iOS中长连接的那些事

庄周梦了个蝶
328 阅读8分钟

一、长连接在iOS开发中的作用

一般的App的网络请求都是基于Http进行的，使用的是NSURLConnection、NSURLSession或者是AFNetworking，Http链接最显著的特点就是客户端每一次需要主动向服务端发送请求，都需要经历建立链接、发送请求、返回数据、关闭链接这几个阶段，是一种单向请求且无状态的协议。而有的时候，我们需要服务端主动往客户端进行推送服务的时候，这个时候长连接就起作用了。苹果提供的push服务apns就是典型的长连接的应用，IM应用、订单推送这些也是长连接的典型应用。长连接的特点是一旦通过三次握手建立链接之后，该条链路就一直存在，而且该链路是一种双向的通行机制，适合于频繁的网络请求，避免Http每一次请求都会建立链接和关闭链接的操作，减少浪费，提高效率。

二、通信网络的一些基本概念

长连接的一般实现方式都是基于TCP或者UDP协议完成的。这个时候我们就需要一些基本的通信网络概念。

2.1 OSI七层网络协议

开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。

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  • 物理层：负责机械、电子、定时接口通信信道上的原始比特流的传输。

  • 数据链路层：负责物理寻址，同时将原始比特流转变成逻辑传输线路。

  • 网络层：控制子网的运行，如逻辑编址、分组传输、路由选择。

  • 传输层：接受上一层的数据，在必要的时候把数据进行分割，并将这些数据交给网络层，且保证这些数据段有效到达对方。

  • 会话层：不同机器上的用户之间建立以及管理回话。

  • 表示层：信息的语法语义以及它们的关联，如加密解密、转换翻译、压缩解压缩。

  • 应用层：各种应用程序协议，如Http、Ftp、SMTP、POP3。

2.2、IP、TCP和Http

socket翻译为套接字，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。它不属于OSI七层协议，它只是对于TCP，UDP协议的一套封装，让我们开发人员更加容易编写基于TCP、UDP的应用。

使用socket进行TCP通信的基本流程如下：

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socket编程中我们经常使用到的函数

// socket()函数用于根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个套接口的描述字及其所用的资源。如果协议protocol未指定(等于0), 则使用缺省的连接方式。
socket(af,type,protocol)

// 将一本地地址与一套接口捆绑。本函数适用于未连接的数据报或流类套接口，在connect()或listen()调用前使用。当用socket()创建套接口后，它便存在于一个名字空间（地址族）中，但并未赋名。bind()函数通过给一个未命名套接口分配一个本地名字来为套接口建立本地捆绑(主机地址/端口号).
bind(sockid, local addr, addrlen)

// 创建一个套接口并监听申请的连接.
listen( Sockid ,quenlen)

// 用于建立与指定socket的连接.
connect(sockid, destaddr, addrlen)

// 在一个套接口接受一个连接.
accept(Sockid，Clientaddr, paddrlen)

// 用于向一个已经连接的socket发送数据，如果无错误，返回值为所发送数据的总数，否则返回SOCKET_ERROR。
send(sockid, buff, bufflen) 

// 用于已连接的数据报或流式套接口进行数据的接收。
recv()

// 指向一指定目的地发送数据，sendto()适用于发送未建立连接的UDP数据包 （参数为SOCK_DGRAM）
sendto(sockid,buff,…,addrlen) 

// 用于从（已连接）套接口上接收数据，并捕获数据发送源的地址。
recvfrom()

// 关闭Socket连接
close(socked)

四、实现一个简单的基于TCP的Socket通信Demo

4.1、客户端实现代码

    // 1、 创建socket
    /**
     参数
     domain: 协议域，AF_INET --> IPV4
     type: Socket 类型， SOCK_STREAM(TCP)/SOCKET_DGRAM(报文 UDP)
     protocol: IPPROTO_TCP，如果传入0，会自动根据第二个参数，选择合适的协议
     
     返回值
     socket
     */
    int clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 2、 连接到服务器
    /**
     参数
     1> 客户端socket
     2> 指向数据结构sockaddr的指针，其中包括目的端口和IP地址
     3> 结构体数据长度
     
     返回值
     0 成功/其他 错误代号
     */
    struct sockaddr_in serverAddr;
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    //端口
    serverAddr.sin_port = htons(12345);
    //地址
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    int connResult = connect(clientSocket, (const struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
    if (connResult == 0) {
        NSLog(@"连接成功");
    }else{
        NSLog(@"连接失败 %zi",connResult);
        return;
    }
    
    // 3、发送数据到服务器
    /**
     参数
     1> 客户端socket
     2> 发送内容地址
     3> 发送内容长度
     4> 发送方式标志，一般为0
     返回值
     如果成功，则返回发送的字节数，失败则返回SOCKET_ERROR
     */
    NSString *sendMsg = @"Hello";
    ssize_t sendLen = send(clientSocket, sendMsg.UTF8String, strlen(sendMsg.UTF8String), 0);
    NSLog(@"发送了 %zi 个字节",sendLen);
    
    
    // 4、 从服务器接受数据
    /**
     参数
     1> 客户端socket
     2> 接受内容缓冲区地址
     3> 接受内容缓冲区长度
     4> 接收方式，0表示阻塞，必须等待服务器返回数据
     返回值
     如果成功，则返回读入的字节数，失败则返回SOCKET_ERROR
     */
    uint8_t buffer[1024];//将空间准备出来
    
    ssize_t recvLen = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    NSLog(@"接收到了 %zi 个字节",recvLen);
    
    NSData *data = [NSData dataWithBytes:buffer length:recvLen];
    NSString *str = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"接收到数据为 %@",str);
    
    // 5、 关闭
    close(clientSocket);

4.2、服务端Socket使用nc命令代替

打开mac命令行终端 输入 nc -lk 12345

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五、CocoaAsyncSocket

CocoaAsyncSocket是谷歌基于BSD-Socket写的一个IM框架，它给Mac和iOS提供了易于使用的、强大的异步套接字库，向上封装出简单易用OC接口。省去了我们面向Socket以及数据流Stream等繁琐复杂的编程，而且支持TCP或者UDP协议，支持IPv4和IPv6，支持TLS/SSL安全传输，并且是线程安全的。开源项目地址为github.com/robbiehanso…。

5.1、基于CocoaAsyncSocket实现的客户端代码

#import "GCDAsyncSocket.h"

@interface ViewController2 ()<GCDAsyncSocketDelegate>

@property (nonatomic, strong) GCDAsyncSocket *clientSocket;

@end

@implementation ViewController2

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.view.backgroundColor = [UIColor redColor];
    UIButton *btn = [[UIButton alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 400, 300, 60)];
    btn.backgroundColor = [UIColor orangeColor];
    [btn setTitle:@"发送数据" forState:UIControlStateNormal];
    [btn addTarget:self action:@selector(clickBtn) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];
    [self.view addSubview:btn];
    
    self.clientSocket = [[GCDAsyncSocket alloc] initWithDelegate:self delegateQueue:dispatch_get_main_queue()];
    
    NSError *error = nil;
    [self.clientSocket connectToHost:@"127.0.0.1" onPort:12345 error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"error == %@",error);
    }
}

- (void)clickBtn{
    NSString *msg = @"发送数据: 你好\r\n";
    NSData *data = [msg dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    // withTimeout -1 : 无穷大,一直等
    // tag : 消息标记
    [self.clientSocket writeData:data withTimeout:-1 tag:0];
}

- (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didConnectToHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port
{
    NSLog(@"链接成功");
    NSLog(@"服务器IP: %@-------端口: %d",host,port);
}

- (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didWriteDataWithTag:(long)tag
{
    NSLog(@"发送数据 tag = %zi",tag);
    [sock readDataWithTimeout:-1 tag:tag];
}

- (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didReadData:(NSData *)data withTag:(long)tag
{
    NSString *str = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"读取数据 data = %@ tag = %zi",str,tag);
    // 读取到服务端数据值后,能再次读取
    [sock readDataWithTimeout:- 1 tag:tag];

}

- (void)socketDidDisconnect:(GCDAsyncSocket *)sock withError:(NSError *)err
{
    NSLog(@"断开连接");
    self.clientSocket.delegate = nil;
    self.clientSocket = nil;
}
@end

5.2、服务端Socket使用nc命令代替

打开mac命令行终端 输入 nc -lk 12345

5.3、演示结果

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六、补充知识

6.1、长连接为什么要保持心跳？

国内移动无线网络运营商在链路上一段时间内没有数据通讯后, 会淘汰NAT表中的对应项, 造成链路中断。而国内的运营商一般NAT超时的时间为5分钟，所以通常我们心跳设置的时间间隔为3-5分钟。

6.2、长连接选择TCP协议还是UDP协议？

使用TCP进行数据传输的话，简单、安全、可靠，但是带来的是服务端承载压力比较大。

使用UDP进行数据传输的话，效率比较高，带来的服务端压力较小，但是需要自己保证数据的可靠性，不作处理的话，会导致丢包、乱序等问题。

如果你的技术团队实力过硬，你可以选择UDP协议，否则还是使用TCP协议比较好。据说腾讯IM就是使用的UDP协议，然后还封装了自己的私有协议，来保证UDP数据包的可靠传输。

七、参考文章

IP，TCP 和 HTTP
玩转iOS开发：iOS中的Socket编程
iOS即时通讯，从入门到“放弃”
单机最大tcp连接数

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