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。

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。

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