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Android开发老生新谈:从OkHttp原理看网络请求

读完这篇文章您将了解到:

  • OkHttp的整体请求结构;
  • 责任链模式下各个拦截器的实现细节与职责;
  • 如何找到可用且健康的连接?即连接池的复用;
  • 如何找到Http1和Http2的编/解码器?
  • NetworkInterceptor与ApplicationInterceptor拦截器的区别?
  • 如何建立TCP/TLS连接?

本文源码为okhttp:4.9.1版本,文中没有贴大量源码,结合源码一起阅读最佳。

OkHttp整体结构

OkHttp的使用不是本文的主要内容,它只是作为源码解读的一个入口。

        val okHttpClient = OkHttpClient()
        val request: Request = Request.Builder()
            .url("https://cn.bing.com/")
            .build()

        okHttpClient.newCall(request).enqueue(object :Callback{
            override fun onFailure(call: Call, e: IOException) {
            }

            override fun onResponse(call: Call, response: Response) {
            }
        })

OkHttp使用起来很简单,先创建OkHttpClient和Request对象,以Request来创建一个RealCall对象,利用它执行异步enqueue或者同步execute操作将请求发送出去,并监听请求失败或者成功的反馈Callback。

这里有三个主要的类需要说明一下:OkHttpClient、Request以及RealCall

  • OkHttpClient: 相当于配置中⼼,可用于发送 HTTP 请求并读取其响应。它的配置有很多,例如connectTimeout:建⽴连接(TCP 或 TLS)的超时时间,readTimeout :发起请求到读到响应数据的超时时间,Dispatcher:调度器,⽤于调度后台发起的⽹络请求,等等。还有其他配置可查看源码。
  • Request: 一个主要设置网络请求Url请求方法(GET、POST…)请求头请求body的请求类。
  • RealCall: RealCall是由newCall(Request)方法返回,是OkHttp执行请求最核心的一个类之一,用作连接OkHttp的应用程序层和网络层,也就是将OkHttpClient和Request结合起来,发起异步和同步请求。

从上面的使用步骤可以看到,OkHttp最后执行的是okHttpClient.newCall(request).enqueue,也就是RealCall的enqueue方法,这是一个异步请求,同样的,也可以执行同步请求RealCall.execute()

RealCall的同步请求最后其实会调用RealCall.getResponseWithInterceptorChain(),而RealCall的异步请求是使用线程池先将请求放置到后台处理,但是最后还是会调用RealCall.getResponseWithInterceptorChain()来获取网络请求的返回值Response。从这里就基本能嗅到网络请求的核心其实与getResponseWithInterceptorChain()方法有关,那到底如何与服务器连接进行网络请求的?这个问题就先抛在这,后面再详细说。

我们先从异步请求enqueue开始,来看异步请求的主要结构。

  类:Dispatcher

  private fun promoteAndExecute(): Boolean {
   ...
    val executableCalls = mutableListOf<AsyncCall>()
    synchronized(this) {
      val i = readyAsyncCalls.iterator()
      while (i.hasNext()) {
        val asyncCall = i.next()

        if (runningAsyncCalls.size >= this.maxRequests) break // Max capacity.
        if (asyncCall.callsPerHost.get() >= this.maxRequestsPerHost) continue // Host max capacity.

        i.remove()
        asyncCall.callsPerHost.incrementAndGet()
        executableCalls.add(asyncCall)
        runningAsyncCalls.add(asyncCall)
      }
      isRunning = runningCallsCount() > 0
    }

    for (i in 0 until executableCalls.size) {
      val asyncCall = executableCalls[i]
      asyncCall.executeOn(executorService)
    }

    return isRunning
  }

异步请求首先会将AsyncCall添加到双向队列readyAsyncCalls中(即准备执行但还没有执行的队列),做请求的准备动作。接着遍历准备执行队列readyAsyncCalls,寻找符合条件的请求,并将其加入到一个保存有效请求的列表executableCalls和正在执行队列runningAsyncCalls中,而这个筛选条件主要有两条:

  • if (runningAsyncCalls.size >= this.maxRequests) break :并发执行的请求数要小于最大的请求数64。

  • if (asyncCall.callsPerHost.get() >= this.maxRequestsPerHost) continue :某个主机的并发请求数不能超过最大请求数5

也就是说,当我们的并发请求量超过64个或者某个主机的的请求数超过5,则超过的请求暂时不能执行,需要等一等才能再加入执行队列中。

将有效的请求筛选出后并保存,立即开始遍历请求,一一利用调度器Dispatcher里的ExecutorService进行Runnable任务,也就是遍历后加入到线程池中执行这些有效的网络请求。

 类:RealCall.AsyncCall

 override fun run() {
      threadName("OkHttp ${redactedUrl()}") {
        ...
        try {
          val response = getResponseWithInterceptorChain()
          signalledCallback = true
          responseCallback.onResponse(this@RealCall, response)
        } catch (e: IOException) {
            ...
            responseCallback.onFailure(this@RealCall, e)
          }
      }
    }

上面的代码就是在线程池中执行的请求任务,可以看到try-catch块中有一句 val response = getResponseWithInterceptorChain() 得到网络请求结果resonse ,将返回的response或者错误,通过callback告知给用户。这个callback也就是一开始OkHttp使用时所注册监听的callback。

另外,这个方法是不是很熟悉?因为在上面说明三个主要核心类时提到过,RealCall的同步请求或者异步请求,最后都会走到getResponseWithInterceptorChain()这一步。

网络请求结果response就是通过这个getResponseWithInterceptorChain()方法返回的,那网络请求结果到底是如何拿到的? 与服务器又是如何交互的呢? 我们就来剖析这个方法的内部结构。

拦截器内部实现

从上面OkHttp的结构分析知道,所有网络请求的细节都封装在getResponseWithInterceptorChain() 这个核心方法中。那我们就来研究一下它的具体实现。

 类:RealCall

 internal fun getResponseWithInterceptorChain(): Response {
    // Build a full stack of interceptors.
    val interceptors = mutableListOf<Interceptor>()
    interceptors += client.interceptors
    interceptors += RetryAndFollowUpInterceptor(client)
    interceptors += BridgeInterceptor(client.cookieJar)
    interceptors += CacheInterceptor(client.cache)
    interceptors += ConnectInterceptor
    if (!forWebSocket) {
      interceptors += client.networkInterceptors
    }
    interceptors += CallServerInterceptor(forWebSocket)

    val chain = RealInterceptorChain(
        call = this,
        interceptors = interceptors,
        index = 0,
        exchange = null,
        request = originalRequest,
        connectTimeoutMillis = client.connectTimeoutMillis,
        readTimeoutMillis = client.readTimeoutMillis,
        writeTimeoutMillis = client.writeTimeoutMillis
    )
      ...
    try {
      val response = chain.proceed(originalRequest)
      ...
      return response
    } 
    ...
  }

getResponseWithInterceptorChain()的内部实现是通过一个责任链模式来完成,将网络请求的各个阶段封装到各个链条中(即各个拦截器Interceptor),配置好各个Interceptor后将其放在⼀个List⾥,然后作为参数,创建⼀个RealInterceptorChain对象,并调⽤ chain.proceed(request)来发起请求和获取响应。

在每一条拦截器中,会先做一些准备动作,例如对该请求进行是否可用的判断,或者将请求转换为服务器解析的格式,等等,接着就对请求执行chain.proceed(request)。上面提到getResponseWithInterceptorChain()的内部实现是一个责任链模式,而chain.proceed(request)的作用就是责任链模式的核心所在,将请求移交给下一个拦截器。

OkHttp中连自定义拦截器包括在内,一共有7种拦截器,在这里,网络请求的细节就封装在各个拦截器中,每个拦截器也都有自己的职责,只要把每个拦截器研究清楚,整个网络请求也就明了了。下面就来一一分析这些拦截器的职责。

7种拦截器的职责

1、用户自定义拦截器interceptors

用户自定义拦截器是在所有其他拦截器之前,开发者可根据业务需求进行网络拦截器的自定义,例如我们常常自定义Token处理拦截器,日志打印拦截器等。

2、RetryAndFollowUpInterceptor

RetryAndFollowUpInterceptor是一个请求失败和重定向时重试的拦截器。它的内部开启了一个请求循环,每次循环都会先做一个准备动作(call.enterNetworkInterceptorExchange(request, newExchangeFinder)),这个准备动作最主要的目的在于创建一个ExchangeFinder,为请求寻找可用的Tcl或者Tsl连接以及设置跟连接相关的一些参数,如连接编码解码器等。 ExchangeFinder在后面网络连接时,会详细说明。

准备工作做好后便开始了一个网络请求(response = realChain.proceed(request)),这句代码的目的是为了将请求传递给下一个拦截器。同时,会判断当前请求是否会出错以及是否需要重定向。如果出错或者需要重定向,那么就又开始新一轮的循环,直到没有出错和需要重定向为止。

这里出错和重定向的判断标准也简单说一下:

  • 判断出错的标准: 利用try-catch块对请求进行异常捕获,这里会捕获RouteException和IOException,并且在出错后都会先判断当前请求是否能够进行重试的操作。
  • 重定向标准: 这里判断是否需要重定向,是对Response的状态码Code进行审查,当状态码为3xx时,则表示需要重定向,而后创建一个新的request,进行重试操作。

3、BridgeInterceptor

BridgeInterceptor是用来连接应用程序代码和网络代码的一个拦截器。也就是说该拦截器会帮用户准备好服务器请求所需要的一些配置。可能定义太抽象,我们就先来看一下一个请求Url所对应的服务器请求头是怎么样的?

URL: wanandroid.com/wxarticle/c…
方法: GET

那它所对应的请求头如下:

GET /wxarticle/chapters/json HTTP/1.1
Host: wanandroid.com
Accept: application/json, text/plain, /
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 xxx

你可能会问,BridgeInterceptor拦截器和这个有什么关系?其实BridgeInterceptor的作用就是帮用户处理网络请求,它会帮助用户填写服务器请求所需要的配置信息,如上面所展示的User-Agent、Connection、Host、Accept-Encoding等。同时也会对请求的结果进行相应处理。

BridgeInterceptor的内部实现主要分为以下三步:

  1. 为用户网络请求设置Content-Type、Content-Length、Host、Connection、Cookie等参数,也就是将一般请求转换为适合服务器解析的格式,以适应服务器端;

  2. 通过 chain.proceed(requestBuilder.build())方法,将转换后的请求移交给下一个拦截器CacheInterceptor,并接收返回的结果Response;

  3. 对结果Response也进行gzip、Content-Type转换,以适应应用程序端。

所以说BridgeInterceptor是应用程序和服务器端的一个桥梁。

4、CacheInterceptor

CacheInterceptor是一个处理网络请求缓存的拦截器。它的内部处理和一些图片缓存的逻辑相似,首先会判断是否存在可用的缓存,如果存在,则直接返回缓存,反之,调用chain.proceed(networkRequest)方法将请求移交给下一个拦截器,有了结果后,将结果put到cache中。

5、ConnectInterceptor

ConnectInterceptor是建立连接去请求的拦截器。

  internal fun initExchange(chain: RealInterceptorChain): Exchange {
    ...
    val exchangeFinder = this.exchangeFinder!!
    val codec = exchangeFinder.find(client, chain)
    val result = Exchange(this, eventListener, exchangeFinder, codec)
    this.interceptorScopedExchange = result
    this.exchange = result
    ...

    if (canceled) throw IOException("Canceled")
    return result
  }

从它的源码可以看到,它首先会通过ExchangeFinder查询到codec,这个ExchangeFinder是不是很熟悉?在上面RetryAndFollowUpInterceptor分析中,每次循环都会先做创建ExchangeFinder的准备工作。

而这个codec是什么?它是一个编码解码器,来确定是用Http1的方式还是以Http2的方式进行请求。

在找到合适的codec后,作为参数创建Exchange。Exchange内部涉及了很多网络连接的实现,这个后面再详细说,我们先看看是如何找到合适的codec?

如何找到可用连接?

找到合适的codec,就必须先找到一个可用的网络连接,再利用这个可用的连接创建一个新的codec。 为了找到可用的连接,内部使用了大概5种方式进行筛选。

第一种:从连接池中查找

if (connectionPool.callAcquirePooledConnection(address, call, null, false)) {
      val result = call.connection!!
      return result
    }

尝试在连接池中查找可用的连接,在遍历连接池中的连接时,就会判断每个连接是否可用,而判断连接是否可用的条件如下:

  1. 请求数要小于该连接最大能承受的请求数,Http2以下,最大请求数为1个,并且此连接上可创建新的交换;
  2. 该连接的主机和请求的主机一致;

如果从连接池中拿到了合格的连接connection,则直接返回。

如果没有拿到,那就进行第二种拿可用连接的方式。

第二种:传入Route,从连接池中查找

 if (connectionPool.callAcquirePooledConnection(address, call, routes, false)) {
        val result = call.connection!!
        return result
      }

第二种依然是从连接池中拿,但是这次不同的是,参数里传入了routes,这个routes是包含路由Route的一个List集合,而Route其实指的是连接的IP地址、TCP端口以及代理模式。

而这次从连接池中拿,主要是针对Http2,路由必须共用一个IP地址,此连接的服务器证书必须包含新主机且证书必须与主机匹配。

第三种:自己创建连接

如果前两次从连接池里都没有拿到可用连接,那么就自己创建连接。

 val newConnection = RealConnection(connectionPool, route)
    call.connectionToCancel = newConnection
    try {
      newConnection.connect(
          connectTimeout,
          readTimeout,
          writeTimeout,
          pingIntervalMillis,
          connectionRetryEnabled,
          call,
          eventListener
      )
    } 

创建连接其实是内部自己在进行socket,tls的连接,这里抛出一个问题在后面解答:TCP/TLS连接是如何实现的?

自己创建好连接后,又做了一次从连接池中查找的操作。

第四种:多路复用置为true,依然从连接池中查找

 if (connectionPool.callAcquirePooledConnection(address, call, routes, true)) {
      val result = call.connection!!
      newConnection.socket().closeQuietly()
      return result
    }

这次从连接池中查找,requireMultiplexed置为了true,只查找支持多路复用的连接。并且在建立连接后,将新的连接保存到连接池中。

如何找到Http1和Http2的编/解码器?

上面已经分析出寻找可用且健康的连接的几种方式,那对于codec的创建则需要根据这些连接进行Http1和Http2的区分。如果http2Connection不为null,则创建Http2ExchangeCodec,反之创建Http1ExchangeCodec。

找到编解码器后,我们就回到ConnectInterceptor的一开始,利用编解码器codec创建了一个Exchange,而这个Exchange的内部其实是利用Http1解码器或者Http2解码器,分别进行请求头的编写writeRequestHeaders,或者创建Request Body,发送给服务器。

Exchange初始化成功后,就又将请求移交给了下一个拦截器CallServerInterceptor。

6、CallServerInterceptor

CallServerInterceptor是链中最后一个拦截器,主要用于向服务器发送内容,主要传输http的头部和body信息。

其内部利用上面创建的Exchange进行请求头编写,创建Request body,发送请求,得到结果后,对结果进行解析并回传。

7、NetworkInterceptor

networkInterceptor也是属于用户自定义的一种拦截器,它的位置在ConnectInterceptor之后,CallServerInterceptor之前。我们知道第一个拦截器便是用户自定义,那和这个有什么区别呢?

networkInterceptor前面已经存在有多个拦截器的使用,在请求到达该拦截器时,请求信息已经相当复杂了,其中就包括RetryAndFollowUpInterceptor重试拦截器,经过分析知道,每当重试一次,其后面的拦截器也都会被调用一次,这样就导致networkInterceptor也会被调用多次,而第一个自定义拦截器只会调用一次。当我们需要自定义拦截器时,如token、log,为了资源消耗这一点,一般都是使用第一个。

到这里为止,7种拦截器都分析完成。在分析ConnectInterceptor时抛出了一个问题:TCP/TLS连接是如何实现的?

如何建立TCP/TLS连接?

TCP连接

fun connect(
    connectTimeout: Int,
    readTimeout: Int,
    writeTimeout: Int,
    pingIntervalMillis: Int,
    connectionRetryEnabled: Boolean,
    call: Call,
    eventListener: EventListener
  ) {
    ...

    while (true) {
      try {
        if (route.requiresTunnel()) {
          connectTunnel(connectTimeout, readTimeout, writeTimeout, call, eventListener)
          if (rawSocket == null) {
            // We were unable to connect the tunnel but properly closed down our resources.
            break
          }
        } else {
          connectSocket(connectTimeout, readTimeout, call, eventListener)
        }
        establishProtocol(connectionSpecSelector, pingIntervalMillis, call, eventListener)
        eventListener.connectEnd(call, route.socketAddress, route.proxy, protocol)
        break
      } catch (e: IOException) {
        ...
  }
  1. 在connect的内部开启了一个while循环,可以看到第一步就是route.requiresTunnel()判断,这个requiresTunnel()方法表示该请求是否使用了Proxy.Type.HTTP代理且目标是Https连接;
  2. 如果是,则创建一个代理隧道连接Tunnel(connectTunnel)。创建这个隧道的目的在于利用Http来代理请求Https;
  3. 如果不是,则直接建立一个TCP连接(connectSocket);
  4. 建立请求协议。

代理隧道是如何创建的?它的内部会先通过Http代理创建一个TLS的请求,也就是在地址url上增加Host、Proxy-Connection、User-Agent首部。接着最多21次的尝试,利用connectSocket开启TCP连接且利用TLS请求创建一个代理隧道。

从这里可以看见,不管是否需要代理隧道,都会开始建立一个TCP连接(connectSocket),那又是如何建立TCP连接的?

 private fun connectSocket(
    connectTimeout: Int,
    readTimeout: Int,
    call: Call,
    eventListener: EventListener
  ) {
    val proxy = route.proxy
    val address = route.address

    val rawSocket = when (proxy.type()) {
      Proxy.Type.DIRECT, Proxy.Type.HTTP -> address.socketFactory.createSocket()!!
      else -> Socket(proxy)
    }
    this.rawSocket = rawSocket

    eventListener.connectStart(call, route.socketAddress, proxy)
    rawSocket.soTimeout = readTimeout
    try {
      Platform.get().connectSocket(rawSocket, route.socketAddress, connectTimeout)
    } catch (e: ConnectException) {
      throw ConnectException("Failed to connect to ${route.socketAddress}").apply {
        initCause(e)
      }
    }

   ...
  }

从源码上看,如果代理类型为直连或者HTTP/FTP代理,则直接创建一个socket,反之,则指定代理类型进行创建。我们看到创建后返回了一个rawSocket,这个就代表着TCP连接。在最后 调用Platform.get().connectSocket,而这实际就是调用socket的connect方法来打开一个TCP连接。

TLS连接

在建立TCP连接或者创建Http代理隧道后,就会开始建立连接协议(establishProtocol)。

  private fun establishProtocol(
    connectionSpecSelector: ConnectionSpecSelector,
    pingIntervalMillis: Int,
    call: Call,
    eventListener: EventListener
  ) {
    if (route.address.sslSocketFactory == null) {
      if (Protocol.H2_PRIOR_KNOWLEDGE in route.address.protocols) {
        socket = rawSocket
        protocol = Protocol.H2_PRIOR_KNOWLEDGE
        startHttp2(pingIntervalMillis)
        return
      }

      socket = rawSocket
      protocol = Protocol.HTTP_1_1
      return
    }

    eventListener.secureConnectStart(call)
    connectTls(connectionSpecSelector)
    eventListener.secureConnectEnd(call, handshake)

    if (protocol === Protocol.HTTP_2) {
      startHttp2(pingIntervalMillis)
    }
  }
  1. 判断当前地址是否是HTTPS;
  2. 如果不是HTTPS,则判断当前协议是否是明文HTTP2,如果是的则调用startHttp2,开始Http2的握手动作,如果是Http/1.1则直接return返回;
  3. 如果是HTTPS,就开始建立TLS安全协议连接了(connectTls);
  4. 如果是HTTPS且为HTTP2,除了建立TLS连接外,还会调用startHttp2,开始Http2的握手动作。

在上述第3步时就提到了TLS的连接(connectTls),那我们就来看一下它的内部实现:

private fun connectTls(connectionSpecSelector: ConnectionSpecSelector) {
    val address = route.address
    val sslSocketFactory = address.sslSocketFactory
    var success = false
    var sslSocket: SSLSocket? = null
    try {
      // Create the wrapper over the connected socket.
      sslSocket = sslSocketFactory!!.createSocket(
          rawSocket, address.url.host, address.url.port, true /* autoClose */) as SSLSocket

      // Configure the socket's ciphers, TLS versions, and extensions.
      val connectionSpec = connectionSpecSelector.configureSecureSocket(sslSocket)
      if (connectionSpec.supportsTlsExtensions) {
        Platform.get().configureTlsExtensions(sslSocket, address.url.host, address.protocols)
      }

      // Force handshake. This can throw!
      sslSocket.startHandshake()
      // block for session establishment
      val sslSocketSession = sslSocket.session
      val unverifiedHandshake = sslSocketSession.handshake()

      // Verify that the socket's certificates are acceptable for the target host.
      if (!address.hostnameVerifier!!.verify(address.url.host, sslSocketSession)) {
        val peerCertificates = unverifiedHandshake.peerCertificates
        if (peerCertificates.isNotEmpty()) {
          val cert = peerCertificates[0] as X509Certificate
          throw SSLPeerUnverifiedException("""
              |Hostname ${address.url.host} not verified:
              |    certificate: ${CertificatePinner.pin(cert)}
              |    DN: ${cert.subjectDN.name}
              |    subjectAltNames: ${OkHostnameVerifier.allSubjectAltNames(cert)}
              """.trimMargin())
        } else {
          throw SSLPeerUnverifiedException(
              "Hostname ${address.url.host} not verified (no certificates)")
        }
      }

      val certificatePinner = address.certificatePinner!!

      handshake = Handshake(unverifiedHandshake.tlsVersion, unverifiedHandshake.cipherSuite,
          unverifiedHandshake.localCertificates) {
        certificatePinner.certificateChainCleaner!!.clean(unverifiedHandshake.peerCertificates,
            address.url.host)
      }

      // Check that the certificate pinner is satisfied by the certificates presented.
      certificatePinner.check(address.url.host) {
        handshake!!.peerCertificates.map { it as X509Certificate }
      }

      // Success! Save the handshake and the ALPN protocol.
      val maybeProtocol = if (connectionSpec.supportsTlsExtensions) {
        Platform.get().getSelectedProtocol(sslSocket)
      } else {
        null
      }
      socket = sslSocket
      source = sslSocket.source().buffer()
      sink = sslSocket.sink().buffer()
      protocol = if (maybeProtocol != null) Protocol.get(maybeProtocol) else Protocol.HTTP_1_1
      success = true
    } finally {
      ...
    }
  }

这段代码很长,具体逻辑我就源码总结了以下几点:

  1. 利用请求地址host,端口以及TCP socket共同创建sslSocket;
  2. 为Socket 配置加密算法,TLS版本等;
  3. 调用startHandshake()进行强制握手;
  4. 验证服务器证书的合法性;
  5. 利用握手记录进行证书锁定校验(Pinner);
  6. 连接成功则保存握手记录和ALPN协议。

Tsl加密连接的源码内容其实与HTTPS所定义的客户端与服务器通信的规则一致。创建好sslSocket后就会开始进行client和server的通信操作。

总结

OkHttp大致的请求实现如上面解析,跟着源码走完了一个请求到处理再到返回结果的整个流程,期间OkHttp做了很多细节封装,也使用了很多设计模式,如做核心的责任链模式、建造者模式、工厂模式以及策略模式等,都值得我们学习。

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