Netty(一) SpringBoot 整合長鏈接心跳機制

時間  2019-11-10
標籤 netty springboot 整合 鏈接 心跳 機制 欄目 Netty 简体版
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前言

Netty 是一個高性能的 NIO 網絡框架，本文基於 SpringBoot 以常見的心跳機制來認識 Netty。html

最終能達到的效果：java

  • 客戶端每隔 N 秒檢測是否須要發送心跳。
  • 服務端也每隔 N 秒檢測是否須要發送心跳。
  • 服務端能夠主動 push 消息到客戶端。
  • 基於 SpringBoot 監控，能夠查看實時鏈接以及各類應用信息。

效果以下：git

IdleStateHandler

Netty 可使用 IdleStateHandler 來實現鏈接管理，當鏈接空閒時間太長（沒有發送、接收消息）時則會觸發一個事件，咱們即可在該事件中實現心跳機制。github

客戶端心跳

當客戶端空閒了 N 秒沒有給服務端發送消息時會自動發送一個心跳來維持鏈接。spring

核心代碼代碼以下：bootstrap

public class EchoClientHandle extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(EchoClientHandle.class);



    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {

        if (evt instanceof IdleStateEvent){
            IdleStateEvent idleStateEvent = (IdleStateEvent) evt ;

            if (idleStateEvent.state() == IdleState.WRITER_IDLE){
                LOGGER.info("已經 10 秒沒有發送信息！");
                //向服務端發送消息
                CustomProtocol heartBeat = SpringBeanFactory.getBean("heartBeat", CustomProtocol.class);
                ctx.writeAndFlush(heartBeat).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE) ;
            }


        }

        super.userEventTriggered(ctx, evt);
    }


    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf in) throws Exception {

        //從服務端收到消息時被調用
        LOGGER.info("客戶端收到消息={}",in.toString(CharsetUtil.UTF_8)) ;

    }
}

實現很是簡單，只須要在事件回調中發送一個消息便可。服務器

因爲整合了 SpringBoot ，因此發送的心跳信息是一個單例的 Bean。網絡

@Configuration
public class HeartBeatConfig {

    @Value("${channel.id}")
    private long id ;


    @Bean(value = "heartBeat")
    public CustomProtocol heartBeat(){
        return new CustomProtocol(id,"ping") ;
    }
}

這裏涉及到了自定義協議的內容，請繼續查看下文。app

固然少不了啓動引導：框架

@Component
public class HeartbeatClient {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(HeartbeatClient.class);

    private EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();


    @Value("${netty.server.port}")
    private int nettyPort;

    @Value("${netty.server.host}")
    private String host;

    private SocketChannel channel;

    @PostConstruct
    public void start() throws InterruptedException {
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        bootstrap.group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new CustomerHandleInitializer())
        ;

        ChannelFuture future = bootstrap.connect(host, nettyPort).sync();
        if (future.isSuccess()) {
            LOGGER.info("啓動 Netty 成功");
        }
        channel = (SocketChannel) future.channel();
    }
    
}

public class CustomerHandleInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    @Override
    protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
        ch.pipeline()
                //10 秒沒發送消息 將IdleStateHandler 添加到 ChannelPipeline 中
                .addLast(new IdleStateHandler(0, 10, 0))
                .addLast(new HeartbeatEncode())
                .addLast(new EchoClientHandle())
        ;
    }
}

因此當應用啓動每隔 10 秒會檢測是否發送過消息，否則就會發送心跳信息。

服務端心跳

服務器端的心跳其實也是相似，也須要在 ChannelPipeline 中添加一個 IdleStateHandler 。

public class HeartBeatSimpleHandle extends SimpleChannelInboundHandler<CustomProtocol> {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(HeartBeatSimpleHandle.class);

    private static final ByteBuf HEART_BEAT =  Unpooled.unreleasableBuffer(Unpooled.copiedBuffer(new CustomProtocol(123456L,"pong").toString(),CharsetUtil.UTF_8));


    /**
     * 取消綁定
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        NettySocketHolder.remove((NioSocketChannel) ctx.channel());
    }

    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {

        if (evt instanceof IdleStateEvent){
            IdleStateEvent idleStateEvent = (IdleStateEvent) evt ;

            if (idleStateEvent.state() == IdleState.READER_IDLE){
                LOGGER.info("已經5秒沒有收到信息！");
                //向客戶端發送消息
                ctx.writeAndFlush(HEART_BEAT).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE) ;
            }


        }

        super.userEventTriggered(ctx, evt);
    }

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, CustomProtocol customProtocol) throws Exception {
        LOGGER.info("收到customProtocol={}", customProtocol);

        //保存客戶端與 Channel 之間的關係
        NettySocketHolder.put(customProtocol.getId(),(NioSocketChannel)ctx.channel()) ;
    }
}

這裏有點須要注意：

當有多個客戶端連上來時，服務端須要區分開，否則響應消息就會發生混亂。

因此每當有個鏈接上來的時候，咱們都將當前的 Channel 與連上的客戶端 ID 進行關聯（所以每一個連上的客戶端 ID 都必須惟一）。

這裏採用了一個 Map 來保存這個關係，而且在斷開鏈接時自動取消這個關聯。

public class NettySocketHolder {
    private static final Map<Long, NioSocketChannel> MAP = new ConcurrentHashMap<>(16);

    public static void put(Long id, NioSocketChannel socketChannel) {
        MAP.put(id, socketChannel);
    }

    public static NioSocketChannel get(Long id) {
        return MAP.get(id);
    }

    public static Map<Long, NioSocketChannel> getMAP() {
        return MAP;
    }

    public static void remove(NioSocketChannel nioSocketChannel) {
        MAP.entrySet().stream().filter(entry -> entry.getValue() == nioSocketChannel).forEach(entry -> MAP.remove(entry.getKey()));
    }
}

啓動引導程序：

Component
public class HeartBeatServer {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(HeartBeatServer.class);

    private EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
    private EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();


    @Value("${netty.server.port}")
    private int nettyPort;


    /**
     * 啓動 Netty
     *
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    @PostConstruct
    public void start() throws InterruptedException {

        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()
                .group(boss, work)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .localAddress(new InetSocketAddress(nettyPort))
                //保持長鏈接
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                .childHandler(new HeartbeatInitializer());

        ChannelFuture future = bootstrap.bind().sync();
        if (future.isSuccess()) {
            LOGGER.info("啓動 Netty 成功");
        }
    }


    /**
     * 銷燬
     */
    @PreDestroy
    public void destroy() {
        boss.shutdownGracefully().syncUninterruptibly();
        work.shutdownGracefully().syncUninterruptibly();
        LOGGER.info("關閉 Netty 成功");
    }
}    


public class HeartbeatInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    @Override
    protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
        ch.pipeline()
                //五秒沒有收到消息 將IdleStateHandler 添加到 ChannelPipeline 中
                .addLast(new IdleStateHandler(5, 0, 0))
                .addLast(new HeartbeatDecoder())
                .addLast(new HeartBeatSimpleHandle());
    }
}

也是一樣將IdleStateHandler 添加到 ChannelPipeline 中，也會有一個定時任務，每5秒校驗一次是否有收到消息，不然就主動發送一次請求。

由於測試是有兩個客戶端連上因此有兩個日誌。

自定義協議

上文其實都看到了：服務端與客戶端採用的是自定義的 POJO 進行通信的。

因此須要在客戶端進行編碼，服務端進行解碼，也都只須要各自實現一個編解碼器便可。

CustomProtocol：

public class CustomProtocol implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = 4671171056588401542L;
    private long id ;
    private String content ;
    //省略 getter/setter
}

客戶端的編碼器：

public class HeartbeatEncode extends MessageToByteEncoder<CustomProtocol> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, CustomProtocol msg, ByteBuf out) throws Exception {

        out.writeLong(msg.getId()) ;
        out.writeBytes(msg.getContent().getBytes()) ;

    }
}

也就是說消息的前八個字節爲 header，剩餘的全是 content。

服務端的解碼器：

public class HeartbeatDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {

        long id = in.readLong() ;
        byte[] bytes = new byte[in.readableBytes()] ;
        in.readBytes(bytes) ;
        String content = new String(bytes) ;

        CustomProtocol customProtocol = new CustomProtocol() ;
        customProtocol.setId(id);
        customProtocol.setContent(content) ;
        out.add(customProtocol) ;

    }
}

只須要按照剛纔的規則進行解碼便可。

實現原理

其實聯想到 IdleStateHandler 的功能，天然也能想到它實現的原理：

應該會存在一個定時任務的線程去處理這些消息。

來看看它的源碼：

首先是構造函數:

public IdleStateHandler(
            int readerIdleTimeSeconds,
            int writerIdleTimeSeconds,
            int allIdleTimeSeconds) {

        this(readerIdleTimeSeconds, writerIdleTimeSeconds, allIdleTimeSeconds,
             TimeUnit.SECONDS);
    }

其實就是初始化了幾個數據：

  • readerIdleTimeSeconds：一段時間內沒有數據讀取
  • writerIdleTimeSeconds：一段時間內沒有數據發送
  • allIdleTimeSeconds：以上兩種知足其中一個便可

由於 IdleStateHandler 也是一種 ChannelHandler，因此會在 channelActive 中初始化任務：

@Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // This method will be invoked only if this handler was added
        // before channelActive() event is fired.  If a user adds this handler
        // after the channelActive() event, initialize() will be called by beforeAdd().
        initialize(ctx);
        super.channelActive(ctx);
    }
    
    private void initialize(ChannelHandlerContext ctx) {
        // Avoid the case where destroy() is called before scheduling timeouts.
        // See: https://github.com/netty/netty/issues/143
        switch (state) {
        case 1:
        case 2:
            return;
        }

        state = 1;
        initOutputChanged(ctx);

        lastReadTime = lastWriteTime = ticksInNanos();
        if (readerIdleTimeNanos > 0) {
            readerIdleTimeout = schedule(ctx, new ReaderIdleTimeoutTask(ctx),
                    readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
        if (writerIdleTimeNanos > 0) {
            writerIdleTimeout = schedule(ctx, new WriterIdleTimeoutTask(ctx),
                    writerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
        if (allIdleTimeNanos > 0) {
            allIdleTimeout = schedule(ctx, new AllIdleTimeoutTask(ctx),
                    allIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
    }

也就是會按照咱們給定的時間初始化出定時任務。

接着在任務真正執行時進行判斷：

private final class ReaderIdleTimeoutTask extends AbstractIdleTask {

        ReaderIdleTimeoutTask(ChannelHandlerContext ctx) {
            super(ctx);
        }

        @Override
        protected void run(ChannelHandlerContext ctx) {
            long nextDelay = readerIdleTimeNanos;
            if (!reading) {
                nextDelay -= ticksInNanos() - lastReadTime;
            }

            if (nextDelay <= 0) {
                // Reader is idle - set a new timeout and notify the callback.
                readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);

                boolean first = firstReaderIdleEvent;
                firstReaderIdleEvent = false;

                try {
                    IdleStateEvent event = newIdleStateEvent(IdleState.READER_IDLE, first);
                    channelIdle(ctx, event);
                } catch (Throwable t) {
                    ctx.fireExceptionCaught(t);
                }
            } else {
                // Read occurred before the timeout - set a new timeout with shorter delay.
                readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, nextDelay, TimeUnit.NANOSECONDS);
            }
        }
    }

若是知足條件則會生成一個 IdleStateEvent 事件。

SpringBoot 監控

因爲整合了 SpringBoot 以後不但能夠利用 Spring 幫咱們管理對象，也能夠利用它來作應用監控。

actuator 監控

當咱們爲引入了:

<dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId>
        </dependency>

就開啓了 SpringBoot 的 actuator 監控功能，他能夠暴露出不少監控端點供咱們使用。

如一些應用中的一些統計數據：

存在的 Beans：

更多信息請查看：https://docs.spring.io/spring-boot/docs/current/reference/html/production-ready-endpoints.html

可是若是我想監控如今個人服務端有多少客戶端連上來了，分別的 ID 是多少？

其實就是實時查看我內部定義的那個關聯關係的 Map。

這就須要暴露自定義端點了。

自定義端點

暴露的方式也很簡單：

繼承 AbstractEndpoint 並複寫其中的 invoke 函數：

public class CustomEndpoint extends AbstractEndpoint<Map<Long,NioSocketChannel>> {


    /**
     * 監控端點的 訪問地址
     * @param id
     */
    public CustomEndpoint(String id) {
        //false 表示不是敏感端點
        super(id, false);
    }

    @Override
    public Map<Long, NioSocketChannel> invoke() {
        return NettySocketHolder.getMAP();
    }
}

其實就是返回了 Map 中的數據。

再配置一個該類型的 Bean 便可：

@Configuration
public class EndPointConfig {


    @Value("${monitor.channel.map.key}")
    private String channelMap;

    @Bean
    public CustomEndpoint buildEndPoint(){
        CustomEndpoint customEndpoint = new CustomEndpoint(channelMap) ;
        return customEndpoint ;
    }
}

這樣咱們就能夠經過配置文件中的 monitor.channel.map.key 來訪問了：

一個客戶端鏈接時：

兩個客戶端鏈接時：

整合 SBA

這樣其實監控功能已經能夠知足了，但能不能展現的更美觀、而且多個應用也能夠方便查看呢？

有這樣的開源工具幫咱們作到了：

https://github.com/codecentric/spring-boot-admin

簡單來講咱們能夠利用該工具將 actuator 暴露出來的接口可視化並聚合的展現在頁面中：

接入也很簡單，首先須要引入依賴：

<dependency>
            <groupId>de.codecentric</groupId>
            <artifactId>spring-boot-admin-starter-client</artifactId>
        </dependency>

並在配置文件中加入：

# 關閉健康檢查權限
management.security.enabled=false
# SpringAdmin 地址
spring.boot.admin.url=http://127.0.0.1:8888

在啓動應用以前先講 SpringBootAdmin 部署好：

這個應用就是一個純粹的 SpringBoot ，只須要在主函數上加入 @EnableAdminServer 註解。

@SpringBootApplication
@Configuration
@EnableAutoConfiguration
@EnableAdminServer
public class AdminApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(AdminApplication.class, args);
    }
}

引入：

<dependency>
            <groupId>de.codecentric</groupId>
            <artifactId>spring-boot-admin-starter-server</artifactId>
            <version>1.5.7</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>de.codecentric</groupId>
            <artifactId>spring-boot-admin-server-ui</artifactId>
            <version>1.5.6</version>
        </dependency>

以後直接啓動就好了。

這樣咱們在 SpringBootAdmin 的頁面中就能夠查看不少應用信息了。

更多內容請參考官方指南：

http://codecentric.github.io/spring-boot-admin/1.5.6/

自定義監控數據

其實咱們徹底能夠藉助 actuator 以及這個可視化頁面幫咱們監控一些簡單的度量信息。

好比我在客戶端和服務端中寫了兩個 Rest 接口用於向對方發送消息。

只是想要記錄分別發送了多少次：

客戶端：

@Controller
@RequestMapping("/")
public class IndexController {

    /**
     * 統計 service
     */
    @Autowired
    private CounterService counterService;

    @Autowired
    private HeartbeatClient heartbeatClient ;

    /**
     * 向服務端發消息
     * @param sendMsgReqVO
     * @return
     */
    @ApiOperation("客戶端發送消息")
    @RequestMapping("sendMsg")
    @ResponseBody
    public BaseResponse<SendMsgResVO> sendMsg(@RequestBody SendMsgReqVO sendMsgReqVO){
        BaseResponse<SendMsgResVO> res = new BaseResponse();
        heartbeatClient.sendMsg(new CustomProtocol(sendMsgReqVO.getId(),sendMsgReqVO.getMsg())) ;

        // 利用 actuator 來自增
        counterService.increment(Constants.COUNTER_CLIENT_PUSH_COUNT);

        SendMsgResVO sendMsgResVO = new SendMsgResVO() ;
        sendMsgResVO.setMsg("OK") ;
        res.setCode(StatusEnum.SUCCESS.getCode()) ;
        res.setMessage(StatusEnum.SUCCESS.getMessage()) ;
        res.setDataBody(sendMsgResVO) ;
        return res ;
    }
}

只要咱們引入了 actuator 的包，那就能夠直接注入 counterService ，利用它來幫咱們記錄數據。

當咱們調用該接口時：

在監控頁面中能夠查詢剛纔的調用狀況：

服務端主動 push 消息也是相似，只是須要在發送時候根據客戶端的 ID 查詢到具體的 Channel 發送：

總結

以上就是一個簡單 Netty 心跳示例，並演示了 SpringBoot 的監控，以後會繼續更新 Netty 相關內容，歡迎關注及指正。

本文全部代碼：

https://github.com/crossoverJie/netty-action

號外

最近在總結一些 Java 相關的知識點，感興趣的朋友能夠一塊兒維護。

地址: https://github.com/crossoverJie/Java-Interview

圖片描述

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