感謝看客老爺點進來了，周末閒來無事，想起同事強哥的那句話：「你有沒有玩過斷點續傳？」 當時轉念一想，斷點續傳下載用的確實不少，具體細節嘛，真的沒有去思考過啊。這不，思考過後有了這篇文章。感謝強哥，讓我有了一篇可以水的文章，下面會用純 Java 無依賴實現一個簡單的多線程斷點續傳下載器。
這篇文章到底有什麼內容呢？先簡單列舉一下，順便思考幾個問題。
多線程斷點續傳會用到哪些知識呢？上面已經拋出了幾個問題，不妨思考一下。下面會針對上面的四個問題一一進行解釋，現在大多數的服務都可以在線提供，下載使用的場景越來越少，不過這不妨礙我們對原理的探求。
斷點續傳的原理想要了解斷點續傳是如何實現的，那麼肯定是要了解一下 HTTP 協議了。HTTP 協議是網際網路上應用最廣泛網絡傳輸協議之一，它基於 TCP/IP 通信協議來傳遞數據。所以斷點續傳的奧秘也就隱藏在這 HTTP 協議中了。
我們都知道 HTTP 請求會有一個 Request header 和 Response header ，就在這請求頭和響應頭裡，有一個和 Range 相關的參數。下面通過百度網盤的 pc 客戶端下載連結進行測試。
$ curl -I http://wppkg.baidupcs.com/issue/netdisk/yunguanjia/BaiduYunGuanjia_7.0.1.1.exe
HTTP/1.1 200 OK
Server: JSP3/2.0.14
Date: Sat, 25 Jul 2020 13:41:55 GMT
Content-Type: application/x-msdownload
Content-Length: 65804256
Connection: keep-alive
ETag: dcd0bfef7d90dbb3de50a26b875143fc
Last-Modified: Tue, 07 Jul 2020 13:19:46 GMT
Expires: Sat, 25 Jul 2020 14:05:19 GMT
Age: 257796
Accept-Ranges: bytes
Cache-Control: max-age=259200
Content-Disposition: attachment;filename="BaiduYunGuanjia_7.0.1.1.exe"
x-bs-client-ip: MTgwLjc2LjIyLjU0
x-bs-file-size: 65804256
x-bs-request-id: MTAuMTM0LjM0LjU2Ojg2NDM6NDM4MTUzMTE4NTU3ODc5MTIxNzoyMDIwLTA3LTA3IDIyOjAxOjE1
x-bs-meta-crc32: 3545941535
Content-MD5: dcd0bfef7d90dbb3de50a26b875143fc
superfile: 2
Ohc-Response-Time: 1 0 0 0 0 0
Access-Control-Allow-Origin: *
Access-Control-Allow-Methods: GET, PUT, POST, DELETE, OPTIONS, HEAD
Ohc-Cache-HIT: bj2pbs54 [2], bjbgpcache54 [4]可以看到百度 pc 客戶端的 response header 信息有很多，我們只需要重點關注幾個。
Content-Length: 65804256 // 請求的文件的大小，單位 byte
Accept-Ranges: bytes // 是否允許指定傳輸範圍，bytes：範圍請求的單位是 bytes （字節），none：不支持任何範圍請求單位，
Last-Modified: Tue, 07 Jul 2020 13:19:46 GMT // 服務端文件最後修改時間，可以用於校驗文件是否更改過
x-bs-meta-crc32: 3545941535 // crc32，可以用於校驗文件是否更改過
ETag: dcd0bfef7d90dbb3de50a26b875143fc //Etag 標籤，可以用於校驗文件是否更改過可見並不見得所有下載都支持斷點續傳，只有在 response header 中有 Accept-Ranges: bytes 欄位時才可以斷點續傳。如果有這個信息，該怎麼斷點續傳呢？其實只需要在 response header 中指定 Content-Range 值就可以了。
Content-Range 使用格式有下面幾種。
Content-Range: <unit>=<range-start>-<range-end>/<size> // size 為文件總大小,如果不知道可以用 *
Content-Range: <unit>=<range-start>-<range-end>/*
Content-Range: <unit>=<range-start>-
Content-Range: <unit>=*/<size>舉例：
單位 bytes，從第 10 個 bytes 開始下載：Content-Range: bytes=10-.
單位 bytes，從第 10 個 bytes 開始下載，下載到第100個 bytes：Content-Range: bytes=10-100.
這就是斷點續傳實現的原理了，你可以能已經發現了，Content-Range 的 start 和 end 已經讓分段下載有了可能。
怎麼保證文件的一致性？這裡要說的文件完整性有兩個方面，一個是下載階段的，一個是寫入階段的。
因為我們要寫的下載器是支持斷點續傳的，那麼在進行續傳時，怎麼確定文件自從我們上次下載時沒有進行過更新呢？其實可以通過 response header 中的幾個屬性值進行判斷。
Last-Modified: Tue, 07 Jul 2020 13:19:46 GMT // 服務端文件最後修改時間，可以用於校驗文件是否更改過
ETag: dcd0bfef7d90dbb3de50a26b875143fc //Etag 標籤，可以用於校驗文件是否更改過
x-bs-meta-crc32: 3545941535 // crc32，可以用於校驗文件是否更改過Last-Modified 和 ETag 都可以用來檢驗文件是否更新過，根據 HTTP 協議的規定，當文件更新時，是會生成新的 ETag 值的，它類似於文件的指紋信息，而 Last-Modified 只是上次修改時間，有時可能並不能夠證明文件內容被修改過。
上面是下載階段的文件一致性校驗，那麼在寫入階段呢？不管單線程還是多線程，由於要斷點續傳，在寫入時都要在指定位置進行字符追加。在 Java 中有沒有好的實現方式？
答案是一定的，使用 RandomAccessFile 類即可，RandomAccessFile 不同於其他的流操作。它可以在使用時指定讀寫模式，使用 seek 方法隨意的移動要操作的文件指針位置。很適合斷點續傳的寫入場景。
比如在 test.txt 的位置 0 開始寫入字符 abc，在位置 100 開始寫入字符 ddd.
try (RandomAccessFile rw = new RandomAccessFile("test.txt", "rw")){ // rw 為讀寫模式
rw.seek(0); // 移動文件內容指針位置
rw.writeChars("abc");
rw.seek(100);
rw.writeChars("ddd");
}斷點續傳的寫入就靠它了，在續傳時只需要移動文件內容指針到要續傳的位置即可。
seek 方法還有很多妙用，比如使用它你可以快速定位到已知的位置，進行快速檢索；也可以在同一個文件的不同位置進行並發讀寫。
多線程下載如何實現？多線程下載必然要每個線程下載文件中的一部分，然後把每個線程下載到的文件內容組裝成一個完整的文件，在這個過程中肯定是一個 byte 都不能出錯的，不然你組裝起來的文件是肯定運行不起來的。那麼怎麼實現下載文件的一部分呢？其實在斷點續傳的部分已經介紹過了，還是 Content-Range 參數，只要計算好每個部分要下載的 bytes 範圍就可以了。
比如：單位 bytes，第二部分從第 10 個 bytes 開始下載，下載到第100個 bytes：Content-Range: bytes=10-100.
網速帶寬固定，為什麼多線程下載可以提速？這是一個比較有意思的問題了，最大網速是固定的，運營商給你 100Mbs 的網速，不管你怎麼使用，速度最大也就是 100/8=12.5MB/S. 既然瓶頸在這裡，為什麼多線程下載可以提速呢？其實理論上來說，單線程下載就可以達到最大網速。但是往往事實是網絡不是那麼通暢，十分擁堵，很難達到理想的最大速度。也就是說只有在網絡不那麼通暢的時候，多線程下載才能提速。否則，單線程即可。不過最大速度永遠都是網絡帶寬。
那為什麼多線程下載可以提速呢？HTTP 協議在傳輸時候是基於 TCP 協議傳輸數據的，為了弄明白這個問題需要了解一下 TCP 協議的擁塞控制機制。擁塞控制 是TCP 的一個避免網絡擁塞的算法，它是基於和性增長/乘性降低這樣的控制方法來控制擁塞的。
TCP 擁塞控制簡單來說就是在 TCP 開始傳輸數據時，服務端會不斷的探測可用帶寬。在一個傳輸內容段被成功接收後，會加倍傳輸兩倍段內容，如果再次被成功接收，就繼續加倍，直到發生了丟包，這是這也被叫做慢啟動。當達到**慢啟動閥值（ssthresh）**時，慢啟動算法就會轉換為線性增長的階段，每次只增加一個分段，放緩增加速度。我覺得其實慢啟動的加倍增速過程並不慢，只是一種叫法。
但是當發生了丟包，也就是檢測到擁塞時，發送方就會將發送段大小降低一個乘數，比如二分之一，慢啟動閾值降為超時前擁塞窗口的一半大小、擁塞窗口會降為1個MSS，並且重新回到慢啟動階段。這時多線程的優勢就體現出來了，因為你的多線程會讓這個速度減速沒有那麼猛烈，畢竟這時可能有另一個線程正處在慢啟動的在最終加速階段，這樣總體的下載速度就優於單線程了。
多線程斷點續傳代碼實現基於上面的原理介紹，心裡應該有了具體的實現思路了。我們只需要使用多線程，結合 Content-Range 參數分段請求文件內容保存到臨時文件，下載完畢後使用 RandomAccessFile 把下載的文件合併成一個文件即可。而在需要斷點續傳時，只需要讀取一下當前臨時文件大小，然後調整 Content-Range ，就可以進行續傳下載。
代碼不多，下面是部分核心代碼，完整代碼可以直接點開文章最後的 Github 倉庫。
1.Content-Range 請求指定文件的區間內容。
URL httpUrl = new URL(url);
HttpURLConnection httpConnection = (HttpURLConnection)httpUrl.openConnection();
httpConnection.setRequestProperty("User-Agent", "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/83.0.4103.116 Safari/537.36");
httpConnection.setRequestProperty("RANGE", "bytes=" + start + "-" + end + "/*");
InputStream inputStream = httpConnection.getInputStream();Map<String, List<String>> headerFields = httpConnection.getHeaderFields();
List<String> eTagList = headerFields.get("ETag");
System.out.println(eTagList.get(0));
3.使用 RandomAccessFile 續傳寫入文件。RandomAccessFile oSavedFile = new RandomAccessFile(httpFileName, "rw");
oSavedFile.seek(localFileContentLength); // 文件寫入開始位置指針移動到已經下載位置
byte[] buffer = new byte[1024 * 10];
int len = -1;
while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) {
oSavedFile.write(buffer, 0, len);
}斷點續傳測試，下載一部分之後關閉程序再次啟動。
多線程下載測試完整代碼已經上傳到 github.com/niumoo/down-bit.
參考：
[1] HTTP headers
[2] Class RandomAccessFile
[3] RandomAccessFile簡介與使用
[4] 維基百科 - TCP擁塞控制
[5] 維基百科 - 和性增長/乘性降低