Netty入门实践：模拟IM聊天

我们使用的框架几乎都有网络通信的模块，比如常见的Dubbo、RocketMQ、ElasticSearch等。它们的网络通信模块使用Netty实现，之所以选择Netty，有两个主要原因：

  • Netty封装了复杂的JDK 的 NIO操作，还封装了各种复杂的异常场景，丰富的API使得在使用上也非常方便，几行代码就可以实现高性能的网络通信功能。
  • Netty已经经历各种大型中间件的生产环境的验证，高可用性和健壮性都得到了全方位验证，用起来更放心。

本文以入门实践为主，通过原理+代码的方式，实现一个简易IM聊天功能。分为两个部分：Netty的核心概念、IM聊天简易实现。

一、Netty核心概念

1、通信流程

既然是网络通信，那肯定有服务端和客户端。在客户端-A和客户端-B通信的过程中，实际上是利用服务端作为消息中转站，来实现A-B通信的。

不管是点-点通信，还是群通信，都可以认为是客户端-服务端之间的通信，有了这一点，许多设计方案都可以轻松理解。

2、服务端核心概念

(1) Boss线程：Boss线程负责监听端口，接受新的连接，监听连接的数据读写变化。

(2) Worker线程：Worker线程负责处理具体的业务逻辑，Boss线程接收到连接的读写变化后，然后交给Worker处理具体业务逻辑。

(3) 服务端的IO模型：Netty支持使用NIO和BIO进行通信，可以自行设置。一般使用NioServerSocketChannel来指定NIO模型。

(4) 服务端引导类：服务端通过引导类 ServerBootstrap来启动一系列的工作。

3、客户端核心概念

(1) Worker线程：客户端只有工作线程的概念，负责连接到服务端，监听数据读写变化。

(2) 客户端的IO模型：一般使用NioSocketChannel指定客户端的NIO模型

(3) 客户端引导类：客户端通过引导类Bootstrap来启动一些列工作。

4、通用核心概念

(1) Handler：负责处理接受到的消息，大部分的业务逻辑都是放在Handler里处理。自定义的Handler一般继承于SimpleChannelInboundHandler或者ChannelInboundHandlerAdapter。

(2) ByteBuf和编码、解码：数据的载体，Java对象编码成字节码，存放于ByteBuf，然后发送出去。服务端接收到消息后，从ByteBuf中取出数据，解码成Java对象。

(3) 通讯协议：许多框架都会自定义一套自己的协议，这样比较符合业务。比如dubbo协议、hessian协议。

一般的协议包括如下部分：魔数、版本号、序列化算法、指令、数据长度、数据内容，其余的都是为了适配自身业务而定的。

  • 魔数：一般是固定数字，用来快速判断是否符合本协议，如果不符合本协议，则快速失败。
  • 版本号：一般无需改动，如果早期设置的协议到了后续不适用了，在升级版本号。
  • 序列化算法：Java对象转序列化的方式，比如JSON。
  • 指令：操作大类。比如说登录指令、单点发送消息指令、建群指令等。这样服务端接收到对应指令就用对应的Handler去处理业务逻辑。指令占用的字节数可以根据自身业务适当调大。
  • 数据长度：用来记录本次数据的长度。
  • 数据内容：具体消息内容，比如聊天时的消息、登录时的用户名密码等。

(4) 粘包拆包

Netty属于上层应用，在发送消息时，还是通过底层操作系统将数据发送出去，操作系统在发送数据时，不会按照我们设想的消息长度去发送内容。这就需要我们在接收到内容时，自行做好内容的分割和等待。

比如有一条消息1024字节，如果接受的内容没这么长就需要继续等待，等这条消息的内容完整后，在处理。如果接受的内容包含了1条完整消息和1条不完整的消息，那么就需要拆分内容，将完整的消息先传递到后面处理，剩下不完整的消息则继续等待下一个内容。

Netty自带了几种拆包器：固定长度的拆包器 FixedLengthFrameDecoder、行拆包器 LineBasedFrameDecoder、分隔符拆包器 DelimiterBasedFrameDecoder、长度域拆包器LengthFieldBasedFrameDecoder。

一般在使用自定义协议时，会使用：长度域拆包器 LengthFieldBasedFrameDecoder。

(5) 空闲检测和定时心跳

在服务端和客户端的通信过程中，有时候会出现假死连接，或者长时间没有消息传递需要释放连接。对于这些连接，我们需要及时释放，毕竟每条连接都占用着CPU和内存资源。大量这种连接如果不及时释放，服务器资源迟早会耗尽，最终崩溃。

应对这种问题的解决方式是：Netty提供了IdleStateHandler做空闲检测，用来检测连接是否活跃，如果再指定的时间内，没有活跃，那么就关闭连接。然后就是客户端定时发送心跳请求，服务器响应心跳请求。

二、IM聊天简易实现

介绍完Netty的核心概念，接下来以一个简易的点对点IM聊天，将核心概念融入到案例中。IM聊天的核心模块大致是如下几个：

1、通信主体流程

通信主体流程就是搭建好：服务端、客户端、两端正常建立连接进行通信。

服务端代码：

public static void main(String[] args) {
    ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

    NioEventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
    NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
    serverBootstrap
            .group(boss, worker)
            .channel(NioServerSocketChannel.class)
            .childHandler(new ChannelInitializer() {
                protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                    ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                    ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler() {
                        @Override
                        protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
                            System.out.println("server accept: " + msg);
                        }
                    });
                }
            });
    serverBootstrap.bind(9000)
            .addListener(future -> {
                if (future.isSuccess()) {
                    System.out.println("端口9000绑定成功");
                } else {
                    System.err.println("端口9000绑定失败");
                }
            });
}

客户端代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
    NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

    bootstrap.group(group)
            .channel(NioSocketChannel.class)
            .handler(new ChannelInitializer() {
                @Override
                protected void initChannel(Channel ch) {
                    ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                }
            });

    bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000)
            .addListener(future -> {
                if (future.isSuccess()) {
                    System.out.println("链接服务端成功");
                    Channel channel = ((ChannelFuture) future).channel();
                    channel.writeAndFlush("我是客户端A");
                } else {
                    System.err.println("连接服务端失败");
                }
            });
}

2、数据包—包含通讯协议

定义数据包的抽象类，后续的各种类型的数据包都继承此类。数据包中定义通讯协议的各种字段。

@Data
public abstract class Packet {
    /**
     * 协议版本
     */
    private Byte version = 1;

    /**
     * 指令，此处有多种实现：比如登录、登出、单聊、建群等等
     *
     * @return
     */
    public abstract Byte getCommand();

    /**
     * 获取算法，默认使用JSON，如果使用其余算法，子类重写此方法
     *
     * @return
     */
    public Byte getSerializeAlgorithm() {
        return SerializerAlgorithm.JSON;
    }
}

public class LoginRequestPacket extends Packet {
    private String userName;

    private String password;

    @Override
    public Byte getCommand() {
        return Command.LOGIN_REQUEST;
    }
}

3、序列化器

定义序列化器，功能包括：序列化、反序列化。可以定义多种序列化算法，文中以JSON为例。

public interface Serializer {
    /**
     * 序列化算法
     *
     * @return
     */
    byte getSerializerAlgorithm();

    /**
     * java 对象转换成二进制
     */
    byte[] serialize(Object object);

    /**
     * 二进制转换成 java 对象
     */
     T deserialize(Class clazz, byte[] bytes);
}

public class JSONSerializer implements Serializer {

    @Override
    public byte getSerializerAlgorithm() {
        return SerializerAlgorithm.JSON;
    }

    @Override
    public byte[] serialize(Object object) {
        return JSON.toJSONBytes(object);
    }

    @Override
    public  T deserialize(Class clazz, byte[] bytes) {
        return JSON.parseObject(bytes, clazz);
    }
}

4、编解码器

有了通讯协议、有了序列化协议，接下来就是对数据的编码和解码了。

public void encode(ByteBuf byteBuf, Packet packet) {
    Serializer serializer = getSerializer(packet.getSerializeAlgorithm());

    // 1. 序列化 java 对象
    byte[] bytes = serializer.serialize(packet);

    // 2. 实际编码过程
    byteBuf.writeInt(MAGIC_NUMBER);
    byteBuf.writeByte(packet.getVersion());
    byteBuf.writeByte(packet.getSerializeAlgorithm());
    byteBuf.writeByte(packet.getCommand());
    byteBuf.writeInt(bytes.length);
    byteBuf.writeBytes(bytes);
}


public Packet decode(ByteBuf byteBuf) {
    // 跳过 magic number
    byteBuf.skipBytes(4);
    // 跳过版本号
    byteBuf.skipBytes(1);
    // 读取序列化算法
    byte serializeAlgorithm = byteBuf.readByte();
    // 读取指令
    byte command = byteBuf.readByte();
    // 读取数据包长度
    int length = byteBuf.readInt();
    // 读取数据
    byte[] bytes = new byte[length];
    byteBuf.readBytes(bytes);

    Class requestType = getRequestType(command);
    Serializer serializer = getSerializer(serializeAlgorithm);

    if (requestType != null && serializer != null) {
        return serializer.deserialize(requestType, bytes);
    }

    return null;
}

5、消息处理器Handler

以上把通讯的基本架子和收发消息的数据包、协议、编解码器等基础工具已经做完，接下来就是编写Handler实现具体的业务逻辑了。

这里以客户端发起登录功能为例，分3步，消息收发也是类似：

  • 先在客户端发送登录请求数据包。
  • 服务端接收到登录请求数据包后，在服务端的Handler里做业务逻辑处理，然后发送响应给客户端。
  • 客户端接收到登录响应数据包后，在客户端的Handler里做业务逻辑处理。

效果如下：

核心代码如下：

  • 客户端发送请求
bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000)
                .addListener(future -> {
                    if (future.isSuccess()) {
                        System.out.println("连接服务端成功");
                        Channel channel = ((ChannelFuture) future).channel();
                        // 连接之后，假设再这里发起各种操作指令，采用异步线程开始发送各种指令，发送数据用到的的channel是必不可少的
                        sendActionCommand(channel);
                    } else {
                        System.err.println("连接服务端失败");
                    }
                });

private static void sendActionCommand(Channel channel) {
        // 直接采用控制台输入的方式，模拟操作指令
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        LoginActionCommand loginActionCommand = new LoginActionCommand();
        new Thread(() -> {
            loginActionCommand.exec(scanner, channel);
        }).start();
    }
  • 服务端接受请求，并且处理
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, LoginRequestPacket loginRequestPacket) {
    LoginResponsePacket loginResponsePacket = new LoginResponsePacket();
    loginResponsePacket.setVersion(loginRequestPacket.getVersion());
    loginResponsePacket.setUserName(loginRequestPacket.getUserName());

    if (valid(loginRequestPacket)) {
        loginResponsePacket.setSuccess(true);
        String userId = IDUtil.randomId();
        loginResponsePacket.setUserId(userId);
        System.out.println("[" + loginRequestPacket.getUserName() + "]登录成功");
        SessionUtil.bindSession(new Session(userId, loginRequestPacket.getUserName()), ctx.channel());
    } else {
        loginResponsePacket.setReason("校验失败");
        loginResponsePacket.setSuccess(false);
        System.out.println("登录失败!");
    }

    // 登录响应
    ctx.writeAndFlush(loginResponsePacket);
}

private boolean valid(LoginRequestPacket loginRequestPacket) {
    System.out.println("服务端LoginRequestHandler，正在校验客户端登录请求");
    return true;
}
  • 客户端接受响应，并且处理
public class LoginResponseHandler extends SimpleChannelInboundHandler {

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, LoginResponsePacket loginResponsePacket) {
        String userId = loginResponsePacket.getUserId();
        String userName = loginResponsePacket.getUserName();

        if (loginResponsePacket.isSuccess()) {
            System.out.println("[" + userName + "]登录成功，userId为: " + loginResponsePacket.getUserId());
            SessionUtil.bindSession(new Session(userId, userName), ctx.channel());
        } else {
            System.out.println("[" + userName + "]登录失败，原因为：" + loginResponsePacket.getReason());
        }
    }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) {
        System.out.println("客户端连接被关闭!");
    }
}

6、空闲检测和定时心跳

主流程和主要功能已经实现，还剩最后一个空闲检测和定时心跳。

实现步骤：

  • 客户端和服务端都先定义好空闲检测。如果再规定的时间内没有数据传输，则关闭通道。
  • 客户端定时发送心跳
  • 服务端处理心跳请求，发送响应给客户端

核心代码：

  • 空闲检测代码：
/**
 * IM聊天空闲检测器
 * 比如：20秒内没有数据，则关闭通道
 */
public class ImIdleStateHandler extends IdleStateHandler {

    private static final int READER_IDLE_TIME = 20;

    public ImIdleStateHandler() {
        super(READER_IDLE_TIME, 0, 0, TimeUnit.SECONDS);
    }

    @Override
    protected void channelIdle(ChannelHandlerContext ctx, IdleStateEvent evt) {
        System.out.println(READER_IDLE_TIME + "秒内未读到数据，关闭连接！");
        ctx.channel().close();
    }
}
  • 客户端定时心跳代码：
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        scheduleSendHeartBeat(ctx);

        super.channelActive(ctx);
    }

    private void scheduleSendHeartBeat(ChannelHandlerContext ctx) {
        // 此处无需使用scheduleAtFixedRate，因为如果通道失效后，就无需在发起心跳了，按照目前的方式是最好的：成功一次安排一次
        ctx.executor().schedule(() -> {

            if (ctx.channel().isActive()) {
                System.out.println("定时任务发送心跳！");
                ctx.writeAndFlush(new HeartBeatRequestPacket());
                scheduleSendHeartBeat(ctx);
            }

        }, HEARTBEAT_INTERVAL, TimeUnit.SECONDS);
    }
  • 服务端响应心跳代码：
public class ImIdleStateHandler extends IdleStateHandler {

    private static final int READER_IDLE_TIME = 20;

    public ImIdleStateHandler() {
        super(READER_IDLE_TIME, 0, 0, TimeUnit.SECONDS);
    }

    @Override
    protected void channelIdle(ChannelHandlerContext ctx, IdleStateEvent evt) {
        System.out.println(READER_IDLE_TIME + "秒内未读到数据，关闭连接！");
        ctx.channel().close();
    }
}

三、总结

本文介绍了Netty的核心概念，以及基本使用方法，希望能够帮到你。本文核心词：

  • 通信流程
  • Boss线程、Worker线程
  • 处理消息的Handler
  • 通讯协议、序列化协议、编解码器
  • 空闲检测、定时心跳

本文完整代码：https://github.com/yclxiao/netty-demo.git

网站题目：Netty入门实践：模拟IM聊天
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