总结(一)：Android6.0以下的双进程守护保活实践》
2. 《应用保活终极总结(二)：Android6.0及以上的保活实践(进程防杀篇)》
3. 《应用保活终极总结(三)：Android6.0及以上的保活实践(被杀复活篇)》
4. 《Android进程保活详解：一篇文章解决你的所有疑问》
5. 《微信团队原创分享：Android版微信后台保活实战分享(进程保活篇)》
6. 《Android P正式版即将到来：后台应用保活、消息推送的真正噩梦》
7. 《全面盘点当前Android后台保活方案的真实运行效果（截止2019年前）》
8. 《2020年了，Android后台保活还有戏吗？看我如何优雅的实现！》
9. 《史上最强Android保活思路：深入剖析腾讯TIM的进程永生技术》
10. 《Android进程永生技术终极揭密：进程被杀底层原理、APP应对被杀技巧》
11. 《Android保活从入门到放弃：乖乖引导用户加白名单吧(附7大机型加白示例)》

2）措施2：心跳保活机制

这是本文的重点，下节开始会详细解析

3）措施3：断线重连机制

原理就是：检测网络状态变化并及时判断连接的有效性。

具体实现：这个其实跟心跳保活机制是一套完整的逻辑，所以下面会在心跳保活机制中一起讲解。

6、心跳保活机制简介

心跳保活机制的整体介绍如下：

不过，很多人容易混淆把心跳机制和传统的HTTP轮询机制搞混。

下面给出二者区别：

7、主流IM的心跳机制分析和对比

对国、内外主流的移动IM产品（WhatsApp、Line、微信）进行了心跳机制的简单分析和对比。

具体请看下图：

PS：以上数据来自于微信团队分享的《移动端IM实践：WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析》一文。

8、心跳保活机制方案总体设计

下面，我将根据市面上主流的心跳机制，设计了一套心跳机制方案。

心跳机制方案的基本流程：

 

对于心跳机制方案设计的主要考虑因素是：

• 1）要保证消息的实时性；
• 2）要考虑耗费设备的资源（网络流量、电量、CPU等等）。

从上图可以看出，对于心跳机制方案设计的要点在于：

• 1）心跳包的规格（内容 & 大小）；
• 2）心跳发送的间隔时间；
• 3）断线重连机制 （核心 = 如何 判断长连接的有效性）。

在下面的方案设计中，将针对这3个问题给出详细的解决方案。

9、心跳机制方案的详细设计

9.1 心跳包的规格

为了减少流量并提高发送效率，需要精简心跳包的设计。

主要从心跳包的内容和大小入手，设计原则具体如下：

设计方案：

心跳包 = 1个携带少量信息 & 大小在10字节内的信息包

9.2 心跳发送的间隔时间

为了 防止NAT超时并减少设备资源的消耗（网络流量、电量、CPU等等），心跳发送的间隔时间是整个心跳机制方案设计的重点。

心跳发送间隔时间的设计原则如下：

9.3 最常用的心跳间隔方案

一般，最直接且常用的心跳发送间隔时间设置方案多采用：“每隔估计 x 分钟发送心跳包1次”。其中，x ＜5分钟即可（综合主流移动IM产品，此处建议 x= 4分钟）。

但是，这种方案存在一些问题：

PS：关于固定心跳间隔的方案具体实现，可以详细参考：

1. 《跟着源码学IM(一)：手把手教你用Netty实现心跳机制、断线重连机制》；
2. 《跟着源码学IM(五)：正确理解IM长连接、心跳及重连机制，并动手实现》；
3. 《自已开发IM有那么难吗？手把手教你自撸一个Andriod版简易IM (有源码)》。

9.4 自适应心跳间隔方案

下面，我将详细讲解自适应心跳间隔时间的设计方案。

基本逻辑：

该方案需要解决的有2个核心问题。

1）如何自适应计算心跳间隔 从而使得心跳间隔 接近 当前NAT 超时时间？

答：不断增加心跳间隔时间进行心跳应答测试，直到心跳失败5次后，即可找出最接近 当前NAT 超时时间的心跳间隔时间。

具体请看下图：

注：只有当心跳间隔 接近 NAT 超时时间 时，才能最大化平衡 长连接不中断 & 设备资源消耗最低的问题。

2）如何检测 当前网络环境的NAT 超时时间 发生了变化 ？

答：当前发送心跳包成功 的最大间隔时间（即最接近NAT超时时间的心跳间隔） 发送失败5次后，则判断当前网络环境的NAT 超时时间 发生了变化。

具体请看下图：

注：在检测到 NAT 超时时间 发生变化后，重新自适应计算心跳间隔 从而使得心跳间隔 接近 NAT 超时时间

总结一下：统筹以上2个核心问题，总结出自适应心跳间隔时间设计方案为下图：

PS：关于自适应心跳机制的设计和实现，可以详细参考：

1. 《移动端IM实践：实现Android版微信的智能心跳机制》；
2. 《一种Android端IM智能心跳算法的设计与实现探讨（含样例代码）》。

10、断线重连机制的实现

技术上来说：长连接的心跳保活依赖于心跳机制，在心跳机制起作用的情况下，适时启动断线重连机制，在心跳机制和断线重连机制的共同作用下才能实现真正的心跳保活。但为了让逻辑更清晰，我把断线重连机制跟心跳机制单独各作为一节来讲解。本节讲的是断片线重连机制。

该机制的核心在于：如何判断长连接的有效性。即：什么情况下视为长连接断线？

1）设计原则：

基本逻辑就是：判断长连接是否有效的准则 = 服务器是否返回心跳应答。

此处需要分清长连接的“存活 & 有效“状态的区别：

 

2）具体方案：

实现思路：通过计数计算，若连续5次发送心跳后，服务器都无心跳应答，则视为长连接无效。

判断流程：

3）网上流传的方案：

在网上流传着一些用于判断长连接是否有效的方案，具体介绍如下： 

至此，关于心跳保活机制已经讲解完毕。

11、方案小结

有必要总结一下我在上两节分享的心跳机制和断线重连机制，这两个机制组成了本文的长连接心跳保活完整逻辑。

设计方案： 

流程设计：

注：标识 “灰色” 的判断流程参考上文描述。

12、进一步优化和完善心跳保活方案

12.1 基本情况

上两节中的方案依然会存在技术缺陷，从而导致长连接断开（比如：长连接本身不可用（此时重连多少次也没用））。

下面将优化和完善上述方案，从而保证 客户端与服务器依然保持着通信状态。

优化点主要是：

• 1）确保当前网络的有效性和稳定性再开始长连接；
• 2）自适应计算心跳包间隔时间的时机。

12.2 确保网络的有效性和稳定性后再开始长连接

问题描述：

解决方案：

加入到原有的心跳保活机制主流程：

12.3 自适应计算心跳包间隔时间的时机

问题描述：

方案设计：

加入到到原有的心跳保活机制主流程：

12.4 小结一下

13、额外思考：TCP协议自带的KeepAlive机制能否替代心跳机制？

很多人认为，TCP 协议自身就有KeepAlive机制，为何基于它的通讯链接，仍需在应用层实现额外的心跳保活机制？

• 结论是：无法替代；
• 原因是：TCP KeepAlive机制的作用是检测连接的有无（死活），但无法检测连接是否有效。

注：“连接有效”的定义 = 双方具备发送 & 接收消息的能力。

先来看看KeepAlive 机制是什么：

 

KeepAlive 的机制不可替代心跳机制的具体原因如下：

特别注意：

• 1）KeepAlive 机制只是操作系统底层的一个被动机制，不应该被上层应用层使用；
• 2）当系统关闭一个由KeepAlive 机制检查出来的死连接时，是不会主动通知上层应用的，只能通过调用相应IO操作的返回值中发现。

小结一下就是：KeepAlive机制无法代替心跳机制，需要在应用层 自己实现心跳机制以检测长连接的有效性，从而高效维持长连接。

Jack Jiang注：关于TCP本身的KeepAlive机制，可能详读：

1. 《为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？》
2. 《彻底搞懂TCP协议层的KeepAlive保活机制》

14、本文总结

看完本文后，相信在高效维持长连接的需求下，你可以完美地解决了！

本文方案的主体设计就是：

方案的优化和完善内容就是：

15、参考资料

[1] TCP/IP详解 卷1：协议

[2] 为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？

[3] 彻底搞懂TCP协议层的KeepAlive保活机制

[4] 万字长文，一篇吃透WebSocket：概念、原理、易错常识、动手实践

[5] 移动端IM实践：实现Android版微信的智能心跳机制

[6] 移动端IM实践：WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析

[7] 微信团队原创分享：Android版微信后台保活实战分享(网络保活篇)

[8] 融云技术分享：融云安卓端IM产品的网络链路保活技术实践

[9] 阿里IM技术分享(五)：闲鱼亿级IM消息系统的及时性优化实践

[10] 2020年了，Android后台保活还有戏吗？看我如何优雅的实现！

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-3908-1-1.html）