一、业务背景

目前，vivo 平台有很多的业务都涉及到文件的下载：譬如说应用商店、游戏中心的C端用户下载更新应用或游戏；开放平台B端用户通过接口传包能力更新应用或游戏，需要从用户服务器上下载apk、图片等文件，来完成用户的一次版本更新。

二、面临的挑战

针对上述C端用户，平台需要提供良好的下载环境，并且客户端需要兼容手机上用户的异常操作。

针对上述B端用户，平台亟需解决的问题就是从用户服务器上，拉取各种资源文件。

下载本身也是一个很复杂的问题，会涉及到网络问题、URL重定向、超大文件、远程服务器文件变更、本地文件被删除等各种问题。这就需要我们保证平台具备快速下载文件的能力，同时兼具有有对异常场景的快速预警、容错处理的机制。

三、业务实现方案

基于前面提到的挑战，我们设计实现方案的时候，引用了行业常用的解决方法：断点下载。

针对B端用户场景，我们的处理方案入下图：

一、极速下载：通过分析文件大小，智能选择是否采用直接下载、单线程断点下载、多线程断点下载的方案；在使用多线程下载方案时，对"多线程"的使用，有两种方式：

• 分组模式：单个文件采用固定最大N个线程来进行下载，分组的好处是能保证服务节点线程数量可控，劣势就是遇到大文件的时候，下载耗时相对会比较长；
• 分片模式：采用单个线程，固定下载N个字节大小空间，分片的好处是遇到大文件的时候，下载耗时仍然会相对短，劣势是会导致服务器节点线程数量突增，对服务节点稳定性有干扰；

在二者之间，我们选择了分组模式。

二、容错处理：在我们处理下载过程中，会遇到下载过程中网络不稳定、本地文件删除，远程文件变更等各种场景，这就需要我们能够兼容处理这些场景，失败后的任务，会有定时任务自动重新调起执行，也有后台管理系统界面，进行人工调起；

三、完整性校验：文件下载完成之后，需要对文件的最终一致性做校验，来确保文件的正确性；

四、异常预警：对于单次任务在尝试多次下载操作后仍然失败的情况，及时发起预警警告。

对于C端用户，业务方案相对更简单，因为文件服务器有vivo平台提供，网络环境相对可控，这里就不再赘述。接下来，我们将对文件下载里面的各种技术细节，进行详尽的剖析。

四、断点下载原理剖析

在进行原理分析前，先给大家普及一下，什么叫断点下载？相信大家都有过使用迅雷下载网络文件的经历吧，有没有注意到迅雷的下载任务栏里面，有一个“暂停”和“开始下载”按钮，会随着任务的当前状态显示不同的按钮。当你在下载一个100M的文件，下载到50M的时候，你点击了“暂停”，然后点击了“开始下载”，你会发现文件的下载竟然是从已经下载好的50M以后接着下载的。没错，这就是断点下载的真实应用。

4.1 HTTP 断点下载之秘密：Range

在讲解这个知识点前，大家有必要了解一下http的发展历史，HTTP（HyperText Transfer Protocol），超文本传输协议，是目前万维网（World Wide Web）的基础协议，已经经历四次的版本迭代：HTTP/0.9，HTTP/1.0，HTTP/1.1，HTTP/2.0。在HTTP/1.1（RFC2616）协议中，定义了HTTP1.1标准所包含的所有头字段的相关语法和含义，其中就包括咱们要讲到的Accept-Ranges，服务端支持范围请求（range requests）。有了这个重要的属性，才使得我们的断点下载成为可能。

基于HTTP不同版本之间的适配性，所以当我们在决定是否需要使用断点下载能力的时候，需要提前识别文件地址是否支持断点下载，怎么识别呢？方法很多，如果采用curl命令，命令为：curl -I url

CURL验证是否支持范围请求：

如果服务端的响应信息里面包含了上图中Accept-Ranges: bytes，这个属性，那么说该URL是支持范围请求的。如果URL返回消息体里面，Accept-Ranges: none 或者压根就没有 Accept-Ranges这个属性，那么这个URL就是不支持范围请求，也就是不支持断点下载。

前面我们有看到，当使用curl命令获取URL的响应时，服务端返回了一大段文本信息，我们要实现文件的断点下载，就要从这些文本信息里面获取咱们断点下载需要的重要参数，有了这些参数后才能实现我们想要达到的效果。

4.2 HTTP 断点下载之Range语法说明

HTTP/1.1 中定义了一个 Range 的请求头，来指定请求实体的范围。它的范围取值是在 0 - Content-Length 之间，使用 - 分割。

4.2.1 单区间段范围请求

curl https://swsdl.vivo.com.cn/appstore/test-file-range-download.txt -i -H "Range: bytes=0-100"
HTTP/1.1 206 Partial Content
Date: Sun, 20 Dec 2020 03:06:43 GMT
Content-Type: text/plain
Content-Length: 101
Connection: keep-alive
Server: AliyunOSS
x-oss-request-id: 5FDEBFC33243A938379F9410
Accept-Ranges: bytes
ETag: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"
Last-Modified: Sun, 20 Dec 2020 03:04:33 GMT
x-oss-object-type: Normal
x-oss-hash-crc64ecma: 5148872045942545519
x-oss-storage-class: Standard
Content-MD5: H/02vRsG62woevjXiEWICA==
x-oss-server-time: 2
Content-Range: bytes 0-100/740
X-Via: 1.1 PShnzssxek171:14 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 x71:12 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 PS-FOC-01z6n168:27 (Cdn Cache Server V2.0)
X-Ws-Request-Id: 5fdebfc3_PS-FOC-01z6n168_36519-1719
Access-Control-Allow-Origin: *

4.2.2 多区间段范围请求

curl https://swsdl.vivo.com.cn/appstore/test-file-range-download.txt -i -H "Range: bytes=0-100,200-300"
HTTP/1.1 206 Partial Content
Date: Sun, 20 Dec 2020 03:10:27 GMT
Content-Type: multipart/byteranges; boundary="Cdn Cache Server V2.0:37E1D9B3B2B94DF2F1D84393694C7E8A"
Content-Length: 506
Connection: keep-alive
Server: AliyunOSS
x-oss-request-id: 5FDEC030BDB66C33302A497E
Accept-Ranges: bytes
ETag: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"
Last-Modified: Sun, 20 Dec 2020 03:04:33 GMT
x-oss-object-type: Normal
x-oss-hash-crc64ecma: 5148872045942545519
x-oss-storage-class: Standard
Content-MD5: H/02vRsG62woevjXiEWICA==
x-oss-server-time: 2
Age: 1
X-Via: 1.1 xian23:7 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 PS-NTG-01KKN43:8 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 PS-FOC-01z6n168:27 (Cdn Cache Server V2.0)
X-Ws-Request-Id: 5fdec0a3_PS-FOC-01z6n168_36013-8986
Access-Control-Allow-Origin: *


--Cdn Cache Server V2.0:37E1D9B3B2B94DF2F1D84393694C7E8A
Content-Type: text/plain
Content-Range: bytes 0-100/740

--Cdn Cache Server V2.0:37E1D9B3B2B94DF2F1D84393694C7E8A
Content-Type: text/plain
Content-Range: bytes 200-300/740

看完上述请求的响应结果信息，我们发现使用单范围区间请求时：Content-Type: text/plain，使用多范围区间请求时：Content-Type: multipart/byteranges; boundary="Cdn Cache Server V2.0:37E1D9B3B2B94DF2F1D84393694C7E8A"，并且在尾部信息里面，携带了单个区间片段的Content-Type和Content-Range。另外，不知道大家有没有发现一个很重要的信息，咱们的HTTP响应的状态并非我们预想中的200，而是HTTP/1.1 206 Partial Content，这个状态码非常重要，因为它标识着当次下载是否支持范围请求。

4.3 异常场景之资源变更

有一种场景，不知道大家有没有思考过，就是我们在下载一个大文件的时候，在未下载完成的时候，远程文件已经发生了变更，如果我们继续使用断点下载，会出现什么样的问题？结果当然是文件与远程文件不一致，会导致文件不可用。那么我们有什么办法能够在下载之前及时发现远程文件已经变更，并及时进行调整下载方案呢？解决方法其实上面有给大家提到，远程文件有没有发生变化，有两个标识：Etag和Last-Modified。二者任意一个属性均可反应出来，相比而言，Etag会更精准些，原因如下：

1. Last-Modified只能精确到秒级别，如果一秒内文件进行了多次修改，时间不会发生更新，但是文件的内容却已经发生了变更，此时Etag会及时更新识别到变更；
2. 在不同的时间节点（超过1秒），如果文件从A状态改成B状态，然后又重B状态改回了A状态，时间会发生更新，但是相较于A状态文件内容，两次变更后并没又发生变化，此时Etag会变回最开始A状态值，有点类似咱们并发编程里面常说的ABA问题。

如果我们在进行范围请求下载的时候，带上了这两个属性中的一个或两个，就能监控远程文件发生了变化。如果发生了变化，那么区间范围请求的响应状态就不是206而是200，说明它已经不支持该次请求的断点下载了。接下来我们验证一下Etag的验证信息，我们的测试文件：ETag: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"，然后我们将最后一个数值8改成9进行验证，验证如下：

文件未变更：

curl -I --header 'If-None-Match: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"' https://swsdl.vivo.com.cn/appstore/test-file-range-download.txt
HTTP/1.1 304 Not Modified
Date: Sun, 20 Dec 2020 03:53:03 GMT
Content-Type: text/plain
Connection: keep-alive
Last-Modified: Sun, 20 Dec 2020 03:04:33 GMT
ETag: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"
Age: 1
X-Via: 1.1 PS-FOC-01vM6221:15 (Cdn Cache Server V2.0)
X-Ws-Request-Id: 5fdeca9f_PS-FOC-01FMC220_2660-18267
Access-Control-Allow-Origin: *

文件已变更：

curl -I --header 'If-None-Match: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458809"' https://swsdl.vivo.com.cn/appstore/test-file-range-download.txt
HTTP/1.1 200 OK
Date: Sun, 20 Dec 2020 03:53:14 GMT
Content-Type: text/plain
Content-Length: 740
Connection: keep-alive
Server: AliyunOSS
x-oss-request-id: 5FDEC837E677A23037926897
Accept-Ranges: bytes
ETag: "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"
Last-Modified: Sun, 20 Dec 2020 03:04:33 GMT
x-oss-object-type: Normal
x-oss-hash-crc64ecma: 5148872045942545519
x-oss-storage-class: Standard
Content-MD5: H/02vRsG62woevjXiEWICA==
x-oss-server-time: 17
X-Cache-Spec: Yes
Age: 1
X-Via: 1.1 xian23:7 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 PS-NTG-01KKN43:8 (Cdn Cache Server V2.0), 1.1 PS-FOC-01vM6221:15 (Cdn Cache Server V2.0)
X-Ws-Request-Id: 5fdecaaa_PS-FOC-01FMC220_4661-42392
Access-Control-Allow-Origin: *

结果显示：当我们使用跟远程文件一致的Etag时，状态码返回：HTTP/1.1 304 Not Modified，而使用篡改后的Etag后，返回状态200，并且也携带了正确的Etag返回。所以我们在使用断点下载过程中，对于这种资源变更的场景也是需要兼顾考虑的，不然就会出现下载后文件无法使用情况。

4.4 完整性验证

文件在下载完成后，我们是不是就能直接使用呢？答案：NO。因为我们无法确认文件是否跟远程文件完全一致，所以在使用前，一定要做一次文件的完整性验证。验证方法很简单，就是咱们前面提到过的属性：Etag，资源版本的标识符，通常是消息摘要。带双引号的32位字符串，笔者验证过，该属性移除双引号后，就是文件的MD5值，大家知道，文件MD5是可以用来验证文件唯一性的标识。通过这个校验，就能很好的识别解决本地文件被删除、远程资源文件变更的各类非常规的业务场景。

五、实践部分

5.1 单线程断点下载

假如我们需要下载1000个字节大小的文件，那么我们在开始下载的时候，首先会获取到文件的Content-Length，然后在第一次开始下载时，会使用参数：httpURLConnection.setRequestProperty("Range", "bytes=0-1000");

当下载到到150个字节大小的时候，因为网络问题或者客户端服务重启等情况，导致下载终止，那么本地就存在一个大小为150byte的不完整文件，当我们服务重启后重新下载该文件时，我们不仅需要重新获取远程文件的大小，还需要获取本地已经下载的文件大小，此时使用参数：httpURLConnection.setRequestProperty("Range", "bytes=150-1000");

来保证我们的下载是基于前一次的下载基础之上的。图示：

5.2 多线程断点下载

多线程断点下载的原理，与上面提到的单线程类似，唯一的区别在于：多个线程并行下载，单线程是串行下载。

5.3 代码示例

5.3.1  获取连接

在下载前，我们需要获取远程文件的HttpURLConnection 连接，如下：

/**
 * 获取连接
 */
private static HttpURLConnection getHttpUrlConnection(String netUrl) throws Exception {
    URL url = new URL(netUrl);
    HttpURLConnection httpURLConnection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
    // 设置超时间为3秒
    httpURLConnection.setConnectTimeout(3 * 1000);
    // 防止屏蔽程序抓取而返回403错误
    httpURLConnection.setRequestProperty("User-Agent", "Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 5.0; Windows NT; DigExt)");
    return httpURLConnection;
}

5.3.2 是否支持范围请求

在进行断点下载开始前，我们需要判断该文件，是否支持范围请求，支持的范围请求，我们才能实现断点下载，如下：

/**
 * 判断连接是否支持断点下载
 */
private static boolean isSupportRange(String netUrl) throws Exception {
    HttpURLConnection httpURLConnection = getHttpUrlConnection(netUrl);
    String acceptRanges = httpURLConnection.getHeaderField("Accept-Ranges");
    if (StringUtils.isEmpty(acceptRanges)) {
        return false;
    }
    if ("bytes".equalsIgnoreCase(acceptRanges)) {
        return true;
    }
    return false;
}

5.3.3 获取远程文件大小

当文件支持断点下载，我们需要获取远程文件的大小，来设置Range参数的范围区间，当然，如果是单线程断线下载，不获取远程文件大小，使用 Range: start- 也是能完成断点下载的，如下：

/**
 * 获取远程文件大小
 */
private static int getFileContentLength(String netUrl) throws Exception {
    HttpURLConnection httpUrlConnection = getHttpUrlConnection(netUrl);
    int contentLength = httpUrlConnection.getContentLength();
    closeHttpUrlConnection(httpUrlConnection);
    return contentLength;
}

5.3.4 单线程断点下载

不管是单线程断点下载还是多线程断点下载，片段文件下载完成后，都无法绕开的一个问题，那就是文件合并。我们使用范围请求，拿到了文件中的某个区间片段，最终还是要将各个片段合并成一个完整的文件，才能实现我们最初的下载目的。

相较而言，单线程的合并会比较简单，因为单线程断点下载使用串行下载，在文件断点写入过程中，都是基于已有片段进行尾部追加，我们使用commons-io-2.4.jar里面的一个工具方法，来实现文件的尾部追加：

5.3.4.1 文件分段

单线程-范围分段

/**
 * 单线程串行下载
 *
 * @param totalFileSize 文件总大小
 * @param netUrl        文件地址
 * @param N             串行下载分段次数
 */
private static void segmentDownload(int totalFileSize, String netUrl, int N) throws Exception {
    // 本地文件目录
    String localFilePath = "F:\\test_single_thread.txt";
    // 文件我们分N次来下载
    int eachFileSize = totalFileSize / N;
    for (int i = 1; i <= N; i++) {
        // 写入本地文件
        File localFile = new File(localFilePath);
        // 获取本地文件，如果为空，则start=0，不为空则为该本地文件的大小作为断点下载开始位置
        long start = localFile.length();
        long end = 0;
        if (i == 1) {
            end = eachFileSize;
        } else if (i == N) {
            end = totalFileSize;
        } else {
            end = eachFileSize * i;
        }
        appendFile(netUrl, localFile, start, end);
        System.out.println(String.format("我是第%s次下载，下载片段范围start=%s,end=%s", i, start, end));
    }
    File localFile = new File(localFilePath);
    System.out.println("本地文件大小：" + localFile.length());
}

5.3.4.2 文件追加

单线程-文件尾部追加

/**
 * 文件尾部追加
 * @param netUrl 地址
 * @param localFile 本地文件
 * @param start 分段开始位置
 * @param end 分段结束位置
 */
private static void appendFile(String netUrl, File localFile, long start, long end) throws Exception {
    HttpURLConnection httpURLConnection = getHttpUrlConnection(netUrl);
    httpURLConnection.setRequestProperty("Range", "bytes=" + start + "-" + end);
    // 获取远程文件流信息
    InputStream inputStream = httpURLConnection.getInputStream();
    // 本地文件写入流，支持文件追加
    FileOutputStream fos = FileUtils.openOutputStream(localFile, true);
    IOUtils.copy(inputStream, fos);
    closeHttpUrlConnection(httpURLConnection);
}

单线程下载结果

远程文件支持断点下载
远程文件大小：740
我是第1次下载，下载片段范围start=0,end=246
我是第2次下载，下载片段范围start=247,end=492
我是第3次下载，下载片段范围start=493,end=740
本地文件和远程文件一致，md5 = 1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808, Etag = "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"

5.3.5 多线程断点下载

多线程的文件合并方式与单线程不一样，因为多线程是并行下载，每个子线程下载完成的时间是不确定的。这个时候，我们需要使用到java一个核心类：RandomAccessFile。这个类可以支持随机的文件读写，其中有一个seek函数，可以将指针指向文件任意位置，然后进行读写。什么意思呢，举个栗子：假如我们开了10个线程，首先第一个下载完成的是线程X，它下载的数据范围是300-400，那么这时我们调用seek函数将指针动到300，然后调用它的write函数将byte写出，这时候300之前都是NULL，300-400之后就是我们插入的数据。这样就可以实现多线程下载和本地写入了。话不多说，我们还是以代码的方式来呈现：

5.3.5.1 资源分组

多线程-资源分组

/**
 * 多线程分组策略
 * @param netUrl 网络地址
 * @param totalFileSize 文件总大小
 * @param N 线程池数量
 */
private static void groupDownload(String netUrl, int totalFileSize, int N) throws Exception {
    // 采用闭锁特性来实现最后的文件校验事件
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(N);
    // 本地文件目录
    String localFilePath = "F:\\test_multiple_thread.txt";
    int groupSize = totalFileSize / N;
    int start = 0;
    int end = 0;
    for (int i = 1; i <= N; i++) {
        if (i <= 1) {
            start = groupSize * (i - 1);
            end = groupSize * i;
        } else if (i > 1 && i < N) {
            start = groupSize * (i - 1) + 1;
            end = groupSize * i;
        } else {
            start = groupSize * (i - 1) + 1;
            end = totalFileSize;
        }
        System.out.println(String.format("线程%s分配区间范围start=%s, end=%s", i, start, end));
        downloadAndMerge(i, netUrl, localFilePath, start, end, countDownLatch);
    }
    // 校验文件一致性
    countDownLatch.await();
    validateCompleteness(localFilePath, netUrl);
}

5.3.5.2 文件合并

多线程-文件合并

/**
 * 文件下载、合并
 *  @param threadNum     线程标识
 * @param netUrl        网络文件地址
 * @param localFilePath 本地文件路径
 * @param start         范围请求开始位置
 * @param end           范围请求结束位置
 * @param countDownLatch 闭锁对象
 */
private static void downloadAndMerge(int threadNum, String netUrl, String localFilePath, int start, int end, CountDownLatch countDownLatch) {
    threadPoolExecutor.execute(() -> {
        try {
            HttpURLConnection httpURLConnection = getHttpUrlConnection(netUrl);
            httpURLConnection.setRequestProperty("Range", "bytes=" + start + "-" + end);
            // 获取远程文件流信息
            InputStream inputStream = httpURLConnection.getInputStream();
            RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(localFilePath, "rw");
            // 文件写入开始位置指针移动到已经下载位置
            randomAccessFile.seek(start);
            byte[] buffer = new byte[1024 * 10];
            int len = -1;
            while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) {
                randomAccessFile.write(buffer, 0, len);
            }
            closeHttpUrlConnection(httpURLConnection);
            System.out.println(String.format("下载完成时间%s, 线程：%s, 下载完成: start=%s, end = %s", System.currentTimeMillis(), threadNum, start, end));
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(String.format("片段下载异常：线程：%s, start=%s, end = %s", threadNum, start, end));
            e.printStackTrace();
        }
        countDownLatch.countDown();
    });
}

多线程下载运行结果

远程文件支持断点下载
远程文件大小：740
线程1分配区间范围start=0, end=74
线程2分配区间范围start=75, end=148
线程3分配区间范围start=149, end=222
线程4分配区间范围start=223, end=296
线程5分配区间范围start=297, end=370
线程6分配区间范围start=371, end=444
线程7分配区间范围start=445, end=518
线程8分配区间范围start=519, end=592
线程9分配区间范围start=593, end=666
线程10分配区间范围start=667, end=740
下载完成时间1608443874752, 线程：7, 下载完成: start=445, end = 518
下载完成时间1608443874757, 线程：2, 下载完成: start=75, end = 148
下载完成时间1608443874758, 线程：3, 下载完成: start=149, end = 222
下载完成时间1608443874759, 线程：5, 下载完成: start=297, end = 370
下载完成时间1608443874760, 线程：10, 下载完成: start=667, end = 740
下载完成时间1608443874760, 线程：1, 下载完成: start=0, end = 74
下载完成时间1608443874779, 线程：8, 下载完成: start=519, end = 592
下载完成时间1608443874781, 线程：6, 下载完成: start=371, end = 444
下载完成时间1608443874784, 线程：9, 下载完成: start=593, end = 666
下载完成时间1608443874788, 线程：4, 下载完成: start=223, end = 296
本地文件和远程文件一致，md5 = 1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808, Etag = "1FFD36BD1B06EB6C287AF8D788458808"

从运行结果可以出，子线程下载完成时间并没有完全按着我们for循环指定的1-10线程标号顺序完成，说明子线程之间是并行在写入文件。其中还可以看到，子线程10和子线程1是在同一时间完成了文件的下载和写入，这也很好的验证了我们上面提到的RandomAccessFile类的效果。

5.3.6 完整性判断

完整性校验

/**
 * 校验文件一致性，我们判断Etag和本地文件的md5是否一致
 * 注:Etag携带了双引号
 * @param localFilePath
 * @param netUrl
 */
private static void validateCompleteness(String localFilePath, String netUrl) throws Exception{
    File file = new File(localFilePath);
    InputStream data = new FileInputStream(file);
    String md5 = DigestUtils.md5Hex(data);
    HttpURLConnection httpURLConnection = getHttpUrlConnection(netUrl);
    String etag = httpURLConnection.getHeaderField("Etag");
    if (etag.toUpperCase().contains(md5.toUpperCase())) {
        System.out.println(String.format("本地文件和远程文件一致，md5 = %s, Etag = %s", md5.toUpperCase(), etag));
    } else {
        System.out.println(String.format("本地文件和远程文件不一致，md5 = %s, Etag = %s", md5.toUpperCase(), etag));
    }
}

六、写在最后

文件断点下载的优势在于提升下载速度，但是也不是每种业务场景都适合，比如说业务网络环境很好，下载的单个文件大小几十兆的情况下，使用断点下载也没有太大的优势，反而增加了实现方案的复杂度。这就要求我们开发人员在使用时酌情考虑，而不是盲目使用。

作者：vivo-Tang Aibo