关于HTTP中的keep-alive

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本文介绍了HTTP协议的基础知识及其特点，并深入探讨了Keep-Alive机制的工作原理与应用场景，包括如何设置keep-alivetimeout时间以提高服务器性能。

一. 关于HTTP

首先，HTTP是超文本传输协议，是一个基于请求与响应模式的、无状态的、应用层的协议，常基于TCP的连接方式，其主要特点有如下：

支持客户/服务器模式；
简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快；
灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记；
无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间；
无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

二. keep-alive

既然上面提到了HTTP是基于请求与响应的，且最主要的两个特点就是无连接和无状态，但需要说明的是，虽然是无连接的，但其底层也就是传输层大多却是基于TCP面向连接的通信方式，因此，这里的无连接指的是：当server端和client端进行通讯的时候，client端向server端发起请求，server端接收请求之后返回给client端一个响应，之后就会断开不再继续保持连接了；这样有一个好处就是对于只有一次访问的连接来说不仅节省资源还很高效，但很明显，如果client端还想继续多次访问server端就需要重新建立连接也就是会多次进行TCP的“三次握手，四次挥手”的过程，这样一来并没有节省资源而且还很低效，因此，使用keep-alive（又称持久连接、连接重用）可以改善这种状态，即在一次TCP连接中可以持续发送多份数据而不会断开连接。通过使用keep-alive机制，避免了建立或者重新建立连接的次数，也意味着可以减少TIME_WAIT状态连接，以此提高性能和提高httpd服务器的吞吐率(更少的TCP连接意味着更少的系统内核调用,socket的accept()和close()调用)。

HTTP 1.0中keep-alive默认是关闭的，需要在HTTP头加入"Connection: Keep-Alive"，才能启用Keep-Alive；HTTP 1.1中默认启用Keep-Alive，如果加入"Connection: close "，才关闭。目前大部分浏览器都是用HTTP 1.1协议，也就是说默认都会发起Keep-Alive的连接请求了，所以是否能完成一个完整的Keep- Alive连接就看服务器设置情况。

其中，RFC 2616 （P47）指出：单用户客户端与任何服务器或代理之间的连接数不应该超过2个。一个代理与其它服务器或代码之间应该使用不超过2 * N的活跃并发连接。这是为了提高HTTP响应时间，避免拥塞（冗余的连接并不能代码执行性能的提升）。

三. keep-alive timeout时间

keep-alive并不是免费的午餐，长时间的TCP连接容易导致系统资源无效占用，配置不当的keep-alive 有时比重复利用连接带来的损失还更大；因此，正确地设置keep-alive timeout时间非常重要。

httpd守护进程一般都提供了keep-alive timeout时间设置参数，比如nginx的keepalive_timeout和Apache的keepalivetimeout。这个keepalive_timeout时间值意味着：一个http产生的TCP连接在传送完最后一个响应后，还需要保持keepalive_timeout时间后才开始关闭这个连接；

在没有设置keepalive_timeout的情况下，一个socket资源从建立到真正释放所需要经过的时间是：建立TCP连接（三次握手）+传送http请求+脚本指向+传送http响应+关闭TCP连接（四次挥手）+主动关闭的一方进入TIME_WAIT的2MSL等待时间；

当设定了keepalive_timeout时间之后，一个socket由建立到释放所需要经过的时间是：TCP建立连接（三次握手）+（最后一次响应 - 第一次请求时间）+TCP关闭连接（四次挥手）+2MSL；也就是说，当使用keep-alive机制的时候，当一次请求-响应结束之后，这个连接还会继续维持上keepalive_timeout时间，如果在这个时间内client端还有请求发过来，那么server端会继续处理给予响应，如果keepalive_timeout时间计时结束后，就会进入TCP释放连接的阶段，因此也就会结束掉这次通信；

四. keep-alive模式的使用

虽然keep-alive模式可以降低TCP连接的次数提高效率，但并不是什么情况下都适合使用keep-alive机制的，如下举个栗子：

比如很多网页中图片、CSS、JS、Html都在一台Server上，当用户访问其中的Html网页时，网页中的图片、Css、Js都构成了访问请求，打开KeepAlive属性可以有效地降低TCP握手的次数(当然浏览器对同一域下同时请求的图片数有限制，一般是2)，减少httpd进程数，从而降低内存的使用(假定prefork模式)。MaxKeepAliveRequests和KeepAliveTimeOut两个属性在KeepAlive=On时起作用，可以控制持久连接的生存时间和最大服务请求数。

不过，上面说的只是一种情形，那就是静态网页居多的情况下，并且网页中的其他请求与网页在同一台Server上。当你的应用动态程序(比如：php)居多，用户访问时由动态程序即时生成html内容，html内容中图片素材和Css、Js等比较少或者散列在其他Server上时，KeepAlive=On反而会降低Apache的性能。为什么呢？

前面提到过，KeepAlive=On时，每次用户访问，打开一个TCP连接，Apache都会保持该连接一段时间，以便该连接能连续为同一client服务，在KeepAliveTimeOut还没到期并且MaxKeepAliveRequests还没到阈值之前，Apache必然要有一个httpd进程来维持该连接，httpd进程不是廉价的，他要消耗内存和CPU时间片的。假如当前Apache每秒响应100个用户访问，KeepAliveTimeOut=5，此时httpd进程数就是100*5=500个(prefork模式)，一个httpd进程消耗5M内存的话，就是500*5M=2500M=2.5G，夸张吧？当然，Apache与Client只进行了100次TCP连接。如果你的内存够大，系统负载不会太高，如果你的内存小于2.5G，就会用到Swap，频繁的Swap切换会加重CPU的Load。
现在我们关掉KeepAlive，Apache仍然每秒响应100个用户访问，因为我们将图片、js、css等分离出去了，每次访问只有1个request，此时httpd的进程数是100*1=100个，使用内存100*5M=500M，此时Apache与Client也是进行了100次TCP连接。性能却提升了太多。

因此，总结：

当你的Server内存充足时，KeepAlive=On还是Off对系统性能影响不大；
当你的Server上静态网页(Html、图片、Css、Js)居多时，建议打开KeepAlive；
当你的Server多为动态请求(因为连接数据库，对文件系统访问较多)，KeepAlive关掉，会节省一定的内存，节省的内存正好可以作为文件系统的Cache(vmstat命令中cache一列)，降低I/O压力；

PS：当KeepAlive=On时，KeepAliveTimeOut的设置其实也是一个问题，设置的过短，会导致Apache频繁建立连接，给Cpu造成压力，设置的过长，系统中就会堆积无用的Http连接，消耗掉大量内存，具体设置多少，可以进行不断的调节，因你的网站浏览和服务器配置而异。

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