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Objective-C网络编程中的断点续传功能实现

2023-07-173.8k 阅读

一、断点续传功能概述

在网络编程中，断点续传是一项至关重要的功能。当我们从网络上下载文件时，由于网络不稳定、设备电量不足、应用程序意外关闭等各种原因，下载过程可能会中断。如果没有断点续传功能，每次下载中断后都需要重新从文件的起始位置开始下载，这不仅浪费了用户的时间和网络流量，也极大地影响了用户体验。

断点续传的核心原理是在下载中断时，记录已下载的部分，当下次继续下载时，从上次中断的位置开始，而不是从头开始。这就要求客户端和服务器端能够相互协作，客户端告知服务器需要从哪个位置继续下载，服务器则根据客户端的请求，从相应位置开始传输数据。

二、Objective-C 网络编程基础

（一）NSURLSession 简介

在 Objective-C 中，进行网络编程常用的类是 NSURLSession。NSURLSession 是 iOS 7.0 引入的网络框架，它替代了之前的 NSURLConnection，提供了更强大、更灵活的网络请求处理能力。NSURLSession 可以创建三种类型的会话：

  1. 默认会话（default session）：这种会话会使用系统提供的缓存策略，将数据写入磁盘缓存。它适用于大多数普通的网络请求，比如下载图片、获取 JSON 数据等。
  2. 后台会话（background session）：后台会话允许应用程序在后台执行网络任务。即使应用程序被挂起或关闭，后台会话仍可以继续下载或上传数据。这对于大文件的下载非常有用，用户可以在下载过程中切换到其他应用，而下载任务不会中断。
  3. Ephemeral 会话：Ephemeral 会话不会将数据写入磁盘，所有数据都保留在内存中。这种会话适用于对隐私要求较高的场景，因为不会在设备上留下任何数据痕迹。

（二）创建 NSURLSession

下面是创建一个默认 NSURLSession 的示例代码：

NSURLSessionConfiguration *defaultConfigObject = [NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration];
NSURLSession *defaultSession = [NSURLSession sessionWithConfiguration:defaultConfigObject delegate:self delegateQueue:[NSOperationQueue mainQueue]];

在上述代码中，首先创建了一个默认的会话配置对象 defaultConfigObject，然后使用这个配置对象创建了一个 NSURLSession。delegate:self 表示当前类实现了 NSURLSession 的代理方法，用于处理网络请求的各种事件，如数据接收、请求完成等。delegateQueue:[NSOperationQueue mainQueue] 表示代理方法将在主线程中执行，这样可以方便地更新 UI。

（三）发起网络请求

以 GET 请求为例，发起一个简单的网络请求代码如下：

NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://example.com/api/data"];
NSURLRequest *request = [NSURLRequest requestWithURL:url];
NSURLSessionDataTask *dataTask = [defaultSession dataTaskWithRequest:request completionHandler:^(NSData * _Nullable data, NSURLResponse * _Nullable response, NSError * _Nullable error) {
    if (error) {
        NSLog(@"请求出错: %@", error);
    } else {
        NSString *responseString = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
        NSLog(@"响应数据: %@", responseString);
    }
}];
[dataTask resume];

上述代码中，先创建了一个 NSURL 对象，指定请求的 URL。然后创建了一个 NSURLRequest 对象，默认使用 GET 方法。接着通过 NSURLSession 创建了一个 NSURLSessionDataTask，并在 completionHandler 中处理请求的响应数据和错误。最后调用 resume 方法启动任务。

三、断点续传功能实现原理

（一）客户端实现原理

  1. 记录已下载位置：在下载过程中，客户端需要实时记录已下载的数据长度。可以通过 NSURLSession 的代理方法 URLSession:dataTask:didReceiveData: 来获取每次接收到的数据，将每次接收到的数据长度累加到一个全局变量中，以此记录已下载的总长度。
  2. 断点续传请求：当下载中断后再次开始下载时，客户端需要在请求头中添加 Range 字段，告知服务器需要从哪个位置开始继续下载。Range 字段的格式为 Range: bytes=start-end，其中 start 是需要继续下载的起始位置，end 可以为空，表示从 start 位置开始到文件末尾。

（二）服务器端实现原理

服务器端接收到带有 Range 字段的请求时，需要根据这个字段的值从相应位置读取文件数据，并返回给客户端。服务器端通常需要支持 HTTP/1.1 协议，因为 Range 字段是在 HTTP/1.1 中引入的。如果服务器端不支持断点续传，当接收到带有 Range 字段的请求时，可能会返回 416 Requested Range Not Satisfiable 错误。

四、Objective-C 实现断点续传

（一）定义下载任务管理类

首先，我们定义一个类来管理下载任务，这个类需要记录下载的进度、已下载的长度、下载的 URL 等信息。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface DownloadTaskManager : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSURL *downloadURL;
@property (nonatomic, assign) long long totalBytesExpectedToReceive;
@property (nonatomic, assign) long long totalBytesReceived;
@property (nonatomic, strong) NSURLSessionDataTask *dataTask;

- (void)startDownload;
- (void)pauseDownload;

@end

@implementation DownloadTaskManager

- (void)startDownload {
    NSURLSessionConfiguration *defaultConfigObject = [NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration];
    NSURLSession *defaultSession = [NSURLSession sessionWithConfiguration:defaultConfigObject delegate:self delegateQueue:[NSOperationQueue mainQueue]];
    
    NSMutableURLRequest *request = [NSMutableURLRequest requestWithURL:self.downloadURL];
    if (self.totalBytesReceived > 0) {
        NSString *rangeValue = [NSString stringWithFormat:@"bytes=%lld-", self.totalBytesReceived];
        [request setValue:rangeValue forHTTPHeaderField:@"Range"];
    }
    
    self.dataTask = [defaultSession dataTaskWithRequest:request];
    [self.dataTask resume];
}

- (void)pauseDownload {
    [self.dataTask cancelByProducingResumeData:^(NSData * _Nullable resumeData) {
        if (resumeData) {
            // 保存 resumeData，下次可以从这里继续下载
            NSUserDefaults *defaults = [NSUserDefaults standardUserDefaults];
            [defaults setObject:resumeData forKey:@"resumeData"];
            [defaults synchronize];
        }
    }];
}

@end

在上述代码中，DownloadTaskManager 类有几个重要的属性：downloadURL 表示要下载的文件的 URL，totalBytesExpectedToReceive 表示文件的总大小，totalBytesReceived 表示已经下载的大小，dataTask 是 NSURLSessionDataTask 对象，用于实际执行下载任务。

startDownload 方法中，首先创建了一个 NSURLSession。然后根据是否已经有已下载的长度，来决定是否在请求头中添加 Range 字段。最后创建并启动 NSURLSessionDataTask。

pauseDownload 方法中，调用 cancelByProducingResumeData: 方法取消任务并生成一个 resumeData，这个 resumeData 可以用于下次从断点处继续下载。我们将 resumeData 保存到 NSUserDefaults 中，实际应用中可以考虑保存到文件中，以避免数据丢失。

（二）实现 NSURLSession 代理方法

接下来，我们需要在 DownloadTaskManager 类中实现 NSURLSession 的代理方法，以处理下载过程中的各种事件。

@interface DownloadTaskManager () <NSURLSessionDataDelegate, NSURLSessionTaskDelegate>

@end

@implementation DownloadTaskManager

// 接收到响应时调用
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session dataTask:(NSURLSessionDataTask *)dataTask didReceiveResponse:(NSURLResponse *)response completionHandler:(void (^)(NSURLSessionResponseDisposition))completionHandler {
    self.totalBytesExpectedToReceive = response.expectedContentLength;
    completionHandler(NSURLSessionResponseAllow);
}

// 接收到数据时调用
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session dataTask:(NSURLSessionDataTask *)dataTask didReceiveData:(NSData *)data {
    self.totalBytesReceived += data.length;
    // 计算下载进度
    CGFloat progress = (CGFloat)self.totalBytesReceived / (CGFloat)self.totalBytesExpectedToReceive;
    NSLog(@"下载进度: %.2f%%", progress * 100);
}

// 任务完成时调用
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session task:(NSURLSessionTask *)task didCompleteWithError:(NSError *)error {
    if (error) {
        NSLog(@"下载出错: %@", error);
    } else {
        NSLog(@"下载完成");
    }
}

@end

在 URLSession:dataTask:didReceiveResponse: 方法中，获取到服务器响应的文件总大小，并通过 completionHandler 告诉系统可以继续接收数据。

URLSession:dataTask:didReceiveData: 方法每次接收到数据时，更新已下载的长度，并计算下载进度。

URLSession:task:didCompleteWithError: 方法在任务完成时调用，如果有错误则打印错误信息，否则表示下载完成。

（三）恢复下载

当应用程序再次启动，需要恢复下载时，可以从保存的 resumeData 中恢复任务。

- (void)resumeDownload {
    NSUserDefaults *defaults = [NSUserDefaults standardUserDefaults];
    NSData *resumeData = [defaults objectForKey:@"resumeData"];
    if (resumeData) {
        NSURLSessionConfiguration *defaultConfigObject = [NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration];
        NSURLSession *defaultSession = [NSURLSession sessionWithConfiguration:defaultConfigObject delegate:self delegateQueue:[NSOperationQueue mainQueue]];
        
        self.dataTask = [defaultSession dataTaskWithResumeData:resumeData];
        [self.dataTask resume];
    }
}

在 resumeDownload 方法中，首先从 NSUserDefaults 中获取保存的 resumeData。如果存在 resumeData，则创建一个 NSURLSession，并通过 dataTaskWithResumeData: 方法创建一个可以从断点处继续下载的 NSURLSessionDataTask，最后启动任务。

五、实际应用中的注意事项

（一）错误处理

在实际应用中，断点续传过程可能会遇到各种错误，如网络连接中断、服务器不支持断点续传等。需要在 URLSession:task:didCompleteWithError: 方法中对不同的错误进行处理。例如，如果服务器返回 416 Requested Range Not Satisfiable 错误，表示服务器不支持断点续传，此时可以考虑重新从文件开头开始下载。

（二）数据持久化

保存 resumeData 时，NSUserDefaults 并不是最佳选择，因为 NSUserDefaults 主要用于保存一些简单的配置信息，并且其容量有限。更好的做法是将 resumeData 保存到文件中，这样可以确保在应用程序关闭或设备重启后，仍然能够恢复下载任务。

（三）并发下载

如果应用程序需要同时进行多个文件的断点续传下载，需要注意管理多个 NSURLSessionDataTask。可以使用一个 NSMutableArray 来存储所有的下载任务，并对每个任务进行独立的进度跟踪和控制。同时，要注意网络资源的合理分配，避免过多的并发下载导致网络拥塞。

（四）服务器兼容性

不同的服务器对断点续传的支持程度可能不同。有些服务器可能需要特殊的配置才能正确处理带有 Range 字段的请求。在开发应用程序时，需要与服务器端开发人员进行充分沟通，确保服务器能够正确支持断点续传功能。

六、优化断点续传性能

（一）分段下载

可以将文件分成多个片段进行下载，每个片段使用一个独立的 NSURLSessionDataTask。这样可以充分利用网络带宽，提高下载速度。例如，可以将一个大文件分成 10 个片段，每个片段从不同的位置开始下载，最后将这些片段合并成完整的文件。

（二）优化网络请求

  1. 使用合适的网络协议：对于大文件下载，HTTP/2 协议相比 HTTP/1.1 有更好的性能表现，它支持多路复用、头部压缩等特性，可以提高数据传输效率。
  2. 设置合理的超时时间：根据网络环境和文件大小，设置合理的网络请求超时时间。如果超时时间过短，可能会导致下载任务频繁中断；如果超时时间过长，会占用过多的系统资源。

（三）缓存管理

在下载过程中，可以使用 NSURLCache 来缓存已经下载的数据。如果再次请求相同的部分数据，先从缓存中获取，这样可以减少网络请求次数，提高下载效率。不过，对于大文件下载，需要注意缓存的容量管理，避免占用过多的系统内存。

（四）多线程处理

在处理下载数据和更新 UI 时，可以使用多线程技术。例如，将数据下载任务放在后台线程中执行，而将 UI 更新操作放在主线程中执行，这样可以避免 UI 卡顿，提高用户体验。同时，要注意线程同步问题，避免多个线程同时访问和修改共享数据导致的数据不一致问题。

七、总结与展望

通过上述步骤，我们在 Objective-C 中实现了网络编程中的断点续传功能。断点续传功能在实际应用中对于提高用户体验、节省网络流量和时间具有重要意义。在实际开发中，需要充分考虑各种情况，如错误处理、数据持久化、服务器兼容性等，以确保断点续传功能的稳定性和可靠性。

随着网络技术的不断发展，未来的网络编程可能会面临更多的挑战和机遇。例如，5G 网络的普及将带来更高的网络速度和更低的延迟，这为优化断点续传性能提供了更好的条件。同时，新的网络协议和技术也可能不断涌现，我们需要持续关注和学习，以不断提升网络编程的能力和水平，为用户提供更优质的应用程序。

在实际项目中，可以根据具体需求对上述代码进行进一步的封装和扩展，使其更符合项目的架构和业务逻辑。例如，可以将下载任务管理类进一步抽象，支持更多的下载配置和控制功能，如暂停所有下载任务、取消指定下载任务等。同时，结合数据库技术，对下载任务的信息进行更完善的管理和持久化，以提供更稳定和可靠的断点续传服务。