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2020
09-23

SpringBoot整合Netty心跳机制过程详解

前言

Netty 是一个高性能的 NIO 网络框架，本文基于 SpringBoot 以常见的心跳机制来认识 Netty。

最终能达到的效果：

  • 客户端每隔 N 秒检测是否需要发送心跳。
  • 服务端也每隔 N 秒检测是否需要发送心跳。
  • 服务端可以主动 push 消息到客户端。
  • 基于 SpringBoot 监控，可以查看实时连接以及各种应用信息。

IdleStateHandler

Netty 可以使用 IdleStateHandler 来实现连接管理，当连接空闲时间太长（没有发送、接收消息）时则会触发一个事件，我们便可在该事件中实现心跳机制。

客户端心跳

当客户端空闲了 N 秒没有给服务端发送消息时会自动发送一个心跳来维持连接。

核心代码代码如下：

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("已经 10 秒没有发送信息！");
        //向服务端发送消息
        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 {

    //从服务端收到消息时被调用
    LOGGER.info("客户端收到消息={}",in.toString(CharsetUtil.UTF_8)) ;
  }
}

实现非常简单，只需要在事件回调中发送一个消息即可。

由于整合了 SpringBoot ，所以发送的心跳信息是一个单例的 Bean。

@Configuration
public class HeartBeatConfig {
  @Value("${channel.id}")
  private long id ;
  @Bean(value = "heartBeat")
  public CustomProtocol heartBeat(){
    return new CustomProtocol(id,"ping") ;
  }
}

这里涉及到了自定义协议的内容，请继续查看下文。

当然少不了启动引导：

@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("启动 Netty 成功");
    }
    channel = (SocketChannel) future.channel();
  }
  
}

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

所以当应用启动每隔 10 秒会检测是否发送过消息，不然就会发送心跳信息。

服务端心跳

服务器端的心跳其实也是类似，也需要在 ChannelPipeline 中添加一个 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));


  /**
   * 取消绑定
   * @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("已经5秒没有收到信息！");
        //向客户端发送消息
        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);

    //保存客户端与 Channel 之间的关系
    NettySocketHolder.put(customProtocol.getId(),(NioSocketChannel)ctx.channel()) ;
  }
}

这里有点需要注意：

当有多个客户端连上来时，服务端需要区分开，不然响应消息就会发生混乱。

所以每当有个连接上来的时候，我们都将当前的 Channel 与连上的客户端 ID 进行关联（因此每个连上的客户端 ID 都必须唯一）。

这里采用了一个 Map 来保存这个关系，并且在断开连接时自动取消这个关联。

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()));
  }
}

启动引导程序：

Component

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;


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

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

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


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


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

也是同样将IdleStateHandler 添加到 ChannelPipeline 中，也会有一个定时任务，每5秒校验一次是否有收到消息，否则就主动发送一次请求。

因为测试是有两个客户端连上所以有两个日志。

自定义协议

上文其实都看到了：服务端与客户端采用的是自定义的 POJO 进行通讯的。

所以需要在客户端进行编码，服务端进行解码，也都只需要各自实现一个编解码器即可。

CustomProtocol：

public class CustomProtocol implements Serializable{
  private static final long serialVersionUID = 4671171056588401542L;
  private long id ;
  private String content ;
  //省略 getter/setter
}

客户端的编码器：

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()) ;

  }
}

也就是说消息的前八个字节为 header，剩余的全是 content。

服务端的解码器：

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) ;

  }
}

只需要按照刚才的规则进行解码即可。

实现原理

其实联想到 IdleStateHandler 的功能，自然也能想到它实现的原理：

应该会存在一个定时任务的线程去处理这些消息。

来看看它的源码：

首先是构造函数:

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

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

其实就是初始化了几个数据：

  • readerIdleTimeSeconds：一段时间内没有数据读取
  • writerIdleTimeSeconds：一段时间内没有数据发送
  • allIdleTimeSeconds：以上两种满足其中一个即可

因为 IdleStateHandler 也是一种 ChannelHandler，所以会在 channelActive 中初始化任务：

  @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);
    }
  }

也就是会按照我们给定的时间初始化出定时任务。

接着在任务真正执行时进行判断：

  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);
      }
    }
  }

如果满足条件则会生成一个 IdleStateEvent 事件。

SpringBoot 监控

由于整合了 SpringBoot 之后不但可以利用 Spring 帮我们管理对象，也可以利用它来做应用监控。

actuator 监控

当我们为引入了:

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

就开启了 SpringBoot 的 actuator 监控功能，他可以暴露出很多监控端点供我们使用。

如一些应用中的一些统计数据：

存在的 Beans：

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

但是如果我想监控现在我的服务端有多少客户端连上来了，分别的 ID 是多少？

其实就是实时查看我内部定义的那个关联关系的 Map。

这就需要暴露自定义端点了。

自定义端点

暴露的方式也很简单：

继承 AbstractEndpoint 并复写其中的 invoke 函数：

public class CustomEndpoint extends AbstractEndpoint<Map<Long,NioSocketChannel>> {
  /**
   * 监控端点的 访问地址
   * @param id
   */
  public CustomEndpoint(String id) {
    //false 表示不是敏感端点
    super(id, false);
  }
  @Override
  public Map<Long, NioSocketChannel> invoke() {
    return NettySocketHolder.getMAP();
  }
}

其实就是返回了 Map 中的数据。

再配置一个该类型的 Bean 即可：

@Configuration
public class EndPointConfig {
  @Value("${monitor.channel.map.key}")
  private String channelMap;
  @Bean
  public CustomEndpoint buildEndPoint(){
    CustomEndpoint customEndpoint = new CustomEndpoint(channelMap) ;
    return customEndpoint ;
  }
}

这样我们就可以通过配置文件中的 monitor.channel.map.key 来访问了：

整合 SBA

这样其实监控功能已经可以满足了，但能不能展示的更美观、并且多个应用也可以方便查看呢？

有这样的开源工具帮我们做到了：

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

简单来说我们可以利用该工具将 actuator 暴露出来的接口可视化并聚合的展示在页面中：

接入也很简单，首先需要引入依赖：

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

并在配置文件中加入：

# 关闭健康检查权限
management.security.enabled=false
# SpringAdmin 地址
spring.boot.admin.url=http://127.0.0.1:8888

在启动应用之前先讲 SpringBootAdmin 部署好：

这个应用就是一个纯粹的 SpringBoot ，只需要在主函数上加入 @EnableAdminServer 注解。

@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>

之后直接启动就行了。

这样我们在 SpringBootAdmin 的页面中就可以查看很多应用信息了。

更多内容请参考官方指南：

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

自定义监控数据

其实我们完全可以借助 actuator 以及这个可视化页面帮我们监控一些简单的度量信息。

比如我在客户端和服务端中写了两个 Rest 接口用于向对方发送消息。

只是想要记录分别发送了多少次：

客户端

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

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

  @Autowired
  private HeartbeatClient heartbeatClient ;

  /**
   * 向服务端发消息
   * @param sendMsgReqVO
   * @return
   */
  @ApiOperation("客户端发送消息")
  @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 来自增
    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 ;
  }
}

只要我们引入了 actuator 的包，那就可以直接注入 counterService ，利用它来帮我们记录数据。

总结

以上就是一个简单 Netty 心跳示例，并演示了 SpringBoot 的监控，之后会继续更新 Netty 相关内容，欢迎关注及指正。

本文所有代码：

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

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持自学编程网。

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