CocoaAsyncSocket 实现时用到的技术

前言

最近在阅读 CocoaAsyncSocket 的源码，整理里一下其中用到的一些技术点。

GCD 相关

目标队列（Target Queue）

概念

目标队列的基本概念是：你创建的所有队列，如果没有指定其目标队列，那么它的目标队列是优先级为 DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT 的全局并发队列。每次在你队列中的一个 block 开始执行的时候，GCD 会重新将其放入目标队列执行。详细介绍可以查看引用1。

目标队列可能引起死锁

这里说一下使用目标队列可能导致的死锁问题：

比如说有两个队列：

dispatch_queue_t queueOne;
dispatch_queue_t targetQueueOne;
queueOne.targetQueue = targetQueueOne;

那么所有在 queue 上的操作最终会在 targetQueue 上执行。一切看起来都很好，现在有设想下面这样的函数：

 - (BOOL)doSomething
  {
      __block BOOL result = NO;
      dispatch_block_t block = ^{
          result = [self someInternalMethodToBeRunOnlyOnQueueOne];
      }
      if (is_executing_on_queue(queueOne))
          block();
      else
          dispatch_sync(queueOne, block);
      
      return result;
  }

如果你在 targetQueueOne 上调用这个方法会怎样？答案是死锁。这是因为 GCD 的 API 没有提供一个机制去发现队列的目标队列，所以我们不知道 queueOne 的目标队列。（死锁的原因是在当前串型队列上又同步派发了一个操作，导致两者相互等待）

目标队列死锁问题解决

一句话解释：使用 dispatch_queue_set_specific() 和 dispatch_get_specific()。

先给 queueOne 设置 sepcific

IsOnQueueOneOrTargetQueueKey = &IsOnQueueOneOrTargetQueueKey;

void *nonNullUnusedPointer = (__bridge void *)self;
dispatch_queue_set_specific(queue, IsOnQueueOneOrTargetQueueKey, nonNullUnusedPointer, NULL);

每次要判断是否是在当前队列或者目标队列的时候如下判断：

if (dispatch_get_specific(IsOnQueueOneOrTargetQueueKey)) {
    block();
} else {
    dispatch_sync(queueOne, block);
}

GCD Dispatch 源

概念

当要处理系统底层相关任务的时候，我们必须准备好要等待一段时间。当你的应用程序陷入系统内核或者其他系统层面的时候，比起在进程内部的函数调用，我们要面临切换上下文导致的巨大时间开销。结果就是，许多系统库会提供异步接口使你的代码提交一个请求给系统，然后继续自己的工作，当系统完成你的请求，在回调你的请求结果处理 block。GCD 的 dispatch source 就是这样一个基本数据类型。具体介绍可以查看官方文档，引用2。

使用 Dispatch 源来做一个定时器

在 iOS 中想要实现一个定时器可以使用系统原生的类 NSTimer，NSTimer 的问题是它的设计模式是 target-action 模式。也就是要在当前类中定义一个方法给定时器使用。比起多定义一个方法我们更喜欢用 block。但是 NSTimer 的 API 在 iOS 11 才支持回调的方式。有很多方式来自定义 NSTimer 使用回调的方式。这里不做介绍，可以查看引用3。

实现一个回调的定时器的一种方式是使用 Dispatch 源，代码如下所示：

dispatch_source_t CreateDispatchTimer(uint64_t interval,
              uint64_t leeway,
              dispatch_queue_t queue,
              dispatch_block_t block)
{
   dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER,
                                                     0, 0, queue);
   if (timer)
   {
      dispatch_source_set_timer(timer, dispatch_walltime(NULL, 0), interval, leeway);
      dispatch_source_set_event_handler(timer, block);
      dispatch_resume(timer);
   }
   return timer;
}
 
void MyCreateTimer()
{
   dispatch_source_t aTimer = CreateDispatchTimer(30ull * NSEC_PER_SEC,
                               1ull * NSEC_PER_SEC,
                               dispatch_get_main_queue(),
                               ^{ MyPeriodicTask(); });
 
   // Store it somewhere for later use.
    if (aTimer)
    {
        MyStoreTimer(aTimer);
    }
}

使用 Dispatch 源来处理 Socket 相关操作

无论是服务器端还是客户端socket 都需要某种机制使得其能够和对方进行持续的通信。通常的解决办法是进行一个永久循环，遇到某种条件时再终止循环。这种方式缺陷较多，一是不够“优雅”，二是无限循环非常浪费 CPU 时间。使用 Dispatch 源来做处理会更好。

CocoaAsyncSocket 这个框架的核心思想之一就是使用源来处理 Socket 的读和写。下面代码来自 CocoaAsyncSocket：

accept4Source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ, socket4FD, 0, socketQueue);
int socketFD = socket4FD;
dispatch_source_t acceptSource = accept4Source;
__weak GCDAsyncSocket *weakSelf = self;
dispatch_source_set_event_handler(accept4Source, ^{ @autoreleasepool {
    __strong GCDAsyncSocket *strongSelf = weakSelf;
    if (strongSelf == nil) return_from_block;
    unsigned long i = 0;
    unsigned long numPendingConnections = dispatch_source_get_data(acceptSource);
    while ([strongSelf doAccept:socketFD] && (++i < numPendingConnections));
}});
dispatch_source_set_cancel_handler(accept4Source, ^{
    close(socketFD);
});

dispatch_resume(accept4Source);

使用 dispatch_source_create 来创建源，参数 DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ 指的是这是一个读类型的源，读事件来自与 socket4FD，事件回调发生在 socketQueue 上。

dispatch_source_set_event_handler 指定了每次事件发生时的回调，
dispatch_source_set_cancel_handler 指定了取消一个源的操作，取消一个源可以使用 dispatch_source_cancel 完成。默认情况下源是不会开始执行的，所以要用 dispatch_resume 显示的启动一个源。

dispatch 源还有很多作用，比如监视一个文件夹中的文件变化等。详细介绍可以看官方文档或者引用4

SSL/TLS 握手

我们知道每一个 TCP 连接都会进行3次握手，然后才会开始通信，具体原理可以查看引用5。HTTP 连接是建立在 TCP 连接的基础之上的。HTTPS 则更进一步，其连接是建立在 SSL/TLS 连接之上的。而 SSL/TLS 连接又是建立在 TCP 3次握手之后。这里不描述 SSL/TLS 的握手过程，详细可以查看参考资料6。

如何在 iOS 或者 macOS 系统上实现 SSL/TLS 握手呢？先说一下为什么要自己实现 SSL/TLS 握手，毕竟我们使用 HTTPS 的时候好像并没有处理这个？

了解客户端证书绑定的会知道，要做客户端证书绑定我们需要实现 NSURLSessionDelegate 的 URLSession:didReceiveChallenge:completionHandler 协议。其实在这一步发生的时候，NSURLSession 就已经正在为我们进行 SSL/TLS 握手，只是由于我们实现了这个协议，所以 NSURLSession 需要我们告诉它是否要信任这次握手，默认情况下 NSURLSession 有自己的逻辑来决定是否信任。NSURLSession 为我们隐藏了很多其他握手细节。

当我们想自定义 SSL/TLS 的握手细节的时候就需要自定义了。（SSL/TLS 握手中每一个步骤请看资料6）。

iOS 这边实现 SSL/TLS 握手 有两种方式

1. 使用苹果提供的 SecureTransport 框架
2. 使用 CFStream 相关接口

使用 SecureTransport 的优势是可以结合 dispatch 源，并且性能高，可控性强，但是 SecureTransport 没有开源。

使用 CFStream 的优势是使用 dispatch source 苹果没有一种机制告诉我们当前是否要进入后台或者正在后台。CFStream 的 API 就可以，通过设置 steam 的 kCFStreamNetworkServiceType 为 kCFStreamNetworkServiceTypeVoIP 即可。

注意 CocoaAsyncSocket 中貌似无法用 CFSteam 来自定义证书认证。

具体如何使用 CFStream 请看资料 CFSocketStream

具体如何使用 Secure Transport 请看资料 Secure Transport

SOCKET

CocoaAsyncSocket 本来就是对原生的 Socket 的封装，所以要看懂源码需要了解原生的 Socket 的写法。主要分成两个部分：

1. 服务器端 Socket
2. 客户端 Socket

同时 Socket 本身还有很多细节内容需要了解。建议在阅读或者使用 CocoaAsyncSocket 之前了解这方面的知识。

英文资料可以看： Introduction to Sockets Programming in C using TCP/IP

中文资料可以看： Socket

引用

1. 【翻译】GCD Target Queues
2. Dispatch Sources 官方文档
3. NSTimer-Blocks
4. 细说GCD（Grand Central Dispatch）如何用
5. 通俗大白话来理解TCP协议的三次握手和四次分手
6. SSL/TLS协议运行机制的概述