1 前言

可能很多 Java 程序員對 TCP 的理解只有一個三次握手，四次揮手的認識，我覺得這樣的原因主要在于 TCP 協議本身稍微有點抽象（相比較于應用層的 HTTP 協議）;其次，非框架開發者不太需要接觸到 TCP 的一些細節。其實我個人對 TCP 的很多細節也并沒有完全理解，這篇文章主要針對微信交流群里有人提出的長連接，心跳的問題，做一個統一的整理。

在 Java 中，使用 TCP 通信，大概率會涉及到 Socket、Netty，本文會借用它們的一些 API 和設置參數來輔助介紹。

2 長連接與短連接

TCP 本身并沒有長短連接的區別，長短與否，完全取決于我們怎么用它。

短連接：每次通信時，創建 Socket;一次通信結束，調用 socket.close（）。這就是一般意義上的短連接，短連接的好處是管理起來比較簡單，存在的連接都是可用的連接，不需要額外的控制手段。

長連接：每次通信完畢后，不會關閉連接，這樣就可以做到連接的復用。長連接的好處便是省去了創建連接的耗時。

短連接和長連接的優勢，分別是對方的劣勢。想要圖簡單，不追求高性能，使用短連接合適，這樣我們就不需要操心連接狀態的管理;想要追求性能，使用長連接，我們就需要擔心各種問題：比如端對端連接的維護，連接的保活。

長連接還常常被用來做數據的推送，我們大多數時候對通信的認知還是 request/response 模型，但 TCP 雙工通信的性質決定了它還可以被用來做雙向通信。在長連接之下，可以很方便的實現 push 模型。

短連接沒有太多東西可以講，所以下文我們將目光聚焦在長連接的一些問題上。純講理論未免有些過于單調，所以下文我借助 Dubbo 這個 RPC 框架的一些實踐來展開 TCP 的相關討論。

3 服務治理框架中的長連接

前面已經提到過，追求性能的時候，必然會選擇使用長連接，所以借助 Dubbo 可以很好的來理解 TCP。我們開啟兩個 Dubbo 應用，一個 server 負責監聽本地 20880（眾所周知，這是 Dubbo 協議默認的端口），一個 client 負責循環發送請求。執行 lsof-i:20880 命令可以查看端口的相關使用情況：

*：20880（LISTEN） 說明了 Dubbo 正在監聽本地的 20880 端口，處理發送到本地 20880 端口的請求。

后兩條信息說明請求的發送情況，驗證了 TCP 是一個雙向的通信過程，由于我是在同一個機器開啟了兩個 Dubbo 應用，所以你能夠看到是本地的 53078 端口與 20880 端口在通信。我們并沒有手動設置 53078 這個客戶端端口，他是隨機的，但也闡釋了一個道理：即使是發送請求的一方，也需要占用一個端口。

稍微說一下 FD 這個參數，他代表了文件句柄，每新增一條連接都會占用新的文件句柄，如果你在使用 TCP 通信的過程中出現了 open too many files 的異常，那就應該檢查一下，你是不是創建了太多的連接，而沒有關閉。細心的讀者也會聯想到長連接的另一個好處，那就是會占用較少的文件句柄。

4 長連接的維護

因為客戶端請求的服務可能分布在多個服務器上，客戶端端自然需要跟對端創建多條長連接，使用長連接，我們遇到的第一個問題就是要如何維護長連接。

//客戶端 public class NettyHandler extends SimpleChannelHandler {

private final Map《String， Channel》 channels = new ConcurrentHashMap《String， Channel》（）;// 《ip:port， channel》

} //服務端

public class NettyServer extends AbstractServer implements Server {

private Map《String， Channel》 channels;// 《ip:port， channel》

}

在 Dubbo 中，客戶端和服務端都使用 ip:port 維護了端對端的長連接，Channel 便是對連接的抽象。我們主要關注 NettyHandler 中的長連接，服務端同時維護一個長連接的集合是 Dubbo 的設計，我們將在后面提到。

5 連接的保活

這個話題就有的聊了，會牽扯到比較多的知識點。首先需要明確一點，為什么需要連接的報活？當雙方已經建立了連接，但因為網絡問題，鏈路不通，這樣長連接就不能使用了。需要明確的一點是，通過 netstat，lsof 等指令查看到連接的狀態處于 ESTABLISHED 狀態并不是一件非常靠譜的事，因為連接可能已死，但沒有被系統感知到，更不用提假死這種疑難雜癥了。如果保證長連接可用是一件技術活。

6 連接的保活：KeepAlive

首先想到的是 TCP 中的 KeepAlive 機制。KeepAlive 并不是 TCP 協議的一部分，但是大多數操作系統都實現了這個機制。KeepAlive 機制開啟后，在一定時間內（一般時間為 7200s，參數 tcp_keepalive_time）在鏈路上沒有數據傳送的情況下，TCP 層將發送相應的KeepAlive探針以確定連接可用性，探測失敗后重試 10（參數 tcp_keepalive_probes）次，每次間隔時間 75s（參數 tcp_keepalive_intvl），所有探測失敗后，才認為當前連接已經不可用。

在 Netty 中開啟 KeepAlive：

bootstrap.option（ChannelOption.TCP_NODELAY，true）

Linux 操作系統中設置 KeepAlive 相關參數，修改 /etc/sysctl.conf 文件：

net.ipv4.tcp_keepalive_time=90 net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=15 net.ipv4.tcp_keepalive_probes=2

KeepAlive 機制是在網絡層面保證了連接的可用性，但站在應用框架層面我們認為這還不夠。主要體現在兩個方面：

KeepAlive 的開關是在應用層開啟的，但是具體參數（如重試測試，重試間隔時間）的設置卻是操作系統級別的，位于操作系統的 /etc/sysctl.conf 配置中，這對于應用來說不夠靈活。

KeepAlive 的保活機制只在鏈路空閑的情況下才會起到作用，假如此時有數據發送，且物理鏈路已經不通，操作系統這邊的鏈路狀態還是 ESTABLISHED，這時會發生什么？自然會走 TCP 重傳機制，要知道默認的 TCP 超時重傳，指數退避算法也是一個相當長的過程。

KeepAlive 本身是面向網絡的，并不是面向于應用的，當連接不可用時，可能是由于應用本身 GC 問題，系統 load 高等情況，但網絡仍然是通的，此時，應用已經失去了活性，所以連接自然應該認為是不可用的。

看來，應用層面的連接保活還是必須要做的。

7 連接的保活：應用層心跳

終于點題了，文題中提到的心跳便是一個本文想要重點強調的另一個 TCP 相關的知識點。上一節我們已經解釋過了，網絡層面的 KeepAlive 不足以支撐應用級別的連接可用性，本節就來聊聊應用層的心跳機制是實現連接保活的。

如何理解應用層的心跳？簡單來說，就是客戶端會開啟一個定時任務，定時對已經建立連接的對端應用發送請求（這里的請求是特殊的心跳請求），服務端則需要特殊處理該請求，返回響應。如果心跳持續多次沒有收到響應，客戶端會認為連接不可用，主動斷開連接。不同的服務治理框架對心跳，建連，斷連，拉黑的機制有不同的策略，但大多數的服務治理框架都會在應用層做心跳，Dubbo 也不例外。

8 應用層心跳的設計細節

以 Dubbo 為例，支持應用層的心跳，客戶端和服務端都會開啟一個 HeartBeatTask，客戶端在 HeaderExchangeClient 中開啟，服務端將在 HeaderExchangeServer 開啟。文章開頭埋了一個坑：Dubbo 為什么在服務端同時維護 Map

// HeartBeatTask if （channel instanceof Client） {

（（Client） channel）.reconnect（）;

} else { channel.close（）;

}

熟悉其他 RPC 框架的同學會發現，不同框架的心跳機制真的是差距非常大。心跳設計還跟連接創建，重連機制，黑名單連接相關，還需要具體框架具體分析。

除了定時任務的設計，還需要在協議層面支持心跳。最簡單的例子可以參考 nginx 的健康檢查，而針對 Dubbo 協議，自然也需要做心跳的支持，如果將心跳請求識別為正常流量，會造成服務端的壓力問題，干擾限流等諸多問題。

其中 Flag 代表了 Dubbo 協議的標志位，一共 8 個地址位。低四位用來表示消息體數據用的序列化工具的類型（默認 hessian），高四位中，第一位為1表示是 request 請求，第二位為 1 表示雙向傳輸（即有返回response），第三位為 1 表示是心跳事件。

心跳請求應當和普通請求區別對待。

9 注意和 HTTP 的 KeepAlive 區別對待

HTTP 協議的 KeepAlive 意圖在于連接復用，同一個連接上串行方式傳遞請求-響應數據

TCP 的 KeepAlive 機制意圖在于保活、心跳，檢測連接錯誤。

這壓根是兩個概念。

10 KeepAlive 常見異常

啟用 TCP KeepAlive 的應用程序，一般可以捕獲到下面幾種類型錯誤

ETIMEOUT 超時錯誤，在發送一個探測保護包經過 （tcpkeepalivetime + tcpkeepaliveintvl * tcpkeepaliveprobes）時間后仍然沒有接收到 ACK 確認情況下觸發的異常，套接字被關閉 java java.io.IOException:Connectiontimedout

EHOSTUNREACH host unreachable（主機不可達）錯誤，這個應該是 ICMP 匯報給上層應用的。 java java.io.IOException:Noroute to host

鏈接被重置，終端可能崩潰死機重啟之后，接收到來自服務器的報文，然物是人非，前朝往事，只能報以無奈重置宣告之。 java java.io.IOException:Connectionresetbypeer

11 總結

有三種使用 KeepAlive 的實踐方案：

1.默認情況下使用 KeepAlive 周期為 2 個小時，如不選擇更改，屬于誤用范疇，造成資源浪費：內核會為每一個連接都打開一個保活計時器，N 個連接會打開 N 個保活計時器。 優勢很明顯：

TCP 協議層面保活探測機制，系統內核完全替上層應用自動給做好了

內核層面計時器相比上層應用，更為高效

上層應用只需要處理數據收發、連接異常通知即可

數據包將更為緊湊

2.關閉 TCP 的 KeepAlive，完全使用應用層心跳保活機制。由應用掌管心跳，更靈活可控，比如可以在應用級別設置心跳周期，適配私有協議。

3.業務心跳 + TCP KeepAlive 一起使用，互相作為補充，但 TCP 保活探測周期和應用的心跳周期要協調，以互補方可，不能夠差距過大，否則將達不到設想的效果。

各個框架的設計都有所不同，例如 Dubbo 使用的是方案三，但阿里內部的 HSF 框架則沒有設置 TCP 的 KeepAlive，僅僅由應用心跳保活。和心跳策略一樣，這和框架整體的設計相關。