转：微信的心跳机制实现
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微信Android客户端后台保活经验分享
本文为『移动前线』群在3月31日的分享总结整理而成，转载请注明来自『移动开发前线』公众号。
嘉宾介绍
杨干荣，微信Android客户端基础平台、性能优化负责人
保活，按照我们的理解包含两部分：
网络连接保活：如何保证消息接收实时性。
进程保活：尽量保证应用的进程不被Android系统回收。
1.0 网络连接保活
网络保活，业界主要手段有：
a. GCM
b. 公共的第三方push通道(信鸽等)
c. 自身跟服务器通过轮询，或者长连接
国产机器大多缺乏GMS，在国内GCM也不稳定(心跳原因)，第三方通道需要考虑安全问题和承载能力，最后微信选择使用自己的长连接。而国外， GCM作为辅助，微信无法建立长连接时，才使用GCM。
之前看到大家在聊各种Java网络框架，而微信实际上都是没用上的。早年的微信，直接通过Java socket 实现。微信v5.0后，考虑各系统平台的统一，开始使用自研c++组件。
长连接实现包括几个要素：
a. 网络切换或者初始化时 server ip 的获取。
b. 连接前的 ip筛选，出错后ip 的抛弃。
c. 维护长连接的心跳。
d. 服务器通过长连notify。
e. 选择使用长连通道的业务。
f. 断开后重连的策略。
今天主题在保活， 我们重点讨论心跳和 notify 机制。
1.1 心跳机制
心跳的目的很简单：通过定期的数据包，对抗NAT超时。以下是部分地区网络NAT 超时统计：
上表说明：
a. GCM无法适应国内2G环境(GCM 28分钟心跳)。
b. 为了兼容国内网络要求，我们至少5分钟心跳一次。
老版本的微信是4.5分钟发送一次心跳，运行良好。
心跳的实现：
a. 连接后主动到服务器Sync拉取一次数据，确保连接过程的新消息。
b. 心跳周期的Alarm 唤醒后，一般有几秒的cpu 时间，无需wakelock。
c. 心跳后的Alarm防止发送超时，如服务器正常回包，该Alarm 取消。
d. 如果服务器回包，系统通过网络唤醒，无需wakelock。
流程基于两个系统特性：
a. Alarm唤醒后，足够cpu时间发包。
b. 网络回包可唤醒机器。
特别是b项，假如Android封堵该特性，那就只能用GCM了。API level >= 23的doze就关闭所有的网络， alarm等。但进入doze条件苛刻，现在6.0普及低，至今微信没收到相关投诉。另Google也最终加入REQUEST_IGNORE_BATTERY_OPTIMIZATIONS权限。
1.1 动态心跳
4.5min心跳周期是稳定可靠的，但无法确定是最大值。通过终端的尝试，可以获取到特定用户网络下，心跳的最大值。
引入该特性的背景：
a. 运营商的信令风暴
b. 运营商网络换代，NAT超时趋于增大
c. Alarm耗电，心跳耗流量。
动态心跳引入下列状态：
a. 前台活跃态：亮屏，微信在前台， 周期minHeart (4.5min) ，保证体验。
b. 后台活跃态：微信在后台10分钟内，周期minHeart ，保证体验。
c. 自适应计算态：步增心跳，尝试获取最大心跳周期(sucHeart)。
d. 后台稳定态：通过最大周期，保持稳定心跳。
自适应计算态流程：
在自适应态：
a. curHeart初始值为minHeart ， 步增(heartStep)为1分钟。
b. curHeart 失败5次， 意味着整个自适应态最多只有5分钟无法接收消息。
c. 结束后，如果sucHeart > minHeart，会减去10s(避开临界)，为该网络下的稳定周期。
d. 进入稳定态时，要求连接连续三次成功minHeart心跳周期，再使用sucHeart。
稳定态的退出：
sucHeart 会对应网络存储下来， 重启后正常使用。考虑到网络的不稳定，如NAT超时变小，用户地理位置变换。当发现sucHeart 连续5次失败， sucHeart 置为minHeart ，重新进入自适应态。
1.2 notify机制
网络保活的意义在于消息实时。通过长连接，微信有下列机制保证消息的实时。
Sync：
通过Sync CGI直接请求后台数据。Sync 通过后台和终端的seq值对比，判断该下发哪些消息。终端正常处理消息后，seq更新为最新值。
Sync 的主要场景：
a. 长连无法建立时，通过Sync 定期轮询
b. 微信切到前台时，触发Sync(保命机制)
c. 长连建立完成，立即触发Sync，防止连接过程漏消息
d. 接收到Notify 或者 gcm 后，终端触发Sync 接收消息.
Notify：
类似于GCM。通过长连接，后台发出仅带seq的小包，终端根据seq决定是否触发Sync拉取消息。
NotifyData：
在长连稳定， Notify机制正常的情况下(保证seq的同步)。后台直接推送消息内容，节省1个RTT (Sync) 消息接收时间。终端收到内容后，带上seq回应NotifyAck，确认成功。这里会出现Notify和NotifyData状态互相切换的情况：
如NotifyData 后，服务器在没收到NotifyAck，而有新消息的情况下，会切换回到Notify，Sync可能需要冗余之前NotifyData的消息。终端要保证串行处理NotifyData和Sync ，否则seq可能回退。
GCM：
只要机器上有GMS ，启动时就尝试注册GCM，并通知后台。服务器会根据终端是否保持长连，决定是否由GCM通知。GCM主要针对国外比较复杂的网络环境。
2.0 进程保活
在Android系统里，进程被杀的原因通常为以下几个方面：
a. 应用Crash
b. 系统回收内存
c. 用户触发
d. 第三方root权限app.
原因a可以单独作为一个课题研究。原因c、d目前在微信上没有特殊处理。这里讨论的就是如何应对Android Low Memory Killer。
下面分享几个微信保活的方法：
2.1 进程拆分
上图表述的是微信主要的几个进程：
a. push主要用于网络交互，没有UI
b. worker就是用户看到的主要UI
c. tools主要包含gallery和webview
拆分网络进程，确实就是为了减少进程回收带来的网络断开。
可以看到push的内存要远远小于worker。而且push的工作性质稳定，内存增长会非常少。这样就可以保证，尽量的减少push 被杀的可能。
这里有个思路，但限制比较多，也抛砖引玉。启动一个纯C/C++ 的进程，没有Java run time ，内存使用极低。
这种做法限制很明显，如：没有Java run time ，所以无法使用Android系统接口。缺乏权限，也无法使用各种shell命令操作(如am)。但可以考虑一下用途：高强度运算，网络连接，心跳维持等。比如Shadowsocks-android就如此，通过纯c命令行进程，维护着socks5代理 (Android M运行正常)。
tools进程的拆分也同样是内存的原因：
a. 老版本的webview 是有内存泄漏的
b. Gallery大量缩略图导致内存使用大
微信在进入后台后，会主动把tools进程kill掉。
2.2 及时拉起
系统回收不可避免，及时重新拉起的手段主要依赖系统特性。从上图看到， push有AlarmReceiver， ConnectReceiver，BootReceiver。这些receiver 都可以在push被杀后，重新拉起。特别AlarmReceiver ，结合心跳逻辑，微信被杀后，重新拉起最多一个心跳周期。
而对于worker，除了用户UI操作启动。在接收消息，或者网络切换等事件， push也会通过LocalBroadcast，重新拉起worker。这种拉起的worker ，大部分初始化已经完成，也能大大提高用户点击微信的启动速度。
历史原因，我们在push和worker通信使用Broadcast和AIDL。实际上，我一直不喜欢这里的实现，AIDL代码冗余多， broadcast效率低。欢迎大家分享更好的思路或者方法。
2.3 进程优先级
Low Memory Killer 决定是否杀进程除了内存大小，还有进程优先级：
上表的数字可能在不同系统会有一定的出入，但明确的是，数值越小，优先级越高。对于优先级相同的进程，总是会把内存占用多的先kill。提高进程优先级是保活的最好手段。
正常情况下微信的oom_adj：
而被提高优先级后：
从统计上报看，提高后的效果极佳。
原理：Android 的前台service机制。但该机制的缺陷是通知栏保留了图标。
对于 API level < 18 ：调用startForeground(ID， new Notification())，发送空的Notification ，图标则不会显示。
对于 API level >= 18：在需要提优先级的service A启动一个InnerService，两个服务同时startForeground，且绑定同样的 ID。Stop 掉InnerService ，这样通知栏图标即被移除。
这方案实际利用了Android前台service的漏洞。微信在评估了国内不少app已经使用后，才进行了部署。其实目标是让大家站同一起跑线上，哪天google 把漏洞堵了，效果也是一样的。
QA环节
Q：在智能心跳自适应阶段，如果5次心跳失败是否会促发重连？因为5次心跳都失败的话连接是不是已经断开了？
A：这里可能刚才描述不够清晰，任何一次心跳失败后，必然就已经断开重连了，所以每次心跳失败，对应一次重连操作。
Q：在某些网络下，经常出现网络闪断的情况，这种情况下势必会引起频繁的socket重连，微信有没有遇到类似的情况？有没有什么优化的方法，求指教。
A：这种情况是有的，微信在前台时，我们会比较积极的更换ip重试，或者换短连ip。在后台时，如果出现频繁，会加上比较长的间隔。
Q： 之前看微信的架构分享，貌似是通过单一Activity，用多个Fragment切换来实现的多窗口。如果分进程的话，看起来Gallery和 WebView是单独的一个Activity，我的理解是否正确呢？以及进入后台之后，为何只kill tools而不一起释放work呢？
A：Fragment 的改造只是用在有限的几个UI上，大部分的UI，对于切换时间要求不高，还是保留成activity，Gallery和WebView都是单独的 activity，所以才可能另外一个进程的。对于我们来说worker的保活仅次于网络的push，worker如果频繁被杀，用户每次启动微信都需要 等待，这个就不好了。所以，我们在后台，只会kill tools，不会主动kill worker。
Q：除了提高进程的优先级，微信在内存方面有什么处理或优化的技术吗？
A：不可否认，其实微信是内存大户了，现阶段我们主要关注内存泄漏，没有专门去减少内存的使用，毕竟内存意味着cache，意味着用户体验更快，后续对于内存优化我们有一些规划，比如说，在cache这块照顾一些低端机。
Q：我记得很久以前听说过微信使用一个像素的浮动窗口来保活，不知道现在还有没有呢？
A：我们有想过，也听说过有其他app是这样做的，但从来没实现过这个方案。
Q：多端同时登录情况(手机，电脑同时登录)，假如有一端网络情况不好，怎么保证收到消息一致性？
A：多终端登录消息一致的问题，是由后台保证的，实际原理也就是上面提到的seq。
Q：你们push进程与worker进程采用过socket通信方案么？采用的话效果怎么样？
A：有考虑过用socket，后续也可能会有这种尝试，但因为push和worker依赖代码太多，伤筋动骨了，但估计也要比AIDL好，AIDL对于应用出问题后能做的事情太少了。
Q：有没有遇到过有一些端口被运营商封了的情况？我们之前有一些用户就是死活连不上某个端口。
A：服务器给我们开的端口有好几个，比如80/8080/443等，而且允许服务器下发，所以实际上现在服务器会用哪些端口，终端这边都无需关注了。
Q：再问一个问题，服务端主动notify的话，时间间隔是如何选择的？因为这个关系到用户的流量消耗。
A：notifydata是实时的，只要你的状态允许，你的好友给你发消息的时候就会立即在服务器转换成notifydata给到你，所以这里的频率并不在于时间间隔，而在于你接收消息然后返回ack的间隔。流量消耗上，实际要比触发sync更少。
Q：这种保活机制会极大的增加app的耗电量，在可以通过GCM稳定唤醒app的场景下，是否可以停用后台保活，从而省电？
A：其实心跳机制真的不会带来多少耗电，一个心跳包发出和接收，实际的消耗远远低于您收发一条消息。心跳间隔时间微信实际不会使用任何cpu的。唤醒机制靠的是网络回包。
GCM唤醒这种模式国外有app是这样做的，但还是因为国内GCM不靠谱，另外这种模式要比notify，notifydata都慢。
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