HTTP 连接管理

HTTP 的连接管理也算得上是个“老生常谈”的话题了，你一定曾经听说过“短连接”“长连接”之类的名词，今天让我们一起来把它们弄清楚。

短连接

HTTP 协议最初（0.9/1.0）是个非常简单的协议，通信过程也采用了简单的“请求 - 应答”方式。

它底层的数据传输基于 TCP/IP，每次发送请求前需要先与服务器建立连接，收到响应报文后会立即关闭连接。

因为客户端与服务器的整个连接过程很短暂，不会与服务器保持长时间的连接状态，所以就被称为“短连接”（short-lived connections）。早期的 HTTP 协议也被称为是“无连接”的协议。

短连接的缺点相当严重，因为在 TCP 协议里，建立连接和关闭连接都是非常“昂贵”的操作。TCP 建立连接要有“三次握手”，发送 3 个数据包，需要 1 个 RTT；关闭连接是“四次挥手”，4 个数据包需要 2 个 RTT。

而 HTTP 的一次简单“请求 - 响应”通常只需要 4 个包，如果不算服务器内部的处理时间，最多是 2 个 RTT。这么算下来，浪费的时间就是“3÷5=60%”，有三分之二的时间被浪费掉了，传输效率低得惊人。

长连接

针对短连接暴露出的缺点，HTTP 协议就提出了“长连接”的通信方式，也叫“持久连接”（persistent connections）、“连接保活”（keep alive）、“连接复用”（connection reuse）。

其实解决办法也很简单，用的就是“成本均摊”的思路，既然 TCP 的连接和关闭非常耗时间，那么就把这个时间成本由原来的一个“请求 - 应答”均摊到多个“请求 - 应答”上。

这样虽然不能改善 TCP 的连接效率，但基于“分母效应”，每个“请求 - 应答”的无效时间就会降低不少，整体传输效率也就提高了。

在短连接里发送了三次 HTTP“请求 - 应答”，每次都会浪费 60% 的 RTT 时间。而在长连接的情况下，同样发送三次请求，因为只在第一次时建立连接，在最后一次时关闭连接，所以浪费率就是“3÷9≈33%”，降低了差不多一半的时间损耗。显然，如果在这个长连接上发送的请求越多，分母就越大，利用率也就越高。

由于 TCP 协议还有“慢启动”“拥塞窗口”等特性，通常新建立的“冷连接”会比打开了一段时间的“热连接”要慢一些，所以长连接比短连接还多了这一层的优势。

在长连接中的一个重要问题是如何正确地区分多个报文的开始和结束，所以最好总使用“Content-Length”头明确响应实体的长度，正确标记报文结束。如果是流式传输，body 长度不能立即确定，就必须用分块传输编码。

利用 HTTP 的长连接特性对服务器发起大量请求，导致服务器最终耗尽资源“拒绝服务”，这就是常说的 DOS。使用多台客户端对服务器发起请求，导致服务器“拒绝服务”，是 DDOS。

连接相关的头字段

由于长连接对性能的改善效果非常显著，所以在 HTTP/1.1 中的连接都会默认启用长连接。不需要用什么特殊的头字段指定，只要向服务器发送了第一次请求，后续的请求都会重复利用第一次打开的 TCP 连接，也就是长连接，在这个连接上收发数据。

当然，我们也可以在请求头里明确地要求使用长连接机制，使用的字段是 Connection，值是“keep-alive”。

不过不管客户端是否显式要求长连接，如果服务器支持长连接，它总会在响应报文里放一个“Connection: keep-alive”字段，告诉客户端：“我是支持长连接的，接下来就用这个 TCP 一直收发数据吧”。

不过长连接也有一些小缺点，问题就出在它的“长”字上。

因为 TCP 连接长时间不关闭，服务器必须在内存里保存它的状态，这就占用了服务器的资源。如果有大量的空闲长连接只连不发，就会很快耗尽服务器的资源，导致服务器无法为真正有需要的用户提供服务。

所以，长连接也需要在恰当的时间关闭，不能永远保持与服务器的连接，这在客户端或者服务器都可以做到。

在客户端，可以在请求头里加上“Connection: close”字段，告诉服务器：“这次通信后就关闭连接”。服务器看到这个字段，就知道客户端要主动关闭连接，于是在响应报文里也加上这个字段，发送之后就调用 Socket API 关闭 TCP 连接。

服务器端通常不会主动关闭连接，但也可以使用一些策略。拿 Nginx 来举例，它有两种方式：

使用“keepalive_timeout”指令，设置长连接的超时时间，如果在一段时间内连接上没有任何数据收发就主动断开连接，避免空闲连接占用系统资源。
使用“keepalive_requests”指令，设置长连接上可发送的最大请求次数。比如设置成 1000，那么当 Nginx 在这个连接上处理了 1000 个请求后，也会主动断开连接。

另外，客户端和服务器都可以在报文里附加通用头字段“Keep-Alive: timeout=value”，限定长连接的超时时间。但这个字段的约束力并不强，通信的双方可能并不会遵守，所以不太常见。

Connection 字段还有一个取值：“Connection: Upgrade”，配合状态码 101 标识协议升级，例如从 HTTP 切换到 WebSocket。

队头阻塞

看完了短连接和长连接，接下来就要说到著名的“队头阻塞”（Head-of-line blocking，也叫“队首阻塞”）了。

“队头阻塞”与短连接和长连接无关，而是由 HTTP 基本的“请求 - 应答”模型所导致的。

因为 HTTP 规定报文必须是“一发一收”，这就形成了一个先进先出的“串行”队列。队列里的请求没有轻重缓急的优先级，只有入队的先后顺序，排在最前面的请求被最优先处理。

如果队首的请求因为处理的太慢耽误了时间，那么队列里后面的所有请求也不得不跟着一起等待，结果就是其他的请求承担了不应有的时间成本。

性能优化

因为“请求 - 应答”模型不能变，所以“队头阻塞”问题在 HTTP/1.1 里无法解决，只能缓解，有什么办法呢？

在 HTTP 里可以使用“并发连接”（concurrent connections），也就是同时对一个域名发起多个长连接，用数量来解决质量的问题。

但这种方式也存在缺陷。如果每个客户端都想自己快，建立很多个连接，用户数×并发数就会是个天文数字。服务器的资源根本就扛不住，或者被服务器认为是恶意攻击，反而会造成“拒绝服务”。

所以，HTTP 协议建议客户端使用并发，但不能“滥用”并发。RFC2616 里明确限制每个客户端最多并发 2 个连接。不过实践证明这个数字实在是太小了，众多浏览器都“无视”标准，把这个上限提高到了 6~8。后来修订的 RFC7230 也就“顺水推舟”，取消了这个“2”的限制。

但“并发连接”所压榨出的性能也跟不上高速发展的互联网无止境的需求，还有什么别的办法吗？

还可以使用“域名分片”（domain sharding）技术，还是用数量来解决质量的思路。

HTTP 协议和浏览器不是限制并发连接数量吗？好，那我就多开几个域名，比如 shard1.chrono.com、shard2.chrono.com，而这些域名都指向同一台服务器的 IP 地址，这样实际长连接的数量就又上去了，真是“美滋滋”。不过实在是有点“上有政策，下有对策”的味道。

总结

早期的 HTTP 协议使用短连接，收到响应后就立即关闭连接，效率很低；
HTTP/1.1 默认启用长连接，在一个连接上收发多个请求响应，提高了传输效率；
服务器会发送“Connection: keep-alive”字段表示启用了长连接；
报文头里如果有“Connection: close”就意味着长连接即将关闭；
过多的长连接会占用服务器资源，所以服务器会用一些策略有选择地关闭长连接；
队头阻塞”问题会导致性能下降，可以用“并发连接”和“域名分片”技术缓解；

HTTP 的连接管理还有第三种方式 pipeline （管道），它在长连接的基础上又进了一步，可以批量发送请求批量接收响应，但因为存在一些问题，Chrome、Firefox 等浏览器都没有实现它，已经被事实上“废弃”了。

知识拓展

1. 在开发基于 HTTP 协议的客户端时应该如何选择使用的连接模式呢？短连接还是长连接？

需要看业务场景。如果只需要一次交互就完成，那就选短连接。否则，就选长连接。

2. 应当如何降低长连接对服务器的负面影响呢？

使用一定的限制措施。可以使用超时时间或者限制同一连接最大请求次数。