Android下载器之限速篇

0x01 前言

终于考完了马原完成了大学的最后一门考试，可以愉快的写代码了～今天就来记录一下我的下载器中是如何实现限速的。

0x02 限速的对象

市面上常见的专业下载器都会提供下载/上传限速这个功能，那限速究竟是限的哪一个速度呢？

我们都知道HTTP/HTTPS的传输层协议是TCP，TCP是基于字节流的。字节流在Java中对应的就是InputStream和OutputStream。基于TCP的传输层下载/上传的步骤一般是

建立TCP连接，对应Java的Socket.connect()。这期间会经历三次握手，是一个耗时过程，可以使用连接复用优化（OKHttp已经做了连接池缓存）。
连接成功后就可以根据需要收发数据，利用Socket获取到连接的InputStream和OutputStream操作即可。
关闭连接。

以下载为例，首先连接步骤是不需要限速的，因为连接部分通常是很快的，并且往往都想要连接更加快速。所以，我们限速的对象肯定就是从socket的InputStream这一步骤。

0x03 如何“限速”？

首先，这里的限速并不是真的限制读写数据流每时每刻的速度。这里要分清高中物理学过的两个概念——瞬时速度和平均速度。

设 $s(t)$ 为 $t$ 时刻下载的字节， $v$ 为下载速度则有:

v_{瞬时} = \frac{\mathrm{d}s(t)}{\mathrm{d}t}

v_{平均} = \frac{s(t_2) - s(t_1)}{t_2 - t_1}

下载的瞬时速度和很多东西有关：硬件、网络状况、系统等， $s(t)$ 是我们无法控制的。但是有一个东西我们是,那就是 $\Delta{t} = s(t_2) - s(t_1)$ 。

我们下载的时候往往是在一个循环中不断的从网络读取数据到内存。我们可以在read之前记录时间 $t_1$ ，read操作之后记录时间 $t_2$ 。然后假设我们想要将下载的速度限制为 $v_{expected}$ ，那么，我们读取这段 $\Delta{s}$ 字节的数据期望耗时为：

t_{expected} = \frac{\Delta{s}}{v_{expected}}

令

则当 $\Delta{t} > 0$ 时，说明当前下载速度快，我们就可以调用Thread.sleep()这段时间，使得在宏观上下载的平均速度在我们的限制条件内。

另外，如果是多线程多任务，实际上平均分配速度即可。即任务间平均分配总速度，任务内线程平均分配任务获得的速度； $\Delta{t} \leq 0$ 时是符合限制的。

0x04 代码实现

// 连接、获取输入流
...

int readSize;
long start;

do {
    start = System.nanoTime();
    readSize = inputStream.read(buffer, 0, buffer.length);
    // targetBps是这个任务分配到的速度，targetBps < 0表示不限速
    if (readSize > 0 && targetBps > 0) {
        // downloadThreadCount是下载线程数
        long sleepDurarion = (long) (readSize * 1000.0 / (targetBps / Math.max(downloadThreadCount, 1)) - (System.nanoTime() - start) / 1000_000.0);
        
        if (sleepDuration > 0) {
            try {
                Thread.sleep(sleepDuration);
            } catch (InterruptedException e) {
                // do nothing
            }
        }
    }
} while (readSize > 0);

0x05 其他

上面主要是以下载为例，事实上任何I/O流的操作都可以通过这种方式在宏观上“限速”。

因为这种方法限制的是平均速度，所以如果装有网速监测软件，可能会看到波动的网络速度变化。

实现了限速功能的下载器项目传送门，支持多任务、多线程、多进程、断点续传、速度限制等等...

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