NSURLSession

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基本上所有的应用都需要用到网络，Apple 给我们提供的网络交互框架主要是基于 URLSession 的 URL 加载系统。

URLSession介绍

URLSession 实际指代 Foundation 框架的 URL 加载系统中的一些类和协议。主要由以下几个类组成：
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  • URLSession
    • 负责请求/响应的关键对象，可以理解成和服务端的一个会话，必须创建会话，在会话的基础上进行网络数据的上传和获取，使用 URLSessionConfiguration 配置对象进行创建。
    • 在请求/响应的执行过程中调用 URLSessionTaskDelegate 定义的各种代理方法。
  • URLSessionConfiguration
    • 用于对 URLSession 对象进行初始化，可以配置 可用网络、Cookie、安全性、缓存策略、自定义协议、启动事件 等选项，以及用于移动设备优化的相关选项。
    • 几乎可以配置任何网络相关选项。
  • URLSessionTask
    • 一个抽象类，其子类可以创建不同类型的任务（Task），如：下载、上传、获取数据（如：JSON 或 XML）。
    • 在特定 Session 中执行。
  • URLRequest
    • 将 URL 和请求协议相关的属性封装起来，传递给 URLSession 用于创建URLSessionTask。
  • URLResponse
    • 将返回的元数据和内容数据本身封装起来。
在 apple 官方文档中，将网络模块分为了以下几种类：
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在一个请求被发送到服务器之前，系统会先查询共享的缓存信息，然后根据 缓存策略（Cache Policy） 以及 可用性（availability） 的不同，一个已经被缓存的响应可能会被立即返回。如果没有缓存的响应可用，则这个请求将根据我们指定的策略来缓存它的响应，以便将来的请求可以使用。
在一个请求被发送到服务器过程中，服务器可能会发出 鉴权查询（Authorization Challenge），这可以由共享的 Cookie 或 证书存储（Credential Storage） 来自动响应，或者由被委托对象来响应。此外，发送中的请求也可以被注册的 URLProtocol 对象所拦截，以便在必要时改变其加载行为。
URLSession 是负责请求/响应的关键对象，URLSession 本身并不会进行请求，而是通过创建 Task 的形式来进行网络请求。同一个 URLSession 可以创建多个 Task，并且这些 Task 之间的 Cache 和 Cookie 是共享的。
URLSession 在管理请求/响应的过程中会调用相关的代理方法。这些代理方法主要分两类：
  • Session 的委托对象实现的代理方法（URLSessionDelegate 定义的方法）
    • 主要用于处理连接层问题，如：服务器信任、客户端证书认证、NTLM 和 Kerberos 协议等问题
  • Task 的委托对象实现的代理方法（URLSessionTaskDelegate 及其子协议定义的方法）
    • 主要用于处理以网络请求为基础的问题，如：Basic，Digest，代理身份验证（Proxy Authentication） 等。

URLSessionTask

URLSessionTask 是一个抽象类，其包含如下 5 个实体子类。这 5 个子类封装了 5 个最基本的网络任务：获取数据（如：JSON 或 XML）、上传文件、下载文件、TCP/IP连接（iOS9），以及 websocket 长连接（iOS13）。
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上图所示为这些类之间的继承关系。对于 URLSessionDataTask，服务器会有响应数据；而对于上传请求，服务器也会有响应数据，所以 URLSessionUploadTask 继承自 URLSessionDataTask。URLSessionDownloadTask 完成时，会带回已下载文件的一个临时的文件路径，URLSessionStreamTask是 iOS9新加入的类，通过这个类可以直接使用socket链接，读取输入流和写入输出流等。URLSessionWebSocketTask是 iOS13新加入的类，通过类名很容易联想到是用于 websocket 连接的类，使用的时候需要使用 webSocket 的链接（ws/wss）。
task共有的控制方法：
task 本身是有状态的，枚举 NSURLSessionTaskState 列出了这些状态：
这些很好理解，任务有运行状态，暂停状态，正在取消状态，完成状态。事实上，task 被创建后，就会处于Suspended暂停状态，所以当设置好 task 后，需要调用 resume() 来启动这个task。调用suspend()和cancel()则分别暂停和取消 task。
关于 URLSessionTask 的数据返回方式，主要有两种方式：
  • completionHandler 回调
  • URLSessionDelegate 代理
值得注意的是，URLSessionTask 及其子类都有着各自的代理协议，它们之间也存在着继承关系，具体的方法可以查阅官方文档。
  • URLSessionDelegate：定义了网络请求最基础的代理方法。作为所有代理的基类。
  • URLSessionTaskDelegate：定义了网络请求任务相关的代理方法。
  • URLSessionDownloadDelegate：定义了下载任务相关的代理方法，如：下载进度等。
  • URLSessionDataDelegate：定义了普通数据任务和上传任务相关的代理方法。
  • URLSessionStreamDelegate: 定义了写入和读取流数据等代理方法。
  • URLSessionWebSocketDelegate: 定义了 WebSocket 建立连接和失去连接的代理。

URLSessionConfiguration

URLSessionConfiguration 对象用于对 URLSession 进行初始化。
URLSessionConfiguration提供给开发者相当大的灵活性和控制权。从指定可用网络，到 cookie，安全性，缓存策略，再到使用自定义协议，启动事件的设置，以及用于移动设备优化的几个新属性，使用 URLSessionConfiguration 可以找到几乎任何想要进行配置的选项。
URLSession 在初始化时会把配置它的 URLSessionConfiguration 对象进行一次深拷贝，并保存到自己的 configuration 属性中，这个属性是只读的。也就是说，configuration 只在初始化时被读取一次，之后都是不会变化的。
URLSessionConfiguration 有三个类初始化方法：
  • + defaultSessionConfiguration
    • 返回一个标准的配置，具有共享 HTTPCookieStorage、共享 URLCache、共享 URLCredentialStorage。
  • + ephemeralSessionConfiguration
    • 返回一个预设的配置，该配置中不会对缓存、Cookie和证书进行持久性存储。这对于实现类似无痕浏览这种功能来说是很理想的。
  • + backgroundSessionConfiguration:(NSString *)identifier
    • 创建一个后台 Session。后台 Session 不同于普通 Session，后台 Session 可以在应用程序挂起、退出或崩溃的情况下进行上传/下载任务。初始化时指定的标识符，可用于向任何可能在进程外恢复后台传输的 守护进程（daemon） 提供上下文。

常用配置

HTTPAdditionalHeaders 为基于 configuration 的 Session 生成的所有 Task 中的 NSRULRequest 对象添加额外的请求头部字段。默认为空。
URLSession 默认为 URLRequest 对象添加了如下请求头部字段：
  • Authorization
  • Connection
  • Host
  • Proxy-Authenticate
  • Proxy-Authorization
  • WWW-Authenticate
如果在 HTTPAdditionalHeaders 自定义的头部字段与 URLRequest 对象重复了，则优先使用 URLRequest 对象中的请求头部字段。
利用 HTTPAddtionalHeaders 可以添加如下这些请求头部字段：
  • Accept
  • Accept-Language
  • User-Agent
  • …

cookie 存储

URL Loading System 提供了 app 级别的 cookie 存储机制。URL Loading System 中涉及到 cookie 操作的两个类分别是：
  • HTTPCookieStorage：这个类提供了管理 cookie 存储的功能。默认情况下会使用 HTTPCookieStorage 的 + sharedHTTPCookieStorage 单例。
  • HTTPCookie：用来封装 cookie 数据和属性的类。
URLRequest 提供了 HTTPShouldHandleCookies 属性来设置请求发起时，是否需要 cookie manager 自动处理 cookie。

安全策略

有些服务器会对某些特定的内容限制访问权限，只对提供了信任证书通过认证的用户提供访问资格。对于 web 服务器来说，受保护的内容被聚集到一个需要凭证才能访问的区域。在客户端上，有时也需要根据凭证来确定是否信任要访问的服务器。
URL Loading System 提供了封装凭证（credentials）、封装保护区域（protected areas）和保存安全凭证（secure credential）的类：
  • URLCredential：封装一个含有认证信息（比如用户名和密码等）和持久化存储行为的凭证（credential）。
  • URLProtectionSpace：服务器上某个需要凭证才能访问的区域。
  • URLCredentialStorage：管理凭证的存储以及 URLCredential 和相应的 URLProtectionSpace 之间的映射关系。
  • URLAuthenticationChallenge：在客户端向有限制访问权限的服务器发起请求时，服务器会询问凭证信息，包括凭证、保护空间、认证错误信息、认证响应等。这个类会将这些信息封装起来。URLAuthenticationChallenge 实例通常被 URLProtocol 子类用来通知 URL Loading System 需要认证，以及在 URLSession 的代理方法中用来处理认证。

Cache 管理

URL Loading System 提供了 app 级别的 HTTP 响应缓存，在使用 NSURLSession 发起请求时，我们可以通过设置 URLRequest 和 URLSessionConfiguration 的缓存策略（cache policy）来决定是否缓存以及如何处理缓存。同时，我们还可以通过实现 URLSession:dataTask:willCacheResponse:completionHandler: 方法来针对特定的 URL 设置缓存策略。
实际上，不是所有请求的响应都能被缓存起来，URL Loading System 目前只支持对 http 和 https 请求的响应进行缓存。
URL Loading System 中提供的管理缓存的类有以下两个：
  • NSURLCache：通过这个类可以设置缓存大小和位置，以及读取和存储各个请求的 NSCachedURLResponse。
  • NSCachedURLResponse：封装了请求元数据（一个 NSURLResponse 对象）和实际响应内容（一个 NSData 对象）。

采集数据

收集完毕 task 的指标（metrics）会调用urlSession(_:task:didFinishCollecting:)方法。该方法的 metrics 参数封装了 session task 的指标。
每个URLSessionTaskMetrics对象都包含taskInterval和redirectCount，以及任务执行过程中进行的每个 request、response 交互。
URLSessionTaskMetrics类包含以下三个属性：
  • taskInterval：任务发起至任务完成的时间。
  • redirectCount：任务执行过程中重定向次数。
  • transactionMetrics：数组内元素为任务执行期间每个 request-response 事务度量标准。元素类型为URLSessionTaskTransactionMetrics。
URLSessionTaskTransactionMetrics对象封装执行会话任务期间收集的性能指标。每个URLSessionTaskTransactionMetrics对象包含了一个 request 和 response 属性，对应于 task 的 request 和 response。其也包含时间指标（temporal metrics），以fetchStartDate开始，以responseEndDate结束，以及其他特性，例如：networkProtocolName和resourceFetchType。
下图显示了URL会话任务的事件序列，这些事件对应于URLSessionTaskTransactionMetrics捕获的时间指标。
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对于具有开始日期和结束日期的所有指标，如果任务的某个方面未完成，则相应指标结束日期为 nil。在解析域名时，操作超时、失败，或客户端在解析成功前取消了任务，则可能发生这种情况。在此情况下，domainLookupEndDate属性为 nil，其后所有指标均为 nil。

协议支持

URL Loading System 本身只支持 http、https、file、ftp 和 data 协议。URLProtocol 是一个抽象类，提供了处理 URL 加载的基础设施。通过实现自定义的 URLProtocol 子类，可以让我们的 app 支持自定义的数据传输协议。
借助URLProtocol，我们不必改动应用在网络调用上的其他部分，就可以改变 URL 加载行为的全部细节。运用这一点，我们可以自由发挥，做很多想做的事情，比如：

总结

作为 iOS 原生的网络框架，我们的应用中的所有网络交互几乎都基于 URLSession ，所以理解并熟练掌握 URLSession 的使用非常有必要，既可以学习到苹果对于网络的一些设计，也能对我们学习一些三方库的原理有很大帮助。
 
相关文档：
NSURLSession | Apple Developer Documentation
iOS中的网络调试 (qq.com)
notion image
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