Netty实战：设计一个IM框架就这么简单！

bitchat 是一个基于 Netty 的 IM 即时通讯框架

项目地址：https://github.com/all4you/bitchat

快速开始

bitchat-example 模块提供了一个服务端与客户端的实现示例，可以参照该示例进行自己的业务实现。

启动服务端

要启动服务端，需要获取一个 Server 的实例，可以通过 ServerFactory 来获取。

目前只实现了单机模式下的 Server ，通过 SimpleServerFactory 只需要定义一个端口即可获取一个单机的 Server 实例，如下所示：

public class StandaloneServerApplication {
    public static void main(String[] args) {
        Server server = SimpleServerFactory.getInstance()
            .newServer(8864);
        server.start();
    }
}

服务端启动成功后，将显示如下信息：

启动客户端

目前只实现了直连服务器的客户端，通过 SimpleClientFactory 只需要指定一个 ServerAttr 即可获取一个客户端，然后进行客户端与服务端的连接，如下所示：

public class DirectConnectServerClientApplication {

    public static void main(String[] args) {
        Client client = SimpleClientFactory.getInstance()
            .newClient(ServerAttr.getLocalServer(8864));
        client.connect();

        doClientBiz(client);
    }
}

客户端连接上服务端后，将显示如下信息：

体验客户端的功能

目前客户端提供了三种 Func，分别是：登录，查看在线用户列表，发送单聊消息，每种 Func 有不同的命令格式。

登录

通过在客户端中执行以下命令 -lo houyi 123456 即可实现登录，目前用户中心还未实现，通过 Mock 的方式实现一个假的用户服务，所以输入任何的用户名密码都会登录成功，并且会为用户创建一个用户id。

登录成功后，显示如下：

查看在线用户

再启动一个客户端，并且也执行登录，登录成功后，可以执行 -lu 命令，获取在线用户列表，目前用户是保存在内存中，获取的结果如下所示：

发送单聊信息

用 gris 这个用户向 houyi 这个用户发送单聊信息，只要执行 -pc 1 hello,houyi 命令即可

其中第二个参数数要发送消息给那个用户的用户id，第三个参数是消息内容

消息发送方，发送完消息：

消息接收方，接收到消息：

客户端断线重连

客户端和服务端之间维持着心跳，双方都会检查连接是否可用，客户端每隔5s会向服务端发送一个 PingPacket，而服务端接收到这个 PingPacket 之后，会回复一个 PongPacket，这样表示双方都是健康的。

当因为某种原因，服务端没有收到客户端发送的消息，服务端将会把该客户端的连接断开，同样的客户端也会做这样的检查。

当客户端与服务端之间的连接断开之后，将会触发客户端 HealthyChecker 的 channelInactive 方法，从而进行客户端的断线重连。

整体架构

单机版

单机版的架构只涉及到服务端、客户端，另外有两者之间的协议层，如下图所示：

除了服务端和客户端之外，还有三大中心：消息中心，用户中心，链接中心。

• 消息中心：主要负责消息的存储与历史、离线消息的查询

• 用户中心：主要负责用户和群组相关的服务

• 链接中心：主要负责保存客户端的链接，服务端从链接中心获取客户端的链接，向其推送消息

集群版

单机版无法做到高可用，性能与可服务的用户数也有一定的限制，所以需要有可扩展的集群版，集群版在单机版的基础上增加了一个路由层，客户端通过路由层来获得可用的服务端地址，然后与服务端进行通讯，如下图所示：

客户端发送消息给另一个用户，服务端接收到这个请求后，从 Connection中心中获取目标用户“挂”在哪个服务端下，如果在自己名下，那最简单直接将消息推送给目标用户即可，如果在其他服务端，则需要将该请求转交给目标服务端，让目标服务端将消息推送给目标用户。

自定义协议

通过一个自定义协议来实现服务端与客户端之间的通讯，协议中有如下几个字段：

*
* <p>
* The structure of a Packet is like blow:
* +----------+----------+----------------------------+
* |  size    |  value   |  intro                     |
* +----------+----------+----------------------------+
* | 1 bytes  | 0xBC     |  magic number              |
* | 1 bytes  |          |  serialize algorithm       |
* | 4 bytes  |          |  packet symbol             |
* | 4 bytes  |          |  content length            |
* | ? bytes  |          |  the content               |
* +----------+----------+----------------------------+
* </p>
*

每个字段的含义

序列化算法将会决定该 Packet 在编解码时，使用何种序列化方式。

Packet 的类型将会决定到达服务端的字节流将被反序列化为何种 Packet，也决定了该 Packet 将会被哪个 PacketHandler 进行处理。

内容长度将会解决 Packet 的拆包与粘包问题，服务端在解析字节流时，将会等到字节的长度达到内容的长度时，才进行字节的读取。

除此之外，Packet 中还会存储一个 sync 字段，该字段将指定服务端在处理该 Packet 的数据时是否需要使用异步的业务线程池来处理。

健康检查

服务端与客户端各自维护了一个健康检查的服务，即 Netty 为我们提供的 IdleStateHandler，通过继承该类，并且实现 channelIdle 方法即可实现连接 “空闲” 时的逻辑处理，当出现空闲时，目前我们只关心读空闲，我们既可以认为这条链接出现问题了。

那么只需要在链接出现问题时，将这条链接关闭即可，如下所示：

public class IdleStateChecker extends IdleStateHandler {

    private static final int DEFAULT_READER_IDLE_TIME = 15;

    private int readerTime;

    public IdleStateChecker(int readerIdleTime) {
        super(readerIdleTime == 0 ? DEFAULT_READER_IDLE_TIME : readerIdleTime, 0, 0, TimeUnit.SECONDS);
        readerTime = readerIdleTime == 0 ? DEFAULT_READER_IDLE_TIME : readerIdleTime;
    }

    @Override
    protected void channelIdle(ChannelHandlerContext ctx, IdleStateEvent evt) {
        log.warn("[{}] Hasn't read data after {} seconds, will close the channel:{}", 
        IdleStateChecker.class.getSimpleName(), readerTime, ctx.channel());
        ctx.channel().close();
    }

}

另外，客户端需要额外再维护一个健康检查器，正常情况下他负责定时向服务端发送心跳，当链接的状态变成 inActive 时，该检查器将负责进行重连，如下所示：

public class HealthyChecker extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    private static final int DEFAULT_PING_INTERVAL = 5;

    private Client client;

    private int pingInterval;

    public HealthyChecker(Client client, int pingInterval) {
        Assert.notNull(client, "client can not be null");
        this.client = client;
        this.pingInterval = pingInterval <= 0 ? DEFAULT_PING_INTERVAL : pingInterval;
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        super.channelActive(ctx);
        schedulePing(ctx);
    }

    private void schedulePing(ChannelHandlerContext ctx) {
        ctx.executor().schedule(() -> {
            Channel channel = ctx.channel();
            if (channel.isActive()) {
                log.debug("[{}] Send a PingPacket", HealthyChecker.class.getSimpleName());
                channel.writeAndFlush(new PingPacket());
                schedulePing(ctx);
            }
        }, pingInterval, TimeUnit.SECONDS);
    }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.executor().schedule(() -> {
            log.info("[{}] Try to reconnecting...", HealthyChecker.class.getSimpleName());
            client.connect();
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);
        ctx.fireChannelInactive();
    }

}

业务线程池

我们知道，Netty 中维护着两个 IO 线程池，一个 boss 主要负责链接的建立，另外一个 worker 主要负责链接上的数据读写，我们不应该使用 IO 线程来处理我们的业务，因为这样很可能会对 IO 线程造成阻塞，导致新链接无法及时建立或者数据无法及时读写。

为了解决这个问题，我们需要在业务线程池中来处理我们的业务逻辑，但是这并不是绝对的，如果我们要执行的逻辑很简单，不会造成太大的阻塞，则可以直接在 IO 线程中处理，比如客户端发送一个 Ping 服务端回复一个 Pong，这种情况是没有必要在业务线程池中进行处理的，因为处理完了最终还是要交给 IO 线程去写数据。但是如果一个业务逻辑需要查询数据库或者读取文件，这种操作往往比较耗时间，所以就需要将这些操作封装起来交给业务线程池去处理。

服务端允许客户端在传输的 Packet 中指定采用何种方式进行业务的处理，服务端在将字节流解码成 Packet 之后，会根据 Packet 中的 sync 字段的值，确定怎样对该 Packet 进行处理，如下所示：

public class ServerPacketDispatcher extends 
    SimpleChannelInboundHandler<Packet> {
    @Override
    public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Packet request) {
        // if the packet should be handled async
        if (request.getAsync() == AsyncHandle.ASYNC) {
            EventExecutor channelExecutor = ctx.executor();
            // create a promise
            Promise<Packet> promise = new DefaultPromise<>(channelExecutor);
            // async execute and get a future
            Future<Packet> future = executor.asyncExecute(promise, ctx, request);
            future.addListener(new GenericFutureListener<Future<Packet>>() {
                @Override
                public void operationComplete(Future<Packet> f) throws Exception {
                    if (f.isSuccess()) {
                        Packet response = f.get();
                        writeResponse(ctx, response);
                    }
                }
            });
        } else {
            // sync execute and get the response packet
            Packet response = executor.execute(ctx, request);
            writeResponse(ctx, response);
        }
    }
}

不止是IM框架

bitchat 除了可以作为 IM 框架之外，还可以作为一个通用的通讯框架。

Packet 作为通讯的载体，通过继承 AbstractPacket 即可快速实现自己的业务，搭配 PacketHandler 作为数据处理器即可实现客户端与服务端的通讯。