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基于netty的网络聊天室(一)——基础框架搭建

2016-02-17 23:28 609 查看
最近在学习Netty框架,使用的学习教材是李林锋著的《Netty权威指南》。国内关于netty的书籍几乎没有,这本书算是比较好的入门资源了。

我始终觉得,学习一个新的框架,除了研究框架的源代码之外,还应该使用该框架开发一个实际的小应用。为此,我选择Netty作为通信框架,开发一个模仿QQ的聊天室。

基本框架是这样设计的,使用Netty作为通信网关,使用JavaFX开发客户端界面,使用Spring作为IOC容器,使用MyBatics支持持久化。本文将着重介绍Netty的私有协议栈开发,使用的Netty版本是最新的5.0.0.Alpha2版本。

服务端程序代码:

流程步骤:

1.启动Reactor线程组监听客户端链路的连接与IO网络读写。

package com.kingston.netty;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldPrepender;
import io.netty.handler.timeout.IdleStateHandler;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;

import com.kingston.net.codec.PacketDecoder;
import com.kingston.net.codec.PacketEncoder;

public class NettyChatServer {

public void bind(int port) throws IOException{
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
System.err.println("服务端已启动,正在监听用户的请求......");
try{
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup,workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
.childHandler(new ChildChannelHandler());

ChannelFuture f = b.bind(new InetSocketAddress(port))
.sync();
f.channel().closeFuture().sync();
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}

private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel>{

@Override
protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = arg0.pipeline();
pipeline.addLast(new PacketDecoder(1024*1, 0,2,0,2));
pipeline.addLast(new LengthFieldPrepender(2));
pipeline.addLast(new PacketEncoder());
pipeline.addLast("idleStateHandler", new IdleStateHandler(10, 0, 0));
pipeline.addLast(new ChatServerHandler());
}
}

}


2.私有协议栈的设计。私有协议栈主要用于跨进程的数据通信,只能用于企业内部,协议设计比较灵巧方便。

在这里,消息定义将消息头和消息体融为一体。将消息的第一个short数据视为消息的类型,服务端将根据消息类型处理不同的业务逻辑。定义Packet抽象类,抽象方法

readFromBuff(ByteBuf buf) 和 writePacketMsg(ByteBuf buf) 作为读写数据的抽象行为,而具体的读写方式由相应的子类去实现。代码如下:

package com.kingston.net;
import io.netty.buffer.ByteBuf;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
public abstract  class Packet {

//	protected String userId;

public void writeToBuff(ByteBuf buf){
buf.writeShort(getPacketType().getType());
writePacketMsg(buf);
}

abstract public void  writePacketMsg(ByteBuf buf);

abstract public void  readFromBuff(ByteBuf buf);

abstract public PacketType  getPacketType();

abstract public void execPacket();

protected  String readUTF8(ByteBuf buf){
int strSize = buf.readInt();
byte[] content = new byte[strSize];
buf.readBytes(content);
try {
return new String(content,"UTF-8");
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
return "";
}

}

protected  void writeUTF8(ByteBuf buf,String msg){
byte[] content ;
try {
content = msg.getBytes("UTF-8");
buf.writeInt(content.length);
buf.writeBytes(content);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
}

}
在这里需要注意的是,由于Netty通信本质上传送的是byte数据,无法直接传送String字段串,需要先经过简单的编解码成字节数组才能传送。

3.POJO对象的编码与解码

数据发送方发送载体为ByteBuf,因此在发包时,需要将POJO对象进行编码。本项目使用Netty自带的编码器MessageToByteEncoder,实现自定义的编码方式。代码如下:

package com.kingston.net;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.MessageToByteEncoder;

public class PacketEncoder extends MessageToByteEncoder<Packet> {

@Override
protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Packet msg, ByteBuf out)
throws Exception {
msg.writeToBuff(out);
}

}

接收方实际接收ByteBuf数据,需要将其解码成对应的POJO对象,才能处理对应的逻辑。本项目使用Netty自带的解码器ByteToMessageDecoder(LengthFieldBasedFrameDecoder继承自ByteToMessageDecoder,其作用见下文),实现自定义的解码方式。代码如下:

package com.kingston.net.codec;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;

import com.kingston.net.Packet;
import com.kingston.net.PacketManager;

public class PacketDecoder extends LengthFieldBasedFrameDecoder{

public PacketDecoder(int maxFrameLength,
int lengthFieldOffset, int lengthFieldLength,
int lengthAdjustment, int initialBytesToStrip
) {
super(maxFrameLength, lengthFieldOffset, lengthFieldLength,
lengthAdjustment, initialBytesToStrip);
}

@Override
public Object decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) throws Exception {
ByteBuf frame = (ByteBuf)(super.decode(ctx, in));
if(frame.readableBytes() <= 0) return null ;
short packetType = frame.readShort();
Packet packet = PacketManager.createNewPacket(packetType);
packet.readFromBuff(frame);

return packet;
}

}


通信协议将包头的第一个short数据视为包类型,根据包类型反射拿到对应的包class定义,调用抽象读取方法完成消息体的读取。

4.消息协议的解析与执行

消息使用第一个short数据作为消息的类型。为了区分每一个消息协议包,需要有一个数据结构缓存各种协议的类型与对应的消息包定义。为此,使用枚举类定义所有的协议包。代码如下:

package com.kingston.net;

import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

import com.kingston.service.login.ClientLogin;
import com.kingston.service.login.ServerHearBeat;
import com.kingston.service.login.ServerLogin;

public enum PacketType {
//业务上行数据包
ServerLogin((short)0x0001,ServerLogin.class),
ServerHearBeat((short)0x0002,ServerHearBeat.class),

//业务下行数据包
ClientLogin((short)0x2000,ClientLogin.class),
;

private short type;
private Class<? extends Packet> packetClass;
private static Map<Short,Class<? extends Packet>> PACKET_CLASS_MAP = new HashMap<Short,Class<? extends Packet>>();

static{
//使用Map数据结构,缓存包类型与对应的实体类的映射关系
Set<Short> typeSet = new HashSet<Short>();
for(PacketType p:PacketType.values()){
Short type = p.getType();
if(typeSet.contains(type)){
throw new IllegalStateException("packet type 协议类型重复"+type);
}
PACKET_CLASS_MAP.put(type,p.getPacketClass());
typeSet.add(type);
}
}
PacketType(short type,Class<? extends Packet> packetClass){
this.setType(type);
this.packetClass = packetClass;
}

public short getType() {
return type;
}

public void setType(short type) {
this.type = type;
}

public Class<? extends Packet> getPacketClass() {
return packetClass;
}

public void setPacketClass(Class<? extends Packet> packetClass) {
this.packetClass = packetClass;
}

public static  Class<? extends Packet> getPacketClassBy(short packetType){
return PACKET_CLASS_MAP.get(packetType);
}

//	public static void main(String[] args) {
//		for(PacketType p:PacketType.values()){
//			System.err.println(p.getPacketClass().getSimpleName());
//		}
//	}

}

PacketType枚举类中有一段静态代码块,在初始化时缓存所有包类型与对应的实体类的映射关系。这样,就可以根据包类型,直接拿到对应的Packet子类。

经过解码反射得到完整的消息包定义后,就可以通过反射机制,调用相应的业务方法。该步骤由包执行器完成,代码如下:

package com.kingston.net;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class PacketExecutor {

public static void execPacket(Packet pact){
if(pact == null) return;

try {
Method m = pact.getClass().getMethod("execPacket");
m.invoke(pact, null);
} catch (NoSuchMethodException | SecurityException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalArgumentException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
}

}

包执行器其实是根据反射,调用对应子类消息包的业务处理方法。

到这里,读者应该可以感受抽象包Packet的定义是该通信机制的精华部分。正是有了abstract public void readFromBuff(ByteBuf buf);abstract public void writePacketMsg(ByteBuf buf);abstract public
void execPacket()三个抽象方法,才能将各种消息包的读写、业务逻辑相互隔离。

写到这里,我不禁回想起大学期间做过的一个聊天室课程设计。当初,我采用Java作为服务器,flash作为客户端,基于socket进行通信。通信消息体只有一个长字符串,通信双方根据不同消息类型将字符串作多次分隔。如果当初协议类型再多几个的话,估计想死的心都有了。

5.半包读写解决之道

MessageToByteEncoder 和 ByteToMessageDecoder两个类只是解决POJO的编解码,并没有处理粘包,拆包的异常情况。在本例中,使用LengthFieldBasedFrameDecoder和LengthFieldPrepender两个工具类,就可以轻松解决半包读写异常。

6.服务端与客户端数据通信方式

客户端tcp链路建立后,服务端必须缓存对应的ChannelHandlerContext对象。这样,服务端就可以向所有连接的用户发送数据了。发送数据基础服务类代码如下:

package com.kingston.base;

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

import com.kingston.net.Packet;
import com.kingston.util.StringUtil;

public class ServerManager {

//缓存所有登录用户对应的通信上下文环境(主要用于业务数据处理)
private static Map<Integer,ChannelHandlerContext> USER_CHANNEL_MAP  = new ConcurrentHashMap<>();
//缓存通信上下文环境对应的登录用户(主要用于服务)
private static Map<ChannelHandlerContext,Integer> CHANNEL_USER_MAP  = new ConcurrentHashMap<>();

public static void sendPacketTo(Packet pact,String userId){
if(pact == null || StringUtil.isEmpty(userId)) return;

Map<Integer,ChannelHandlerContext> contextMap  = USER_CHANNEL_MAP;
if(StringUtil.isEmpty(contextMap)) return;

ChannelHandlerContext targetContext = contextMap.get(userId);
if(targetContext == null) return;

targetContext.writeAndFlush(pact);
}

/**
*  向所有在线用户发送数据包
*/
public static void sendPacketToAllUsers(Packet pact){
if(pact == null ) return;
Map<Integer,ChannelHandlerContext> contextMap  = USER_CHANNEL_MAP;
if(StringUtil.isEmpty(contextMap)) return;

contextMap.values().forEach( (ctx) -> ctx.writeAndFlush(pact));

}

/**
*  向单一在线用户发送数据包
*/
public static void sendPacketTo(Packet pact,ChannelHandlerContext targetContext ){
if(pact == null || targetContext == null) return;
targetContext.writeAndFlush(pact);
}

public static ChannelHandlerContext getOnlineContextBy(String userId){
return USER_CHANNEL_MAP.get(userId);
}

public static void addOnlineContext(Integer userId,ChannelHandlerContext context){
if(context == null){
throw new NullPointerException();
}
USER_CHANNEL_MAP.put(userId,context);
CHANNEL_USER_MAP.put(context, userId);
}

/**
*  注销用户通信渠道
*/
public static void ungisterUserContext(ChannelHandlerContext context ){
if(context  != null){
int userId = CHANNEL_USER_MAP.getOrDefault(context,0);
CHANNEL_USER_MAP.remove(context);
USER_CHANNEL_MAP.remove(userId);
context.close();
}
}

}


7.服务端验证用户登录的简单demo

demo流程为客户端发送一个以Server开头命名的上行包到服务端,服务端接受数据后,直接发送一个以Client开头命名的响应包到客户端。

上行包ServerLogin代码如下:

package com.kingston.service.login;

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

import com.kingston.base.ServerManager;

public class LoginManagerImpl implements LoginManager{

//	@Autowired
//	private UserDao userDao;

@Override
public void validateLogin(ChannelHandlerContext context,Integer userId, String password) {
boolean isValid = validate(userId, password);
ClientLogin resp = new ClientLogin();
resp.setAlertMsg("成功登录");
if(isValid){
resp.setIsValid((byte)1);
ServerManager.addOnlineContext(userId, context);
}
ServerManager.sendPacketTo(resp, context);
}

/**
*  验证帐号密码是否一致
*/
private boolean validate(Integer userId, String password){
//		userDao = (UserDao) ServerDataPool.SPRING_BEAN_FACTORY .getBean(User.class);
//		User user = userDao.findById(userId);
//		if(user == null) return false;
//
//		return user.getPassword().equals(password);

return true;
}

}
下行包ClientLogin代码如下:

package com.kingston.service.login;

import io.netty.buffer.ByteBuf;

import com.kingston.net.Packet;
import com.kingston.net.PacketType;

public class ClientLogin extends Packet{

private String alertMsg;
private byte isValid;

@Override
public void writePacketMsg(ByteBuf buf) {
writeUTF8(buf, alertMsg);
buf.writeByte(isValid);
}

@Override
public void readFromBuff(ByteBuf buf) {
this.alertMsg = readUTF8(buf);
this.isValid = buf.readByte();
}

@Override
public PacketType getPacketType() {
return PacketType.ClientLogin;
}

@Override
public void execPacket() {
System.err.println("收到服务端的验证消息,"+alertMsg);
}

public String getAlertMsg() {
return alertMsg;
}

public void setAlertMsg(String alertMsg) {
this.alertMsg = alertMsg;
}

public byte getIsValid() {
return isValid;
}

public void setIsValid(byte isValid) {
this.isValid = isValid;
}

}
处理登录逻辑的管理类代码如下:

package com.kingston.service.login;

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

import com.kingston.base.ServerManager;

public class LoginManagerImpl implements LoginManager{

//	@Autowired
//	private UserDao userDao;

@Override
public void validateLogin(ChannelHandlerContext context,Integer userId, String password) {
boolean isValid = validate(userId, password);
ClientLogin resp = new ClientLogin();
resp.setAlertMsg("成功登录");
if(isValid){
resp.setIsValid((byte)1);
ServerManager.addOnlineContext(userId, context);
}
ServerManager.sendPacketTo(resp, context);
}

/**
*  验证帐号密码是否一致
*/
private boolean validate(Integer userId, String password){
//		userDao = (UserDao) ServerDataPool.SPRING_BEAN_FACTORY .getBean(User.class);
//		User user = userDao.findById(userId);
//		if(user == null) return false;
//
//		return user.getPassword().equals(password);

return true;
}

}
至此,服务端主要通信逻辑基本完成。

客户端程序代码:

客户端私有协议跟编解码方式跟服务端完全一致。客户端主要关注数据界面的展示。下面只给出启动应用程序的代码,以及测试通信的示例代码。

1.启动Reactor线程组建立与服务端的的连接,以及处理IO网络读写。

程序启动方式跟服务端类似,具体代码如下:

package com.kingston.netty;

import com.kingston.net.PacketDecoder;
import com.kingston.net.PacketEncoder;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldPrepender;

public class NettyChatClient {

public void connect(int port,String host) throws Exception{
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try{
Bootstrap b  = new Bootstrap();
b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>(){

@Override
protected void initChannel(SocketChannel arg0)
throws Exception {

arg0.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024*1, 0,2,0,2));
arg0.pipeline().addLast(new PacketDecoder());
arg0.pipeline().addLast(new LengthFieldPrepender(2));
arg0.pipeline().addLast(new PacketEncoder());
arg0.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
}

});

ChannelFuture f = b.connect(host,port).sync();
f.channel().closeFuture().sync();
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
group.shutdownGracefully();
}
}

}
处理业务逻辑的ChannelHandler代码如下:

package com.kingston.netty;

import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelPromise;

import com.kingston.net.Packet;
import com.kingston.net.PacketExecutor;
import com.kingston.service.login.ServerLogin;

public class NettyClientHandler extends ChannelHandlerAdapter{

public NettyClientHandler(){

}

@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx){
ServerLogin loginPact = new ServerLogin();
loginPact.setUserName("Netty爱好者");
loginPact.setUserPwd("world");
ctx.writeAndFlush(loginPact);
System.err.println("向服务端发送登录请求");
//		StartApp.channelContext = ctx;
}

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
throws Exception{
Packet  packet = (Packet)msg;

PacketExecutor.execPacket(packet);
}

@Override
public void close(ChannelHandlerContext ctx,ChannelPromise promise){
System.err.println("TCP closed...");
ctx.close(promise);
}

@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
System.err.println("客户端关闭1");
}

@Override
public void disconnect(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception {
ctx.disconnect(promise);
System.err.println("客户端关闭2");
}

@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
System.err.println("客户端关闭3");
//	        ctx.fireExceptionCaught(cause);
Channel channel = ctx.channel();
cause.printStackTrace();
if(channel.isActive()){
System.err.println("simpleclient"+channel.remoteAddress()+"异常");
//			    ctx.close();
}
}
}


先启动服务器,再启动客户端,即可看到客户端的打印输出



至此,聊天室的登录流程基本完成。限于篇幅,此demo例子并没有出现spring,mybatic,javafx相关代码,但是私有协议通信方式代码已全部给出。有了一个用户登录的例子,相信构建其他得业务逻辑也不会太困难。

最后,说下写代码的历程。这个demo是我春节宅家期间,利用零碎时间做的,平均一天一个小时。很多开发人员应该有这样的经历,看书的时候往往觉得都能理解,但实际上自己动手就会遇到各种卡思路。在做这个demo时,我更多时间是花在查资料上。

我也会继续往这个项目添加功能,让它看起来越来越“炫”。(^-^)如果开发过程中,有比较好的设计思想,我会再写点文字,跟各地的高手取下经。
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