這樣講 Netty 中的心跳機制，還有誰不會？
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基礎(chǔ)
何為心跳
顧名思義, 所謂 心跳, 即在 TCP 長連接中, 客戶端和服務(wù)器之間定期發(fā)送的一種特殊的數(shù)據(jù)包, 通知對方自己還在線, 以確保 TCP 連接的有效性.
為什么需要心跳
因為網(wǎng)絡(luò)的不可靠性, 有可能在 TCP 保持長連接的過程中, 由于某些突發(fā)情況, 例如網(wǎng)線被拔出, 突然掉電等, 會造成服務(wù)器和客戶端的連接中斷. 在這些突發(fā)情況下, 如果恰好服務(wù)器和客戶端之間沒有交互的話, 那么它們是不能在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)對方已經(jīng)掉線的. 為了解決這個問題, 我們就需要引入 心跳 機制.
心跳機制的工作原理是: 在服務(wù)器和客戶端之間一定時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)交互時, 即處于 idle 狀態(tài)時, 客戶端或服務(wù)器會發(fā)送一個特殊的數(shù)據(jù)包給對方, 當接收方收到這個數(shù)據(jù)報文后, 也立即發(fā)送一個特殊的數(shù)據(jù)報文, 回應(yīng)發(fā)送方, 此即一個 PING-PONG 交互. 自然地, 當某一端收到心跳消息后, 就知道了對方仍然在線, 這就確保 TCP 連接的有效性.
如何實現(xiàn)心跳
我們可以通過兩種方式實現(xiàn)心跳機制:
使用 TCP 協(xié)議層面的 keepalive 機制. 在應(yīng)用層上實現(xiàn)自定義的心跳機制.
雖然在 TCP 協(xié)議層面上, 提供了 keepalive 保活機制, 但是使用它有幾個缺點:
它不是 TCP 的標準協(xié)議, 并且是默認關(guān)閉的. TCP keepalive 機制依賴于操作系統(tǒng)的實現(xiàn), 默認的 keepalive 心跳時間是 兩個小時, 并且對 keepalive 的修改需要系統(tǒng)調(diào)用(或者修改系統(tǒng)配置), 靈活性不夠. TCP keepalive 與 TCP 協(xié)議綁定, 因此如果需要更換為 UDP 協(xié)議時, keepalive 機制就失效了.
雖然使用 TCP 層面的 keepalive 機制比自定義的應(yīng)用層心跳機制節(jié)省流量, 但是基于上面的幾點缺點, 一般的實踐中, 人們大多數(shù)都是選擇在應(yīng)用層上實現(xiàn)自定義的心跳.
既然如此, 那么我們就來大致看看在在 Netty 中是怎么實現(xiàn)心跳的吧. 在 Netty 中, 實現(xiàn)心跳機制的關(guān)鍵是 IdleStateHandler, 它可以對一個 Channel 的 讀/寫設(shè)置定時器, 當 Channel 在一定事件間隔內(nèi)沒有數(shù)據(jù)交互時(即處于 idle 狀態(tài)), 就會觸發(fā)指定的事件.
使用 Netty 實現(xiàn)心跳
上面我們提到了, 在 Netty 中, 實現(xiàn)心跳機制的關(guān)鍵是 IdleStateHandler, 那么這個 Handler 如何使用呢? 我們來看看它的構(gòu)造器:
public IdleStateHandler(int readerIdleTimeSeconds, int writerIdleTimeSeconds, int allIdleTimeSeconds) {
this((long)readerIdleTimeSeconds, (long)writerIdleTimeSeconds, (long)allIdleTimeSeconds, TimeUnit.SECONDS);
}
實例化一個 IdleStateHandler 需要提供三個參數(shù):
readerIdleTimeSeconds, 讀超時. 即當在指定的時間間隔內(nèi)沒有從 Channel 讀取到數(shù)據(jù)時, 會觸發(fā)一個 READER_IDLE 的 IdleStateEvent 事件. writerIdleTimeSeconds, 寫超時. 即當在指定的時間間隔內(nèi)沒有數(shù)據(jù)寫入到 Channel 時, 會觸發(fā)一個 WRITER_IDLE 的 IdleStateEvent 事件. allIdleTimeSeconds, 讀/寫超時. 即當在指定的時間間隔內(nèi)沒有讀或?qū)懖僮鲿r, 會觸發(fā)一個 ALL_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.
為了展示具體的 IdleStateHandler 實現(xiàn)的心跳機制, 下面我們來構(gòu)造一個具體的EchoServer 的例子, 這個例子的行為如下:
在這個例子中, 客戶端和服務(wù)器通過 TCP 長連接進行通信. TCP 通信的報文格式是:
+--------+-----+---------------+
| Length |Type | Content |
| 17 | 1 |"HELLO, WORLD" |
+--------+-----+---------------+
客戶端每隔一個隨機的時間后, 向服務(wù)器發(fā)送消息, 服務(wù)器收到消息后, 立即將收到的消息原封不動地回復(fù)給客戶端. 若客戶端在指定的時間間隔內(nèi)沒有讀/寫操作, 則客戶端會自動向服務(wù)器發(fā)送一個 PING 心跳, 服務(wù)器收到 PING 心跳消息時, 需要回復(fù)一個 PONG 消息.
通用部分
根據(jù)上面定義的行為, 我們接下來實現(xiàn)心跳的通用部分 CustomHeartbeatHandler:
/**
* @author xiongyongshun
* @version 1.0
*/
public abstract class CustomHeartbeatHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {
public static final byte PING_MSG = 1;
public static final byte PONG_MSG = 2;
public static final byte CUSTOM_MSG = 3;
protected String name;
private int heartbeatCount = 0;
public CustomHeartbeatHandler(String name) {
this.name = name;
}
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext context, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
if (byteBuf.getByte(4) == PING_MSG) {
sendPongMsg(context);
} else if (byteBuf.getByte(4) == PONG_MSG){
System.out.println(name + " get pong msg from " + context.channel().remoteAddress());
} else {
handleData(context, byteBuf);
}
}
protected void sendPingMsg(ChannelHandlerContext context) {
ByteBuf buf = context.alloc().buffer(5);
buf.writeInt(5);
buf.writeByte(PING_MSG);
context.writeAndFlush(buf);
heartbeatCount++;
System.out.println(name + " sent ping msg to " + context.channel().remoteAddress() + ", count: " + heartbeatCount);
}
private void sendPongMsg(ChannelHandlerContext context) {
ByteBuf buf = context.alloc().buffer(5);
buf.writeInt(5);
buf.writeByte(PONG_MSG);
context.channel().writeAndFlush(buf);
heartbeatCount++;
System.out.println(name + " sent pong msg to " + context.channel().remoteAddress() + ", count: " + heartbeatCount);
}
protected abstract void handleData(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf);
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
// IdleStateHandler 所產(chǎn)生的 IdleStateEvent 的處理邏輯.
if (evt instanceof IdleStateEvent) {
IdleStateEvent e = (IdleStateEvent) evt;
switch (e.state()) {
case READER_IDLE:
handleReaderIdle(ctx);
break;
case WRITER_IDLE:
handleWriterIdle(ctx);
break;
case ALL_IDLE:
handleAllIdle(ctx);
break;
default:
break;
}
}
}
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
System.err.println("---" + ctx.channel().remoteAddress() + " is active---");
}
@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
System.err.println("---" + ctx.channel().remoteAddress() + " is inactive---");
}
protected void handleReaderIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
System.err.println("---READER_IDLE---");
}
protected void handleWriterIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
System.err.println("---WRITER_IDLE---");
}
protected void handleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
System.err.println("---ALL_IDLE---");
}
}
類 CustomHeartbeatHandler 負責(zé)心跳的發(fā)送和接收, 我們接下來詳細地分析一下它的作用. 我們在前面提到, IdleStateHandler 是實現(xiàn)心跳的關(guān)鍵, 它會根據(jù)不同的 IO idle 類型來產(chǎn)生不同的 IdleStateEvent 事件, 而這個事件的捕獲, 其實就是在 userEventTriggered 方法中實現(xiàn)的.
我們來看看 CustomHeartbeatHandler.userEventTriggered 的具體實現(xiàn):
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
if (evt instanceof IdleStateEvent) {
IdleStateEvent e = (IdleStateEvent) evt;
switch (e.state()) {
case READER_IDLE:
handleReaderIdle(ctx);
break;
case WRITER_IDLE:
handleWriterIdle(ctx);
break;
case ALL_IDLE:
handleAllIdle(ctx);
break;
default:
break;
}
}
}
在 userEventTriggered 中, 根據(jù) IdleStateEvent 的 state() 的不同, 而進行不同的處理. 例如如果是讀取數(shù)據(jù) idle, 則 e.state() == READER_IDLE, 因此就調(diào)用 handleReaderIdle 來處理它.
CustomHeartbeatHandler 提供了三個 idle 處理方法: handleReaderIdle, handleWriterIdle, handleAllIdle, 這三個方法目前只有默認的實現(xiàn), 它需要在子類中進行重寫, 現(xiàn)在我們暫時略過它們, 在具體的客戶端和服務(wù)器的實現(xiàn)部分時再來看它們.
知道了這一點后, 我們接下來看看數(shù)據(jù)處理部分:
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext context, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
if (byteBuf.getByte(4) == PING_MSG) {
sendPongMsg(context);
} else if (byteBuf.getByte(4) == PONG_MSG){
System.out.println(name + " get pong msg from " + context.channel().remoteAddress());
} else {
handleData(context, byteBuf);
}
}
在 CustomHeartbeatHandler.channelRead0 中, 我們首先根據(jù)報文協(xié)議:
+--------+-----+---------------+
| Length |Type | Content |
| 17 | 1 |"HELLO, WORLD" |
+--------+-----+---------------+
來判斷當前的報文類型, 如果是 PING_MSG 則表示是服務(wù)器收到客戶端的 PING 消息, 此時服務(wù)器需要回復(fù)一個 PONG 消息, 其消息類型是 PONG_MSG.
扔報文類型是 PONG_MSG, 則表示是客戶端收到服務(wù)器發(fā)送的 PONG 消息, 此時打印一個 log 即可.
客戶端部分
客戶端初始化
public class Client {
public static void main(String[] args) {
NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup(4);
Random random = new Random(System.currentTimeMillis());
try {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap
.group(workGroup)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
ChannelPipeline p = socketChannel.pipeline();
p.addLast(new IdleStateHandler(0, 0, 5));
p.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, -4, 0));
p.addLast(new ClientHandler());
}
});
Channel ch = bootstrap.remoteAddress("127.0.0.1", 12345).connect().sync().channel();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
String content = "client msg " + i;
ByteBuf buf = ch.alloc().buffer();
buf.writeInt(5 + content.getBytes().length);
buf.writeByte(CustomHeartbeatHandler.CUSTOM_MSG);
buf.writeBytes(content.getBytes());
ch.writeAndFlush(buf);
Thread.sleep(random.nextInt(20000));
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
上面的代碼是 Netty 的客戶端端的初始化代碼, 使用過 Netty 的朋友對這個代碼應(yīng)該不會陌生. 別的部分我們就不再贅述, 我們來看看 ChannelInitializer.initChannel 部分即可:
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
ChannelPipeline p = socketChannel.pipeline();
p.addLast(new IdleStateHandler(0, 0, 5));
p.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, -4, 0));
p.addLast(new ClientHandler());
}
});
我們給 pipeline 添加了三個 Handler, IdleStateHandler 這個 handler 是心跳機制的核心, 我們?yōu)榭蛻舳硕嗽O(shè)置了讀寫 idle 超時, 時間間隔是5s, 即如果客戶端在間隔 5s 后都沒有收到服務(wù)器的消息或向服務(wù)器發(fā)送消息, 則產(chǎn)生 ALL_IDLE 事件.
接下來我們添加了 LengthFieldBasedFrameDecoder, 它是負責(zé)解析我們的 TCP 報文, 因為和本文的目的無關(guān), 因此這里不詳細展開.
最后一個 Handler 是 ClientHandler, 它繼承于 CustomHeartbeatHandler, 是我們處理業(yè)務(wù)邏輯部分.
客戶端 Handler
public class ClientHandler extends CustomHeartbeatHandler {
public ClientHandler() {
super("client");
}
@Override
protected void handleData(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf) {
byte[] data = new byte[byteBuf.readableBytes() - 5];
byteBuf.skipBytes(5);
byteBuf.readBytes(data);
String content = new String(data);
System.out.println(name + " get content: " + content);
}
@Override
protected void handleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
super.handleAllIdle(ctx);
sendPingMsg(ctx);
}
}
ClientHandler 繼承于 CustomHeartbeatHandler, 它重寫了兩個方法, 一個是 handleData, 在這里面實現(xiàn) 僅僅打印收到的消息.
第二個重寫的方法是 handleAllIdle. 我們在前面提到, 客戶端負責(zé)發(fā)送心跳的 PING 消息, 當客戶端產(chǎn)生一個 ALL_IDLE 事件后, 會導(dǎo)致父類的 CustomHeartbeatHandler.userEventTriggered 調(diào)用, 而 userEventTriggered 中會根據(jù) e.state() 來調(diào)用不同的方法, 因此最后調(diào)用的是 ClientHandler.handleAllIdle, 在這個方法中, 客戶端調(diào)用 sendPingMsg 向服務(wù)器發(fā)送一個 PING 消息.
服務(wù)器部分
服務(wù)器初始化
public class Server {
public static void main(String[] args) {
NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup(4);
try {
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap
.group(bossGroup, workGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
ChannelPipeline p = socketChannel.pipeline();
p.addLast(new IdleStateHandler(10, 0, 0));
p.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, -4, 0));
p.addLast(new ServerHandler());
}
});
Channel ch = bootstrap.bind(12345).sync().channel();
ch.closeFuture().sync();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
服務(wù)器的初始化部分也沒有什么好說的, 它也和客戶端的初始化一樣, 為 pipeline 添加了三個 Handler.
服務(wù)器 Handler
public class ServerHandler extends CustomHeartbeatHandler {
public ServerHandler() {
super("server");
}
@Override
protected void handleData(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf buf) {
byte[] data = new byte[buf.readableBytes() - 5];
ByteBuf responseBuf = Unpooled.copiedBuffer(buf);
buf.skipBytes(5);
buf.readBytes(data);
String content = new String(data);
System.out.println(name + " get content: " + content);
channelHandlerContext.write(responseBuf);
}
@Override
protected void handleReaderIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
super.handleReaderIdle(ctx);
System.err.println("---client " + ctx.channel().remoteAddress().toString() + " reader timeout, close it---");
ctx.close();
}
}
ServerHandler 繼承于 CustomHeartbeatHandler, 它重寫了兩個方法, 一個是 handleData, 在這里面實現(xiàn) EchoServer 的功能: 即收到客戶端的消息后, 立即原封不動地將消息回復(fù)給客戶端.
第二個重寫的方法是 handleReaderIdle, 因為服務(wù)器僅僅對客戶端的讀 idle 感興趣, 因此只重新了這個方法. 若服務(wù)器在指定時間后沒有收到客戶端的消息, 則會觸發(fā) READER_IDLE 消息, 進而會調(diào)用 handleReaderIdle 這個方法.
我們在前面提到, 客戶端負責(zé)發(fā)送心跳的 PING 消息, 并且服務(wù)器的 READER_IDLE 的超時時間是客戶端發(fā)送 PING 消息的間隔的兩倍, 因此當服務(wù)器 READER_IDLE 觸發(fā)時, 就可以確定是客戶端已經(jīng)掉線了, 因此服務(wù)器直接關(guān)閉客戶端連接即可.
總結(jié)
使用 Netty 實現(xiàn)心跳機制的關(guān)鍵就是利用 IdleStateHandler 來產(chǎn)生對應(yīng)的 idle 事件. 一般是客戶端負責(zé)發(fā)送心跳的 PING 消息, 因此客戶端注意關(guān)注 ALL_IDLE 事件, 在這個事件觸發(fā)后, 客戶端需要向服務(wù)器發(fā)送 PING 消息, 告訴服務(wù)器"我還存活著". 服務(wù)器是接收客戶端的 PING 消息的, 因此服務(wù)器關(guān)注的是 READER_IDLE 事件, 并且服務(wù)器的 READER_IDLE 間隔需要比客戶端的 ALL_IDLE 事件間隔大(例如客戶端ALL_IDLE 是5s 沒有讀寫時觸發(fā), 因此服務(wù)器的 READER_IDLE 可以設(shè)置為10s) 當服務(wù)器收到客戶端的 PING 消息時, 會發(fā)送一個 PONG 消息作為回復(fù). 一個 PING-PONG 消息對就是一個心跳交互.
實現(xiàn)客戶端的斷線重連
public class Client {
private NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup(4);
private Channel channel;
private Bootstrap bootstrap;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Client client = new Client();
client.start();
client.sendData();
}
public void sendData() throws Exception {
Random random = new Random(System.currentTimeMillis());
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (channel != null && channel.isActive()) {
String content = "client msg " + i;
ByteBuf buf = channel.alloc().buffer(5 + content.getBytes().length);
buf.writeInt(5 + content.getBytes().length);
buf.writeByte(CustomHeartbeatHandler.CUSTOM_MSG);
buf.writeBytes(content.getBytes());
channel.writeAndFlush(buf);
}
Thread.sleep(random.nextInt(20000));
}
}
public void start() {
try {
bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap
.group(workGroup)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
ChannelPipeline p = socketChannel.pipeline();
p.addLast(new IdleStateHandler(0, 0, 5));
p.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, -4, 0));
p.addLast(new ClientHandler(Client.this));
}
});
doConnect();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
protected void doConnect() {
if (channel != null && channel.isActive()) {
return;
}
ChannelFuture future = bootstrap.connect("127.0.0.1", 12345);
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
public void operationComplete(ChannelFuture futureListener) throws Exception {
if (futureListener.isSuccess()) {
channel = futureListener.channel();
System.out.println("Connect to server successfully!");
} else {
System.out.println("Failed to connect to server, try connect after 10s");
futureListener.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
doConnect();
}
}, 10, TimeUnit.SECONDS);
}
}
});
}
}
上面的代碼中, 我們抽象出 doConnect 方法, 它負責(zé)客戶端和服務(wù)器的 TCP 連接的建立, 并且當 TCP 連接失敗時, doConnect 會 通過 channel().eventLoop().schedule 來延時10s 后嘗試重新連接.
客戶端 Handler
public class ClientHandler extends CustomHeartbeatHandler {
private Client client;
public ClientHandler(Client client) {
super("client");
this.client = client;
}
@Override
protected void handleData(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf) {
byte[] data = new byte[byteBuf.readableBytes() - 5];
byteBuf.skipBytes(5);
byteBuf.readBytes(data);
String content = new String(data);
System.out.println(name + " get content: " + content);
}
@Override
protected void handleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx) {
super.handleAllIdle(ctx);
sendPingMsg(ctx);
}
@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
super.channelInactive(ctx);
client.doConnect();
}
}
斷線重連的關(guān)鍵一點是檢測連接是否已經(jīng)斷開. 因此我們改寫了 ClientHandler, 重寫了 channelInactive 方法. 當 TCP 連接斷開時, 會回調(diào) channelInactive 方法, 因此我們在這個方法中調(diào)用 client.doConnect() 來進行重連。
作者：永順
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