心跳包是什么？有什么用？
心跳一般是指客戶端（也可以是服務器端）向對方每隔一段時間發送一個應用層的自定義指令，以確保連接的有效性。因為是固定間隔，同時是檢測存活，就像人的心跳一樣，顧名思義，稱為心跳包。一般是用於長連接，對消息實時性要求比較高的服務中，比如IM服務，推送服務。
長連接有什么用？
在即時通訊領域和推送服務中，對消息的實時性和可用性要求非常高，建立長連接，可以有效節省DNS解釋時間，TCP/IP三次握手時間，同時為了保證連接是可用的，不至於經常發了消息對方無法收到，必須要有一種機制檢測連接的有效性。TCP是一個基於連接的協議，連接是由一個狀態機進行維護，當連接建立成功后，雙方都處於established ，除非我們進行主動調用，否則狀態一直不會變化，即使中間路由已經崩潰，網線已經被剪斷。TCP有一種KeepAlive機制，TCP層在定時時間發送相應的KeepAlive探針以確保連接的可用性，默認每7200秒發送一次，超過75秒沒有返回就超時，超時后重試10次，雖然可以修改默認值，但仍然無法滿足要求。尤其是考慮到一種特殊情況，TCP連接存活，但是主機不處於存活狀態，比如CPU負載到100%，無法響應任何請求。這時候，就需要客戶端主動切斷連接，主動切換到其他備用機。
移動端面臨的挑戰
通常，我們一個家庭里面只接入一根網線，所有設備通過路由器共用一個出口IP，路由器就是一個NAT設備，NAT設備在IP封包流過設備的時候，自動修改源和目標地址，家用路由器甚至基於NAPT修改端口號，路由器內部會維護一個NAT映射表
比如內網里面的172.1.1.2:7777 對應外網221.22.2.1:8888等。我們的手機接入的蜂窩網絡后，運營商就會給我們分配一個內網IP（類似10.2.2.3），由運營商的網管維護一個NAT的映射表，確保手機能接入互聯網。大部分運營商會在手機一段時間沒有數據通訊的時候，會把設備從NAT表中剔除，造成了連接中斷，但是對TCP連接的雙方是不可感知的，服務端就無法給客戶端發送消息。像中國移動和中國聯通的NAT超時時間是5分鍾，國際上運營商普遍都是大於28分鍾。
實現方案
合理間隔
心跳太短保證不了可靠性，太頻繁會帶來高耗電和大量的流量消耗，這在移動設備上面是不可接受的。最合理的解決方案是設定一個合理的間隔，一般可以根據程序狀態進行調整，逐步拉長心跳間隔，5分鍾，10分鍾，甚至15分鍾。服務端進行可靠性判斷的時候也可以放寬標准，只有N次超時才被認為是連接已經斷開。心跳的周期以最后一條指令為准，而非固定間隔。
自定義應用層實現協議
在DEMO中，雙方約定一個協議，發送方先對管道寫入一個8位的byte值，接收方只要一接收到數據，馬上按照byte類型標准讀取前8位，通過這一個字節的值來確定對方現在發過來的是什么類型的數據。為什么要選擇byte呢？因為byte足夠短，只占用一個字節，盡量減少數據傳輸量，可以通過一個字節表達256種情況。當然根據實際業務需求，選擇int，long類型也是完全沒問題的。
在這個例子中，我們約定byte的值是1的話，那么我們解釋為心跳包，后面不再有數據，直接在屏幕中打印收到客戶端的心跳包，byte的值是2的話，我們知道對方要發一個字符串過來，那么需要進一步處理，再次調用readUTF方法，讀取一個UTF-8字符串
下面是一個用JAVA實現的心跳包DEMO，主要用了多線程和Socket
服務端代碼
服務端建立一個類，采用同步多線程模式，主類負責接收socket請求，子線程Worker類負責處理業務邏輯
public class Server {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(30000); //實例化ServerSocket，綁定監聽本機的30000端口
while(true){
Socket socket = serverSocket.accept(); //這個是阻塞方法，只有監聽到客戶端連接過來了，才會繼續往下走。
System.out.println(socket.getInetAddress().getHostName()+"連接到服務器...");
//Worker線程啟動代碼
Worker worker = new Worker(socket);
new Thread(worker).start();
}
}catch (Exception e){
System.out.println("主線程拋出異常");
e.printStackTrace();
}
}
}
Worker線程
class Worker implements Runnable{
private Socket socket;
private InputStream in;
private OutputStream out;
private ObjectInputStream ois;
private boolean flag = true;
public Worker(Socket socket){
try{
this.socket = socket; //要獲得一個從主線程傳過來的客戶端socket實例，每個客戶端都不一樣
in = socket.getInputStream(); //從客戶端實例中，獲取輸入流實例
out = socket.getOutputStream(); //獲取輸出流實例
ois = new ObjectInputStream(in); //實例化ObjectInputStream
}catch (Exception e){
System.out.println("worker構造函數拋出異常");
e.printStackTrace();
}
}
public void run(){
try{
while(flag) {
//協議的第一位是數字，先讀取第一位
int type = ois.readByte();
if(type == 1){
//第一位是1的話，就直接當心跳包處理
System.out.println("收到"+socket.getInetAddress().getHostAddress()+"發送過來的心跳包");
}else if(type == 2){
//第一位是2的話，我們可以知道，對方發過來的是UTF-8格式的String，所以可以調用readUTF方法繼續讀取
System.out.println(socket.getInetAddress().getHostAddress()+"說:"+ois.readUTF());
}
}
}catch (EOFException e){
System.out.println("對方已關閉連接");
flag = false;
} catch (IOException ioe) {
ioe.printStackTrace();
}finally {
if(socket != null) {
try{
socket.close();
}catch (Exception e){
;
}
}
}
}
}
客戶端代碼
public class Client {
private static final String host = "127.0.0.1"; //目標地址，這里是本機
private static final int port = 30000; //目標端口
public static void main(String[] args) {
Socket socket = new Socket();
try{
socket.connect(new InetSocketAddress(host,port)); //建立socket連接
OutputStream out = socket.getOutputStream(); //從socket中獲取讀取流的實例
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out); //實例化ObjectOutputStream ，用於自定義的傳輸協議
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); //用來讀取鍵盤輸入，用了緩沖類
TimeStore timeStore = new TimeStore(); //建立一個類來存儲數據最后發送時間
new Thread(new SendHeartbeat(oos,timeStore)).start(); //啟動心跳業務線程
String line = new String();
//下面幾行代碼用於獲取用戶輸入
while((line = bufferedReader.readLine()) != null){
oos.writeByte(2); //要發送的是自定義協議的字符串，先寫入一個2，告訴服務端，准備發送字符串數據
oos.writeUTF(line); //寫入一個UTF字符串到流中
oos.flush();
timeStore.setLastSendTime(System.currentTimeMillis()); //記錄最后的寫入時間到時間存儲類
}
oos.close();
bufferedReader.close();
}catch (IOException e){
System.out.println("數據寫入IO異常");
}finally {
try {
socket.close();
}catch (IOException e2){
e2.printStackTrace();
}
}
}
}
發送心跳的邏輯
心跳專門開一條線程來發送，這樣不受主線程業務的堵塞代碼影響
class SendHeartbeat implements Runnable{
private ObjectOutputStream oos;
private TimeStore timeStore;
public SendHeartbeat(ObjectOutputStream oos,TimeStore timeStore){
this.oos = oos;
this.timeStore = timeStore;
}
public void run(){
try{
while(true){
Thread.sleep(1000); //死循環，每秒啟動一次
//當上次發送時間是在10秒或之前，才發送心跳
if((System.currentTimeMillis() - timeStore.getLastSendTime()) >= 10*1000){
//寫入1，告訴服務端發送的是心跳包
oos.writeByte(1);
oos.flush();
//記錄時間
timeStore.setLastSendTime(System.currentTimeMillis());
}
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
}
時間存儲類，用於記錄最后發送的時間
class TimeStore{
private long lastSendTime;
//多線程下讀取需要加鎖
public synchronized long getLastSendTime() {
return lastSendTime;
}
//同樣，多線程下寫入需要加鎖
public synchronized void setLastSendTime(long lastSendTime) {
this.lastSendTime = lastSendTime; //把時間放到私有屬性
System.out.println("最后一次發包時間"+ new java.text.SimpleDateFormat("dd/MM/yyyy HH:mm:ss").format(new java.util.Date(lastSendTime))); //把發包時間打印到屏幕上
}
}
效果
心跳包的挑戰：信令風暴
2013年，中國移動曾把刀口指向了微信，正是因為心跳包可能會引起的信令風暴，微信占用了中移動60%的信令資源，但僅帶來10%的移動數據流量。每次發送心跳包，都需要移動通信網絡為用戶分配資源，分配的過程體現在信令的發送和接收上。一次心跳包的發送過程，牽涉的信令多達幾十條。后來微信對心跳間隔進行了優化才暫時平息了這場風波。微信采用的方案是當微信處於前台活躍狀態時，使用固定心跳。微信進入后台（或者前台關屏）時，先用幾次最小心跳維持長鏈接。然后進入后台自適應心跳計算。這樣做的目的是盡量選擇用戶不活躍的時間段，來減少心跳計算可能產生的消息不及時收取影響。詳看微信心跳包優化方案