IM开发快速入门(二)：什么是IM系统的实时性？
本文在编写时参考了博客作者“鹿呦呦”和在线课程“即时消息技术剖析与实战”的相关资料，一并表示感谢。
1、引言
随着移动互联网络的发展，IM技术的应用已经不仅限于聊天应用本身，它早已融入各种应用形态中，比如：直播中的主播互动、联网游戏中的玩家互动、外卖/打车应用中的实时位置共享、在线教育应用中的互动白板等。
在这些风格迥异的应用场景下，IM技术所呈现出来的功能形态虽有不同，但“实时性”这个技术特征并无区别。
那么，对于技术门外汉来说，到底什么是IM的“实时性”？该如何理解它？这就是本文想要讨论的主题。
区别于强大的原生应用，Web端的IM系统，在很长一段时间内想实现真正的“实时性”，是非常困难的，因为无法直接使用UDP、TCP通信协议，在HTML5中的WebSocket出现之前，Web端几乎没有真正意义上的“双向实时通信”这种技术存在。
正因为如此，理解Web端即时通信技术的演进，也就自然而然能循序渐进地体会到IM系统中的“实时性”了。所以本文将围绕Web端即时通讯技术，为你展开IM“实时性”这个话题。
友情提示：本系列文章侧重于理论概念的讲述，篇幅有限，点到即止，如需系统、深入、具体地学习IM技术的方方面面，请从此文入手：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》（史诗级文章，适合从入门到放弃）。
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（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-3143-1-1.html）
2、系列文章目录
《IM开发快速入门(二)：什么是IM系统的实时性？》（* 本文）
《IM开发快速入门(三)：什么是IM系统的可靠性？ (稍后发布)》
《IM开发快速入门(四)：什么是IM系统的一致性？ (稍后发布)》
《IM开发快速入门(五)：什么是IM系统的安全性？ (稍后发布)》
《IM开发快速入门(六)：什么是IM系统的的心跳机制？ (稍后发布)》
《IM开发快速入门(七)：如何理解并实现IM系统消息未读数？ (稍后发布)》
《IM开发快速入门(八)：如何理解并实现IM系统的多端消息漫游？ (稍后发布)》
3、短轮询技术
在早期的Web时代，技术的创造者们无法预见如今各种选进的技术应用形式，他们认为数据只是用来“看”的，也数据的获取基本就是“请求 -> 响应”这种一问一答形式。包括我们平时浏览的各种门户网站都是采用的“请求响应”模式。
这种依赖于用户“主动”请求的数据获取模式，如果想实现IM系统，是无法即时获得最新的聊天消息的，因为用户并不知道新消息什么时候到来，而服务端也没有办法主动通知用户。
在这个时期，虽然技术和思路都受当时技术水平的限制，但IM总不能不做吧。
于是，一种被称为“短轮询”的数据获取模式出现了。在“短轮询”模式下，IM客户端定时轮询服务端，以便让用户知道是否有新的聊天消息存在。
这种模式下，服务端收到请求后，即刻查询是否存在新消息，有就返回给客户端，没有则返回空并立即关闭连接。
相较于前面用户需要“手动”去刷新页面的方式，这种模式只是将用户的“手动”变为“自动”而已，技术本质并没有发生任何实质性改变。
短轮询这种模式，就好比旧时代一个等待重要邮件的人，他需要每天自已跑到邮局，主动去问是否有自己的信件，有就拿回家，如果没有，则第二天继续去问。一来一去，非常低效。
技术原理总结如下图所示：
短轮询这种模式有好处，也有坏处。
好处是：
- 1）技术简单，容易实现；
- 2）可维护性强，因为它没什么复杂的。
坏处是：
- 1）因为无法预知数据是否存在，所以多数请求是无用的，浪费计算资源；
- 2）为了提升实时性，高频率的请求会加大服务端的性能负载。
总结一下就是，短轮询这种模式对于IM技术大拿来说，显的非常low，因为技术实现实在是简单粗暴。
4、长轮询技术
正如你所见，用短轮询技术来保证IM的实时性，确实难说优雅。不过，这难不倒无所不能的程序员，一种被称为“长轮询”的数据获取模式出现了。
从技术上来说，长轮询实现的IM相较于短轮询最大的改进在于：短轮询情况下，服务端不管有没有新消息，请求结束就会立即断开连接。而长轮询时，如果本次请求没有新消息发生，糨不会马上断开连接并返回，而是会将本次连接“挂起”一段时间，如果在这段“挂起”时间内有新的聊天消息出现，就能马上读取并立即返回给客户端，接着结束本次连接。一段时间后又会再次发起请求，如此周而复始。
长轮询这种模式，拿上节等待邮件的这个例子来说，就好比收信的人每天到邮局去问是否有信件，如果没有，他不马上回家，而是在邮局待上一段时间，如果这段时间过去了，还是没有，就先回家，接着第二天再来。
技术原理总结如下图所示：
长轮询的优点是：
- 1）相较于短连询，一定程度降低了服务端请求负载；
- 2）相较于短连询，实时性有提升，因为它是主动“等”消息。
长轮询的缺点是：
- 1）长论询模式下，连接“挂起”的这段时间内，服务端需要配合开启单独的消息查询线程，仍然存在无用功；
- 2）相较于短连询模式，在一次长轮询结束、下次轮询发起前的窗口期内，仍然存在“实时性”盲区。
实际上，在Web端即时通讯技术里，长轮询有个专业的术语叫“Comet”，有兴趣可以详细学习《Comet技术详解：基于HTTP长连接的Web端实时通信技术》。
5、轮询无法实现真正的“实时性”
对于Web端即时通讯技术来说，上面提到的无论是短轮询，还是长轮询，它们都存在“实时性”盲区。
我们回到上两节介绍的短轮询和长轮询技术原理图。
先看看短轮询这张图：
很明显，短轮询在每次轮询结束和下次轮询开始的间隔期内，是无法感知到新消息的，这也便形成了“实时性盲区”。换句话说，短轮询技术在“实时性盲区”内，无法做到“实时”。
再来看看长轮询：
跟短轮询道理一样，长轮询在每次轮询结束和下次轮询开始的间隔期，依然会形成“实时性盲区”。
要理解纠结轮询技术的实时性缺陷，就得了解它们背后的技术——HTTP协议了。
HTTP协议设计的目的，就是为了实现“请求--响应”这种模式的数据交互，也就是众所周之的“短连接”设计。而无论是短轮询还是长轮询，都跳不出HTTP的先天技术逻辑（请求--响应--断开）。
所以，归根到底，想要基于HTTP协议来实现IM，要达到真正的“实时性”，是相当勉强的。因为HTTP设计的目的，就是用“短连接”来简化传统TCP长连接通信带来的复杂性，而IM的实时性恰好要用到的又是TCP的长连接特性，所以这就是个悖论。
要真正实现Web端的IM“实时性”，肯定不能强行HTTP上做文章了，我们需要新的技术。
6、WebSocket让Web端IM真正的“实时性”变成可能
好消息是，HTML5中带来了WebSocket技术。WebSocket是真正的全双式双向通信技术（详见：《WebSocket从入门到精通，半小时就够！》）。
下图上旧式轮询技术跟WebSocket的对比图：
从上图可以看出：
- 1）轮询技术一问一答，在下一个请求发起之前，存在“实时性”盲区；
- 2）WebSocket一旦建立连接后，数据可以随时双向通信（即客户端可以随时向服务端发消息，服务端也可以随时通知客户端有新消息）。
举个例子就是：轮询技术相当于传统的邮件传递方法（你得自已去邮局问有没有新邮件），而WebSocket相当于现代的电话系统，只要你拨通后，随时可以实时收听到对方的声音，对方也能随时收听到你的声音。完美！
总结一下WebSocket 的优点是：
- 1）真正的实时性：支持客户端与服务端真正的双向实时通信；
- 2）大幅降低负载：少了轮询技术中高频率无用的请求，可大大降低服务端QPS压力；
- 3）网络开销降低：一次连接，随时使用，再也不用轮询技术中每次发起HTTP请求（随之而来的是每次HTTP的大量冗余协议头信息等）。
7、本文小结
本文以Web端即时通讯技术的演进为例，从短轮询到长轮询，再到WebSocket，理论联系实际地讲解了Web端IM“实时性”的技术变迁，从而帮助读者理解IM中“实时性”这个最为关键的技术特征。
附录：更多Web端即时通讯资料
《Web端即时通讯技术盘点：短轮询、Comet、Websocket、SSE》
《Comet技术详解：基于HTTP长连接的Web端实时通信技术》
《WebSocket详解（一）：初步认识WebSocket技术》
《WebSocket详解（二）：技术原理、代码演示和应用案例》
《WebSocket详解（三）：深入WebSocket通信协议细节》
《WebSocket详解（四）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(上篇)》
《WebSocket详解（五）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(下篇)》
《WebSocket详解（六）：刨根问底WebSocket与Socket的关系》
《LinkedIn的Web端即时通讯实践：实现单机几十万条长连接》
《Web端即时通讯技术的发展与WebSocket、Socket.io的技术实践》
《Web端即时通讯安全：跨站点WebSocket劫持漏洞详解(含示例代码)》
《开源框架Pomelo实践：搭建Web端高性能分布式IM聊天服务器》
《详解Web端通信方式的演进：从Ajax、JSONP 到 SSE、Websocket》
《MobileIMSDK-Web的网络层框架为何使用的是Socket.io而不是Netty？》
《理论联系实际：从零理解WebSocket的通信原理、协议格式、安全性》
《微信小程序中如何使用WebSocket实现长连接(含完整源码)》
《八问WebSocket协议：为你快速解答WebSocket热门疑问》
《快速了解Electron：新一代基于Web的跨平台桌面技术》
《Web端即时通讯实践干货：如何让你的WebSocket断网重连更快速？》
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