HTTP 2.0与OkHttp

HTTP 2.0是对1.x的扩展而非替代，之所以是“2.0”，是因为它改变了客户端与服务器之间交换数据的方式。HTTP 2.0增加了新的二进制分帧数据层，而这一层并不兼容之前的HTTP 1.x服务器及客户端——是谓2.0。  在正式介绍HTTP 2.0之前，我们需要先了解几个概念。

• 流，已建立的连接上的双向字节流。
• 消息，与逻辑消息（Request、Response）对应的完整的一系列数据帧。
• 帧，HTTP 2.0通信的最小单位，如Header帧（存储的是Header）、DATA帧（存储的是发送的内容或者内容的一部分）。

1、HTTP 2.0简介

总所周知，HTTP 1.x拥有队首阻塞、不支持多路复用、Header无法压缩等诸多缺点。尽管针对这些缺点也提出了很多解决方案，如长连接、连接与合并请求、HTTP管道等，但都治标不治本，直到HTTP 2.0的出现，它新增的以下设计从根本上解决了HTTP 1.x所面临的诸多问题。

• 二进制分帧层，是HTTP 2.0性能增强的核心，改变了客户端与服务器之间交互数据的方式，将传输的信息（Header、Body等）分割为更小的消息和帧，并采用二进制格式的编码。
• 并行请求与响应，客户端及服务器可以把HTTP消息分解为互不依赖的帧，然后乱序发送，最后再在另一端把这些消息组合起来。
• 请求优先级（0表示最高优先级、-1表示最低优先级），每个流可以携带一个优先值，有了这个优先值，客户端及服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。但优先级的处理需要慎重，否则有可能会引入队首阻塞问题。
• 单TCP连接，HTTP 2.0可以让所有数据流共用一个连接，从而更有效的使用TCP连接
• 流量控制，控制每个流占用的资源，与TCP的流量控制实现是一模一样的。
• 服务器推送，HTTP 2.0可以对一个客户端请求发送多个响应，即除了最初请求响应外，服务器还可以额外的向客户端推送资源，而无需客户端明确地请求。
• 首部（Header）压缩，HTTP 2.0会在客户端及服务器使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键-值对，对于相同的数据，不会再通过每次请求和响应发送。首部表在连接存续期间始终存在，由客户端及服务器共同渐进的更新。每个新的首部键-值对要么追加到当前表的末尾，要么替换表中的值。

虽然HTTP 2.0解决了1.x中的诸多问题，但它也存在以下问题。

• 虽然消除了HTTP队首阻塞现象，但TCP层次上仍然存在队首阻塞现象。要想彻底解决这个问题，就需要彻底抛弃TCP，自己来定义协议。可以参考谷歌的QUIC。
• 如果TCP窗口缩放被禁用，那宽带延迟积效应可能会限制连接的吞吐量。
• 丢包时，TCP拥塞窗口会缩小。

2、二进制分帧简介

HTTP 2.0的根本改进还是新增的二进制分帧层。与HTTP 1.x使用换行符分割纯文本不同，二进制分帧层更加简介，通过代码处理起来更简单也更有效。

建立了HTTP 2.0连接后，客户端与服务器会通过交换帧来通信，帧也是基于这个新协议通信的最小单位。所有帧都共享一个8字节的首部，其中包括帧的长度、类型、标志，还有一个保留位和一个31位的流标识符。

• 16位的长度前缀意味着一帧大约可以携带64KB数据，不包括8字节首部
• 8位的类型字段决定如何解释帧其余部分的内容
• 8位的标志字段允许不同的帧类型定义特定于帧的消息标志
• 1位的保留字段始终置为0
• 31位的流标识符唯一标识HTTP 2.0的流

HTTP 2.0规定了以下的帧类型。

• DATA，用于传输HTTP消息体
• HEADERS，用于传输关于流的额外的首部字段（Header）
• PRIORITY，用于指定或者重新指定流的优先级
• RST_STREAM，用于通知流的非正常终止
• SETTINGS，用于通知两端通信方式的配置数据
• PUSH_PROMISE，用于发出创建流和服务器引用资源的要约
• PING，用于计算往返时间，执行“活性”检查
• GOAWAY，用于通知客户端/服务器停止在当前连接中创建流
• WINDOW_UPDATE，用于针对个别流或者个别连接实现流量控制
• CONTINUATION，用于继续一系列首部块片段

2.1、HEADER帧

在发送应用数据之前，必须创建一个新流并随之发送相应的元数据，比如流的优先级、HTTP首部等。HTTP 2.0协议规定客户端和服务器都可以发起新流，因此有以下两种可能。

• 客户端通过发送HEADERS帧来发起新流，这个帧里包含带有新流ID的公用首部、可选的31位优先值，以及一组HTTP键值对首部
• 服务器通过发送PUSH_PROMISE帧来发起推送流，这个帧与HEADER帧等效，但它包含“要约流ID”，没有优先值

2.2、DATA帧

应用数据可以分为多个DATA帧，最后一帧要翻转帧首部的END_STREAM字段。

数据净荷不会被另行编码或压缩。DATA帧的编码方式取决于应用或者服务器，纯文本、gzip压缩、图片或者视频压缩格式都可以。整个帧由公用的8字节首部及HTTP净荷组成。  从技术上说，DATA帧的长度字段决定了每帧的数据净荷最多可达-1（65535）字节。可是，为了减少队首阻塞，HTTP 2.0标准要求DATA帧不能超过 （16383）字节。长度超过这个阀值的数据，就得分帧发送。

3、HTTP 2.0在OKHttp中的应用

HTTP 2.0是通过RealConnection的startHttp2方法开启的，在该方法中会创建一个Http2Connection对象，然后调用Http2Connection的start方法。

  private void startHttp2(int pingIntervalMillis) throws IOException {socket.setSoTimeout(0); // HTTP/2 connection timeouts are set per-stream.//创建Http2Connection对象http2Connection = new Http2Connection.Builder(true).socket(socket, route.address().url().host(), source, sink).listener(this).pingIntervalMillis(pingIntervalMillis).build();//开启HTTP 2.0http2Connection.start();}
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在start方法中会首先给服务器发送一个字符串PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n来进行协议的最终确定，并用于建立 HTTP/2 连接的初始设置。然后给服务器发送一个SETTINGS类型的Header帧，该帧主要是将客户端每一帧的最大容量、Header表的大小、是否开启推送等信息告诉给服务器。如果Window的大小发生改变，就还需要更新Window的大小（HTTP 2.0的默认窗口大小为64KB，而客户端则需要将该大小改为16M，从而避免频繁的更新）。最后开启一个子线程来读取从服务器返回的数据。

  public void start() throws IOException {start(true);}void start(boolean sendConnectionPreface) throws IOException {if (sendConnectionPreface) {//发送一个字符串PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n来进行协议的最终确定，即序言帧writer.connectionPreface();//告诉服务器本地的配置信息writer.settings(okHttpSettings);//okHttpSetting中Window的大小是设置为16Mint windowSize = okHttpSettings.getInitialWindowSize();//默认是64kb,但如果在客户端则需要重新设置为16Mif (windowSize != Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE) {//更新窗口大小writer.windowUpdate(0, windowSize - Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE);}}//子线程监听服务器返回的消息new Thread(readerRunnable).start(); // Not a daemon thread.}复制代码

从ReaderRunnable的名称就可以看出它是用来读取从服务器返回的各种类型数据。

  class ReaderRunnable extends NamedRunnable implements Http2Reader.Handler {...@Override protected void execute() {ErrorCode connectionErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;ErrorCode streamErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;try {//读取服务器返回的序言帧reader.readConnectionPreface(this);//不断的读取下一帧，所有消息从这里开始分发while (reader.nextFrame(false, this)) {}connectionErrorCode = ErrorCode.NO_ERROR;streamErrorCode = ErrorCode.CANCEL;} catch (IOException e) {...} finally {...}}//读取返回的DATA类型数据@Override public void data(boolean inFinished, int streamId, BufferedSource source, int length)throws IOException {...}//读取返回的HEADERS类型数据@Override public void headers(boolean inFinished, int streamId, int associatedStreamId,List<Header> headerBlock) {...}//读取返回的RST_TREAM类型数据   @Override public void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode) {...}//读取返回的SETTINGS类型数据@Override public void settings(boolean clearPrevious, Settings newSettings) {...}//回复服务器返回的ackSettingsprivate void applyAndAckSettings(final Settings peerSettings) ...}//恢复客户端发送的SETTING数据，客户端默认不实现@Override public void ackSettings() {...}//读取返回的PING类型数据@Override public void ping(boolean reply, int payload1, int payload2) {...}//读取服务器返回的GOAWAY类型数据@Override public void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, ByteString debugData) {...}//读取服务器返回的WINDOW_UPDATE类型数据@Override public void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) {...}//读取服务器返回的PRIORITY类型数据@Override public void priority(int streamId, int streamDependency, int weight,boolean exclusive) {...}//读取返回的PUSH_PROMISE类型数据@Overridepublic void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId, List<Header> requestHeaders) {... }//备用Service@Override public void alternateService(int streamId, String origin, ByteString protocol,String host, int port, long maxAge) {...}}
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上面简述了在OkHttp中如何开启HTTP 2.0协议。下面就来介绍客户端与服务器通过HTTP 2.0协议来进行数据读写操作。

3.1、向服务器写入Headers

向服务器写入Header是通过httpCodec.writeRequestHeaders(request)来实现的，httpCodec在HTTP 2.0协议下的实现类是Http2Codec。writeRequestHeaders方法主要是创建一个新流Http2Stream，在这个流创建成功后就会向服务器发送Headers类型数据。

    boolean hasRequestBody = request.body() != null;List<Header> requestHeaders = http2HeadersList(request);//创建新流stream = connection.newStream(requestHeaders, hasRequestBody);//我们可能在创建新流并发送Headers时被要求取消，但仍然没有要关闭的流。if (canceled) {stream.closeLater(ErrorCode.CANCEL);throw new IOException("Canceled");}...}//以下方法在Http2Connection类中public Http2Stream newStream(List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {return newStream(0, requestHeaders, out);}private Http2Stream newStream(int associatedStreamId, List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {...synchronized (writer) {synchronized (this) {//每个TCP连接的流数量不能超过Integer.MAX_VALUEif (nextStreamId > Integer.MAX_VALUE / 2) {shutdown(REFUSED_STREAM);}if (shutdown) {throw new ConnectionShutdownException();}//每个流的IDstreamId = nextStreamId;//下一个流的ID是在当前流ID基础上加2nextStreamId += 2;//创建新流stream = new Http2Stream(streamId, this, outFinished, inFinished, null);flushHeaders = !out || bytesLeftInWriteWindow == 0L || stream.bytesLeftInWriteWindow == 0L;if (stream.isOpen()) {streams.put(streamId, stream);}}if (associatedStreamId == 0) {//向服务器写入Headerswriter.headers(outFinished, streamId, requestHeaders);} else if (client) {throw new IllegalArgumentException("client streams shouldn't have associated stream IDs");} else {//用于服务器writer.pushPromise(associatedStreamId, streamId, requestHeaders);}}//刷新if (flushHeaders) {writer.flush();}return stream;}
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在客户端，流的ID是从3开始的所有奇数，在服务器，流的ID则是所有偶数。在Http2Connection的构造函数中定义了定义了流ID的初始值。

  Http2Connection(Builder builder) {....//如果是客户端，流的ID则从1开始nextStreamId = builder.client ? 1 : 2;if (builder.client) {//在HTTP2中，1保留，用于升级nextStreamId += 2;}...}
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3.2、读取服务器返回的Headers

readResponseHeaders是从服务器读取Headers数据，该方法在Http2Codec中。

  @Override public Response.Builder readResponseHeaders(boolean expectContinue) throws IOException {//从流中拿到Headers信息，Headers headers = stream.takeHeaders();Response.Builder responseBuilder = readHttp2HeadersList(headers, protocol);if (expectContinue && Internal.instance.code(responseBuilder) == HTTP_CONTINUE) {return null;}return responseBuilder;}//该方法在Http2Stream中public synchronized Headers takeHeaders() throws IOException {readTimeout.enter();try {//如果队列中没有数据就等待while (headersQueue.isEmpty() && errorCode == null) {waitForIo();}} finally {readTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();}//从队列中拿到Headers数据if (!headersQueue.isEmpty()) {return headersQueue.removeFirst();}throw new StreamResetException(errorCode);}
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headersQueue是一个双端队列，它主要是存储服务器返回的Headers。当服务器返回Headers时，就会更新该链表。

3.3、读/写Body

在创建流的时候，都会创建一个FramingSink及FramingSource对象。FramingSink用来向服务器写入数据，FramingSource则读取服务器返回的数据。因此关于读/写Body其实就是对Okio的运用，不熟悉Okio的可以先去了解一下Okio的知识。

  //向服务器写数据final class FramingSink implements Sink {private static final long EMIT_BUFFER_SIZE = 16384;...@Override public void write(Buffer source, long byteCount) throws IOException {assert (!Thread.holdsLock(Http2Stream.this));sendBuffer.write(source, byteCount);while (sendBuffer.size() >= EMIT_BUFFER_SIZE) {emitFrame(false);}}//private void emitFrame(boolean outFinished) throws IOException {...try {//向服务器写入DATA类型数据connection.writeData(id, outFinished && toWrite == sendBuffer.size(), sendBuffer, toWrite);} finally {writeTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();}}...}//从服务器读取数据private final class FramingSource implements Source {//将从网络读取的数据写入该Buffer，仅供读线程访问private final Buffer receiveBuffer = new Buffer();//可读bufferprivate final Buffer readBuffer = new Buffer();//缓冲的最大字节数private final long maxByteCount;...//从receiveBuffer中读取数据@Override public long read(Buffer sink, long byteCount) throws IOException {...}...//接收服务器传递的数据,仅在ReaderRunnable中调用void receive(BufferedSource in, long byteCount) throws IOException {...}...}
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3.4、Http2Reader与Http2Writer

前面介绍了从服务器读写数据，但无论如何都离不开Http2Reader与Http2Writer这两个类，毕竟这两个类才是真正向服务器执行读写操作的。先来看向服务器写数据。

final class Http2Writer implements Closeable {...//写入序言帧，来进行协议的最终确定public synchronized void connectionPreface() throws IOException {...}//发送PUSH_PROMISE类型数据public synchronized void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId,List<Header> requestHeaders) throws IOException {...}...//发送RST_TREAM类型数据   public synchronized void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode)throws IOException {...}//发送DATA类型数据public synchronized void data(boolean outFinished, int streamId, Buffer source, int byteCount)throws IOException {...}//发送SETTINGS类型数据public synchronized void settings(Settings settings) throws IOException {...}//发送PING类型数据public synchronized void ping(boolean ack, int payload1, int payload2) throws IOException {...}//发送GOAWAY类型数据public synchronized void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, byte[] debugData)throws IOException {...}//发送WINDOW_UPDATE类型数据，进行Window更新public synchronized void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) throws IOException {...}//发送HEADERS类型数据public void frameHeader(int streamId, int length, byte type, byte flags) throws IOException {...}@Override public synchronized void close() throws IOException {closed = true;sink.close();}...//写入CONTINUATION类型数据private void writeContinuationFrames(int streamId, long byteCount) throws IOException {...}//写入headersvoid headers(boolean outFinished, int streamId, List<Header> headerBlock) throws IOException {...}
}
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下面再来看看从服务器读数据，基本上就是根据数据的类型来进行分发。

final class Http2Reader implements Closeable {...//读取数据public boolean nextFrame(boolean requireSettings, Handler handler) throws IOException {try {source.require(9); // Frame header size} catch (IOException e) {return false; // This might be a normal socket close.}//  0                   1                   2                   3//  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1// +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+// |                 Length (24)                   |// +---------------+---------------+---------------+// |   Type (8)    |   Flags (8)   |// +-+-+-----------+---------------+-------------------------------+// |R|                 Stream Identifier (31)                      |// +=+=============================================================+// |                   Frame Payload (0...)                      ...// +---------------------------------------------------------------+int length = readMedium(source);if (length < 0 || length > INITIAL_MAX_FRAME_SIZE) {throw ioException("FRAME_SIZE_ERROR: %s", length);}byte type = (byte) (source.readByte() & 0xff);if (requireSettings && type != TYPE_SETTINGS) {throw ioException("Expected a SETTINGS frame but was %s", type);}byte flags = (byte) (source.readByte() & 0xff);int streamId = (source.readInt() & 0x7fffffff); // Ignore reserved bit.if (logger.isLoggable(FINE)) logger.fine(frameLog(true, streamId, length, type, flags));//这里的handler是ReaderRunnable对象switch (type) {case TYPE_DATA:readData(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_HEADERS:readHeaders(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_PRIORITY:readPriority(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_RST_STREAM:readRstStream(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_SETTINGS:readSettings(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_PUSH_PROMISE:readPushPromise(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_PING:readPing(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_GOAWAY:readGoAway(handler, length, flags, streamId);break;case TYPE_WINDOW_UPDATE:readWindowUpdate(handler, length, flags, streamId);break;default:// Implementations MUST discard frames that have unknown or unsupported types.source.skip(length);}return true;}...
}
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在Http2Reader与Http2Writer中都是以帧的形式（二进制）来读取或者写入数据的，这样相对字符串效率会更高，当然，我们还可以用哈夫曼算法（OkHttp支持哈夫曼算法）来对帧进行压缩，从而获得更好的性能。  记得在HTTP 1.x协议下的网络优化就有用Protocol Buffer（二进制）来替代字符串传递这一个选择，而如果用HTTP 2.0则无需使用Protocol Buffer。

4、总结

到这里，相必对HTTP 2.0有了一个大概的了解，更多的就需要去实践了。当然如果要使用HTTP 2.0协议，就需要客户端及服务器一起才能搞定。注意：目前OKHttp仅支持在https请求下使用HTTP 2.0。

【参考资料】 《Web性能权威指南》 科普：QUIC协议原理分析 初识HTTP2.0协议 HTTP 2.0 协议详解 HTTP协议探究（六）：H2帧详解和HTTP优化 HTTP/2笔记之连接建立