假設有以下突發意外情況：
- 用戶進入信號不好的地方，手機沒有網絡信號了
- 上網的路由器突然掉線了
這個時候，比如微信發消息，消息就會轉圈圈，甚至變成紅色歎號……
上面情況都會導致“長連接”不可用。
我們知道，爲了讓消息能更加實時、可靠、快速地觸達到接收方，大部分 IM 系統會通過“長連接”的方式來建立收發雙方的通信通道，長連接一旦建立，就一直存在，除非網絡被中斷。
有了這基於 TCP 長連接的通信協議，在用戶上線連接時，可以在服務端維護好連接到服務器的用戶設備和具體 TCP 連接的映射關係，服務端也能通過這個映射關係隨時找到對應在線的用戶的客戶端。對於發送方來說，發送消息也能通過“長連接”通道把消息給到 IM 服務端。
一、什麼是心跳機制
但長連接並不是永久可用的，當長連接在中間鏈路出問題時，爲了不使用戶感知到，應快速通知連接的兩端，並重新建立新的可用連接，從而使長連接一直保持“高可用”狀態，這個能夠快速、不間斷識別連接可用性的機制，稱爲“心跳機制”。
“心跳機制”會持續地往連接發送“模擬數據”，一方面是爲了試探連接的可用性，另一方面也是爲了保證數據的持續流通，讓連接在沒有真正業務數據收發的情況下，不會被中間的網絡運營商以爲連接沒有被使用而切斷連接。
二、心跳機制的優點
1. 降低服務端開銷
消息之所以能夠實現“服務端推送”，是因爲針對每一臺上線的設備，都會在 IM 服務端維護相應的 用戶設備<->網絡連接 這樣的映射關係，除此之外，爲了節省網絡開銷，還會在服務端臨時緩存一些不用每次請求都攜帶的客戶端信息，如 app 版本號、操作系統、網絡狀態等，甚至還會在服務端維護一些“用戶在線狀態”和“所有在線設備”這些信息，便於業務使用，這樣客戶端一旦建好長連接，只需要首次攜帶這些信息，後續請求可以不用再攜帶，而是使用 IM 服務端緩存的這些信息。
若沒有心跳機制，當長連接異常而 IM 服務端無法感知到，會產生兩種不良後果：
- 無效的長連接一直在被維護，不管是連接句柄，還是緩存大量“映射關係”、“設備狀態”等信息，都會導致資源浪費；
- 向無效連接推送消息，以及後續的重試推送，都會降低服務的整體性能。
2. 支持客戶端斷線重連
當客戶端和 IM 服務端之間的網絡在中間某些環節斷開，或服務器負載過高，則會出現客戶端在一定的超時時間內，發出的心跳包得不到 IM 服務端響應的現象，這時客戶端就可以認爲和服務端的長連接不可用，自動斷線重連，保持長連接的可用性。
3. 連接保活
即使用戶網絡和中間路由網絡都正常，若一直沒有數據收發，運營商就會將這個長連接清除掉，來降低自身網關的壓力，這個清除動作不會被客戶端和 IM 服務端感知到，爲了避免被運營商幹掉，客戶端會在沒有消息收發的空閒時間給服務端發送心跳包，使長連接存活時間更長。
三、心跳檢測的方式
1. TCP Keepalive
Keepalive 並不是 TCP 協議的一部分，但大多數操作系統都實現了這個機制，操作系統默認是關閉這個特性的，需要由應用層來開啓。TCP 的 keepalive 會在連接空閒期按一定的頻次，自動發送不攜帶數據的探測報文，來探測對方是否存活。
Keepalive 默認是關閉的，開啓 Keepalive 需要在 TCP 的 socket 中單獨開啓，操作系統層面有三個參數影響到 Keepalive 的行爲：
tcp_keepalive_time 7200 // 心跳週期：距離上次傳送數據多少時間未收到新報文判斷爲開始檢測，單位秒，默認7200s
tcp_keepalive_intvl 75 // 超時時間：檢測開始每多少時間發送心跳包，單位秒，默認75s
tcp_keepalive_probes 9 // 失敗後重試次數：發送幾次心跳包對方未響應則close連接，默認9次優點：
- 易用性好：作爲系統層 TCP/IP 協議層的已有實現，不需要其他開發工作量，上層應用只需要處理探測後的連接異常情況即可。
- 網絡消耗小：心跳包不攜帶數據，帶寬資源浪費少。
缺點：
- 心跳間隔靈活性差：一臺服務器某一時間只能調整爲固定間隔的心跳。
- 結果反映差：可以探測網絡連接層的存活，但並不代表真正的應用層處於可用狀態，即網絡仍然是通的，但應用已不可用。
2. 應用層心跳
應用層心跳實際上是客戶端每隔一定時間間隔，向 IM 服務端發送一個業務層的數據包告知自身存活。如果 IM 服務端在一定時間內沒有收到心跳包，就認定客戶端由於某種原因連接不可達了，此時就會從 IM 服務端把這個連接斷開，同時清除相應分配的其他資源。
優點：
- 心跳間隔靈活性強：應用層心跳可以根據實際網絡的情況，來靈活設置心跳間隔，節省網絡流量。
- 結果反饋準：由於需要在應用層進行發送和接收的處理，不僅能代表網絡可用，更能反映應用的可用性。
缺點：
- 額外的數據傳輸開銷（非常小）。
- 實現邏輯根據心跳策略而定，有的實現起來略複雜。
3. 智能心跳
心跳間隔能夠根據網絡環境自動調整，逐步逼近 NAT 超時臨界點，在保證 NAT 不超時的情況下儘量節約設備資源，常見的有二分法。但需要權衡使用。
四、小結
- 能夠快速、不間斷識別連接可用性的機制，稱爲“心跳機制”。
- 心跳機制可以降低服務端連接維護無效連接的開銷，支持客戶端快速識別無效連接、自動斷線重連，連接保活，避免被運營商 NAT 超時斷開。
- 心跳可以使用 TCP Keepalive、應用層心跳等方式來檢測，前者可探測網絡連接可用性，後者可探測網絡和服務的可用性。