TCP長連接詳解

一、什麼是TCP長連接

TCP連接在網絡通信中絕對是一個基礎、關鍵而又常見的概念。而長連接又是TCP連接的一種特殊形態。所謂TCP長連接，指的是建立起來的TCP連接不會輕易的中斷或關閉，而是一直保持連接狀態，直至完成或出現意外斷連。

與之對應的是短連接，即數據傳輸一次完成後，連接就會自動關閉。相比之下，長連接有很多優點，因此在實際開發中非常常用。我們可以通過幾種方式來實現TCP長連接：保持TCP連接處於連接狀態、服務器空閑狀態發送心跳包來實現保活機制、應用層心跳等，後面我們會詳細介紹這些內容。

二、TCP長連接的優點和缺點

長連接的優點主要有以下幾點：

1、減少了TCP的握手次數，減少了資源的佔用。

2、避免了服務端資源的頻繁分配，提高了性能。

3、客戶端可以更快速的獲取到服務器上的數據，同時也提高了用戶的體驗。

然而，長連接也存在缺點：

1、可能存在部分數據丟失。長連接在通信過程中，因為網絡的原因，一些數據可能會丟失，但不會造成太大的影響。

2、連接長久不關閉會對服務器端的性能造成威脅。因為長連接需要服務器端佔用一定的資源保持狀態，如果長時間不關閉就會對服務器造成一定的負擔。

三、保持TCP連接處於連接狀態

我們可以通過設置TCP的keep-alive屬性讓TCP連接一直處於連接狀態。keep-alive會定時地給服務器發一個TCP包以判斷連接是否終止，從而保持連接不斷開。

// C語言實現，設置TCP_KEEPALIVE屬性
int keepalive = 1;      //開啟KEEPALIVE屬性
int keepidle = 60;      //如果60秒內沒有任何數據交互，TCP會發送檢驗包（稱為保持存活探測分節）。
int keepinterval = 5;   //檢驗包的發送間隔默認為75秒收不到保持存活探測分節後，才會發送第一個探測分節
int keepcount = 3;      //如果第1次檢測包發送失敗，則每隔5秒發送第二個檢測包，最多發送3個檢測包。如果3次都沒成功，就當連接失效斷掉。

setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepalive, sizeof(keepalive));  //開啟keepalive功能
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void*)&keepidle, sizeof(keepidle));     //設置當有數據報要發送時Kernel會等待多長時間，才會發這個數據報。單位為秒。
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepinterval, sizeof(keepinterval));  //設置每次發送數據報的時間間隔，默認為75秒。
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepcount, sizeof(keepcount));   //設置發送保持存活探測分節的次數。默認是9次。

四、服務器空閑狀態發送心跳包實現保活機制

除了設置TCP的keep-alive屬性之外，還可以採用心跳機制來保持TCP長連接。服務器不斷地向客戶端發送心跳包來判斷連接的狀態，從而實現保活機制。實現起來比設置TCP的keep-alive屬性要容易一些。

//C語言實現
int SendData(int fd, char *buffer, int len, int flags)
{
    int nsend = 0;
    nsend = send(fd, buffer, len, flags);
    if (nsend == -1) 
    { 
        //send 發送失敗
        if(errno == EINTR) /*信號中斷*/
        {
            //稍後重發
        } 
        else if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) /*一般錯誤類型*/
        {
            //稍後重發
        }
        else /*其他錯誤類型，關閉fd*/
        {
            //CLOSED端口fd
        }
    }
    return nsend;
}

int recv_with_timeout(int fd, char *buf, int data_size, int timeout)
{
    fd_set fds;
    struct timeval tv;
    int ret = 0;

    FD_ZERO(&fds);
    FD_SET(fd, &fds);

    tv.tv_sec = timeout;
    tv.tv_usec = 0;

    ret = select(fd+1, &fds, NULL, NULL, &tv);
    switch(ret)
    {
        case -1: /* error occurred */
            perror("select error:");
            return -1;

        case 0: /* timed out */

            return -2;

        default: /* data ready */
            if (FD_ISSET(fd, &fds))
                return recv(fd, buf, data_size, 0);
    }

    return -3;
}

char buffer[1024];
while(true)
{
    SendData(fd, "HeartBeat", sizeof("HeartBeat"), 0); //服務器定時發送心跳包
    int res = recv_with_timeout(fd, buffer, 4, 5); //設置5秒的等待時間
    if(res == -2) 
    {
        //客戶端長時間未響應，服務端可以關閉連接
    }
}

五、應用層心跳

應用層心跳，就是通過應用程序在長連接上發送一定類型的消息，以達到保持連接狀態的目的。在實際中，應用層心跳的靈活性和可控性都較高，但也需要我們自己來設計和實現心跳包的規則。

//C語言實現
while(true)
{
    SendData(fd, "HeartBeat", sizeof("HeartBeat"), 0); //發送應用層心跳包
    sleep(5);  //定時發送心跳
}

六、結束語

以上就是關於TCP長連接的詳細講解，包括了長連接的定義、優缺點、保持TCP連接處於連接狀態、服務器空閑狀態發送心跳包實現保活機制、以及應用層心跳等多個方面。我們可以結合實際項目和需求來選擇不同的實現方式，以達到最佳的效果。