MQTT 自动重连最佳实践

理解和应用 MQTT 协议是物联网领域中的一项重要技能。为了确保设备和服务器之间的稳定连接，我们需要深入了解并有效应用 MQTT 客户端的自动重连特性。下面，让我们像在探索一个神秘的冒险岛一样，深入探索 MQTT 协议和重连机制。

MQTT 是一种基于 TCP 协议的发布/订阅模型协议。它像一艘经过风雨洗礼的海船，在物联网、传感器%ignore_a_1%和其他低带宽、不稳定网络环境中航行。但是，就像海上的风浪，网络环境中也充满了各种挑战：网络故障、信号弱化、数据丢包等等，这些都可能使得 MQTT 客户端与服务器之间的连接中断。在物联网的大海中，常见的触发断线重连的风浪包括网络环境恶劣或断网、服务器升级、设备或客户端重启、以及其他网络因素等。

在这种情况下，我们如何确保我们的 “船”（MQTT 客户端）始终能与 “港口”（服务器）保持稳定的连接呢？答案就是我们需要给我们的 “船” 装备一套自动导航系统——MQTT 客户端的自动重连逻辑。

设计一个优秀的 MQTT 客户端重连逻辑，就像建造一艘坚固的海船。如果设计得不合理，那么我们的 “船” 可能会失去导航，静默不再接收来自 “港口” 的消息，甚至可能会因为频繁地尝试重连而无意识地攻击我们的 “港口”，这就如同在海上无头乱窜，不仅消耗了自身的能量，也给 “港口” 带来了不必要的压力。然而，如果我们的重连逻辑设计得合理，那么无论何时失去连接，我们的 “船” 都能稳定地自动导航，重新找到 “港口”，并保持与其的连接。

设计 MQTT 客户端重连逻辑时，我们需要考虑几个关键因素：

航行保活时间：在 MQTT 中，我们称其为 Keep Alive。这是一个定时器，它会定期检查我们的 “船” 是否与 “港口” 保持连接。我们需要根据实际的网络环境和应用需求，来设置一个合适的 Keep Alive。
重连策略和退避：当我们的 “船” 失去了与 “港口” 的连接，我们不应立刻尝试重新连接，而应该设置一个合理的等待时间，以免过度消耗资源。这就像是当我们的船在海上迷路时，我们需要暂时停下，观察风向、测量海流，然后再制定新的航行路线。我们可以使用指数退避算法或者阶梯式的延时策略来实现这个功能。
连接状态管理：我们的 “船” 需要一个航海日志，来记录与 “港口” 的连接状态、连接断开的原因、已经订阅的信息等重要信息。在连接断开时，我们的 “船” 应该查阅航海日志，分析连接断开的原因，然后尝试重新连接 “港口”。
异常处理：在航行过程中，我们的 “船” 可能会遇到各种各样的问题，例如 “港口” 不可用、认证失败、网络异常等。我们的 “船” 需要有一个应急计划，来应对这些问题。例如，当 “港口” 不可用时，我们的 “船” 可能需要寻找其他的 “港口”；当认证失败时，我们的 “船” 可能需要检查自身的认证信息是否正确；当网络异常时，我们的 “船” 可能需要暂停航行，等待网络恢复正常。
最大尝试次数限制：对于一些低功耗设备，我们可能需要考虑限制尝试重连的次数，以避免过度消耗设备的电力。就像在海上迷航的 “船”，当它已经尝试了很多次都无法找到 “港口” 时，可能就需要暂时停下，等待更好的航行条件。

在设计了这个自动导航系统（MQTT 客户端的自动重连逻辑）之后，我们的 “船” 就能更好地在物联网的海洋中航行，无论面临何种挑战，都能始终保持与 “港口” 的稳定连接，从而确保我们的应用能够顺利进行。

来看一个实际的案例。我们以 Paho MQTT C 库为例，它为我们提供了一套丰富的航海工具——回调函数，让我们可以根据实际情况设定自动导航系统的工作方式。Paho 提供了全局回调、API 回调和异步方法回调，让我们可以在各种情况下都能保持与 “港口” 的连接。

这就是我们如何在物联网的海洋中航行的故事。希望通过这个故事，能够帮助你更好地理解 MQTT 协议和重连机制，也希望你的 “船” 能在物联网的海洋中顺利航行。

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "MQTTAsync.h"

#if !defined(_WIN32)
#include <unistd.h>
#else
#include <windows.h>
#endif

#if defined(_WRS_KERNEL)
#include <OsWrapper.h>
#endif

// 定义需要使用的MQTT连接参数，如broker地址和客户端ID等
#define ADDRESS     "tcp://broker.emqx.io:1883"
#define CLIENTID    "PahoClientSub"
#define TOPIC       "nanomq/test"
#define PAYLOAD     "Hello World!"
#define QOS         1
#define TIMEOUT     10000L

// 定义在主线程中的逻辑Flag
int disc_finished = 0;
int subscribed = 0;
int finished = 0;

//首先声明 API 回调函数
void onConnect(void* context, MQTTAsync_successData* response);
void onConnectFailure(void* context, MQTTAsync_failureData* response);
void onSubscribe(void* context, MQTTAsync_successData* response);
void onSubscribeFailure(void* context, MQTTAsync_failureData* response);

// 下面2个是 Async 使用的回调函数
// 异步连接成功的回调函数，在连接成功的时候进行Subscribe操作。
void conn_established(void *context, char *cause)
{
	printf("客户端已重新连接!\n");
	MQTTAsync client = (MQTTAsync)context;
	MQTTAsync_responseOptions opts = MQTTAsync_responseOptions_initializer;
	int rc;

	printf("连接成功\n");

	printf("订阅主题 %s\n使用客户端 %s 并用QoS%d\n\n"
           "按Q<Enter>退出\n\n", TOPIC, CLIENTID, QOS);
	opts.onSuccess = onSubscribe;
	opts.onFailure = onSubscribeFailure;
	opts.context = client;
	if ((rc = MQTTAsync_subscribe(client, TOPIC, QOS, &opts)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
	{
		printf("开始订阅失败，返回码 %d\n", rc);
		finished = 1;
	}
}

// 异步连接收到 Disconnect消息时的回调，由于大部分断开的情况下不会收到 Disconnect消息，所以此方法很少被触发
void disconnect_lost(void* context, MQTTProperties* properties,
		enum MQTTReasonCodes reasonCode)
{
	printf("客户端已断开连接!\n");
}

// 下面是客户端全局回调函数，分别是连接断开和消息到达
void conn_lost(void *context, char *cause)
{
	MQTTAsync client = (MQTTAsync)context;
	MQTTAsync_connectOptions conn_opts = MQTTAsync_connectOptions_initializer;
	int rc;

	printf("\n连接已断开\n");
	if (cause)
		printf("     原因: %s\n", cause);

	printf("正在重连\n");
	conn_opts.keepAliveInterval = 20;
	conn_opts.cleansession = 1;
	conn_opts.maxRetryInterval = 16;
	conn_opts.minRetryInterval = 2;
	conn_opts.automaticReconnect = 1;
	
	//conn_opts.onSuccess = onConnect;
	conn_opts.onFailure = onConnectFailure;
	MQTTAsync_setConnected(client, client, conn_established);
	if ((rc = MQTTAsync_connect(client, &conn_opts)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
	{
		printf("开始连接失败，返回码 %d\n", rc);
		finished = 1;
	}
}

// 收到消息时的全局回调函数，此处简单的打印消息
int msgarrvd(void *context, char *topicName, int topicLen, MQTTAsync_message *message)
{
    printf("消息已到达\n");
    printf("     主题: %s\n", topicName);
    printf("   消```C
息: ");

    /* 打印消息内容 */
    char* payloadptr = message->payload;
    for(int i = 0; i < message->payloadlen; i++)
    {
        putchar(*payloadptr++);
    }
    putchar('\n');

    /* 释放消息内存 */
    MQTTAsync_freeMessage(&message);
    MQTTAsync_free(topicName);

    return 1;
}

/* 异步断开连接的回调函数 */
void onDisconnect(void* context, MQTTAsync_successData* response)
{
    printf("成功断开连接\n");
    disc_finished = 1;
}

/* 异步连接成功的回调函数，在连接成功的时候进行订阅操作。 */
void onConnect(void* context, MQTTAsync_successData* response)
{
    MQTTAsync client = (MQTTAsync)context;
    MQTTAsync_responseOptions opts = MQTTAsync_responseOptions_initializer;
    int rc;

    printf("成功连接\n");

    printf("订阅主题 %s\n使用客户端 %s 并用QoS%d\n\n"
           "按Q<Enter>退出\n\n", TOPIC, CLIENTID, QOS);

    /* 开始订阅 */
    opts.onSuccess = onSubscribe;
    opts.onFailure = onSubscribeFailure;
    opts.context = client;
    if ((rc = MQTTAsync_subscribe(client, TOPIC, QOS, &opts)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
    {
        printf("开始订阅失败，返回码 %d\n", rc);
        finished = 1;
    }
}

/* 异步连接失败的回调函数 */
void onConnectFailure(void* context, MQTTAsync_failureData* response)
{
    printf("连接失败\n");
    if (response && response->message)
    {
        printf("失败信息: %s\n", response->message);
    }
    finished = 1;
}

/* 异步订阅成功的回调函数 */
void onSubscribe(void* context, MQTTAsync_successData* response)
{
    printf("成功订阅\n");
    subscribed = 1;
}

/* 异步订阅失败的回调函数 */
void onSubscribeFailure(void* context, MQTTAsync_failureData* response)
{
    printf("订阅失败\n");
    if (response && response->message)
    {
        printf("失败信息: %s\n", response->message);
    }
    finished = 1;
}

/* 异步取消订阅的回调函数 */
void onUnsubscribe(void* context, MQTTAsync_successData* response)
{
    printf("成功取消订阅\n");
    finished = 1;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    MQTTAsync client;
    MQTTAsync_connectOptions conn_opts = MQTTAsync_connectOptions_initializer;
    int rc;
    MQTTAsync_message pubmsg = MQTTAsync_message_initializer;
    MQTTAsync_token token;

    /* 创建MQTT客户端 */
    MQTTAsync_create(&client, ADDRESS, CLIENTID, MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);

    /* 设置全局回调函数 */
    MQTTAsync_setCallbacks(client, client, conn_lost, msgarrvd, NULL);

    /* 设置连接选项 */
    conn_opts.keepAliveInterval = 20;
    conn_opts.cleansession = 1;
    conn_opts.automaticReconnect = 1;
    //conn_opts.onSuccess = onConnect;
    conn_opts.onFailure = onConnectFailure;
    MQTTAsync_setConnected(client, client, conn_established);

    /* 开始连接 */
    if ((rc = MQTTAsync_connect(client, &conn_opts)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
    {
        printf("开始连接失败，返回码 %d\n", rc);
        return EXIT_FAILURE;
    }

    while (!finished)
    {
        #if defined(_WIN32)
            Sleep(1000);
        #else
            sleep(1);
        #endif
    }

    if (subscribed)
    {
        if ((rc = MQTTAsync_unsubscribe(client, TOPIC, NULL)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
        {
            printf("取消订阅失败，返回码 %d\n", rc);
            return EXIT_FAILURE;
        }
    }
    
    /* 断开连接 */
    MQTTAsync_disconnectOptions disc_opts = MQTTAsync_disconnectOptions_initializer;
    disc_opts.onSuccess = onDisconnect;
    if ((rc = MQTTAsync_disconnect(client, &disc_opts)) != MQTTASYNC_SUCCESS)
    {
        printf("开始断开连接失败，返回码 %d\n", rc);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    while (!disc_finished)
    {
        #if defined(_WIN32)
            Sleep(1000);
        #else
            sleep(1);
        #endif
    }

    /* 销毁客户端 */
    MQTTAsync_destroy(&client);

    return EXIT_SUCCESS;
}

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