Nettyの网络聊天室扩展序列化算法

news2024/11/23 8:06:54

1、网络聊天室综合案例

        客户端初始代码：

@Slf4j
public class ChatClient {
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        LoggingHandler LOGGING_HANDLER = new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG);
        MessageCodecSharable MESSAGE_CODEC = new MessageCodecSharable();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(group);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new ProcotolFrameDecoder());
                    ch.pipeline().addLast(LOGGING_HANDLER);
                    ch.pipeline().addLast(MESSAGE_CODEC);
                }
            });
            Channel channel = bootstrap.connect("localhost", 8080).sync().channel();
            channel.closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

        服务器初始代码：

@Slf4j
public class ChatServer {
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        LoggingHandler LOGGING_HANDLER = new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG);
        MessageCodecSharable MESSAGE_CODEC = new MessageCodecSharable();
        try {
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
            serverBootstrap.group(boss, worker);
            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new ProcotolFrameDecoder());
                    ch.pipeline().addLast(LOGGING_HANDLER);
                    ch.pipeline().addLast(MESSAGE_CODEC);
                }
            });
            Channel channel = serverBootstrap.bind(8080).sync().channel();
            channel.closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("server error", e);
        } finally {
            boss.shutdownGracefully();
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}
        1.1、登录业务

        业务流程：

  1. 客户端流水线上新增一个入站处理器，处理登录逻辑，有连接建立时触发的channelActive事件（处理登录逻辑）和channelRead事件（获取服务器返回登录的结果）。
  2. 入站处理器中异步操作，封装LoginRequestMessage消息请求对象，通过ctx.writeAndFlush发送给服务器，并且触发该入站处理器之前的所有出站处理器（消息编解码器，日志打印），然后陷入阻塞等待服务器返回结果
  3. 服务器创建一个自定义的Handle，专门监听客户端的LoginRequestMessage消息请求对象。
  4. 服务器对登录信息进行校验，如果登录信息正确则临时保存（将用户的channel和用户名绑定）。
  5. 服务器封装LoginResponseMessage消息响应对象，通过channelHandlerContext.writeAndFlush方法将消息发送给客户端，并且触发该入站处理器前的所有出站处理器（消息编解码器，日志打印）。
  6. 将自定义的Handle注册到服务器的流水线上。
  7. 客户端channelRead接收到服务器返回的结果，将结果记录，并且结束阻塞（无论是否登录成功）
  8. 客户端根据结果执行不同的业务逻辑，成功则让用户选择菜单，失败则断开连接。

        客户端，在流水线上新增一个入站处理器，专门处理登录相关逻辑：

        注意点：

  1. 使用channelActive，确保该入站处理器是在连接建立时触发。
  2. 并非在Netty的主线程中处理登录相关逻辑，而是新开启一个线程异步地处理，相应地，线程间的通信使用countDownLatch （判断是否拿到服务器端的返回结果）和 AtomicBoolean （判断服务器端返回的结果，是否登录成功）。

        成员位置：

CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
AtomicBoolean loginResult = new AtomicBoolean(false);
 //编写登录逻辑
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        /**
                         * 连接建立时触发，输入用户名和密码，传给后端校验
                         * @param ctx
                         * @throws Exception
                         */
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            new Thread(() -> {
                                Scanner sc = new Scanner(System.in);
                                System.out.println("请输入用户名");
                                String username = sc.nextLine();
                                System.out.println("请输入密码");
                                String password = sc.nextLine();
                                LoginRequestMessage requestMessage = new LoginRequestMessage(username, password, null);
                                //发送给后端 后端有一个专门的处理器去处理请求信息并且返回结果
                                ctx.writeAndFlush(requestMessage);

                                try {
                                    countDownLatch.await();
                                } catch (InterruptedException e) {
                                    e.printStackTrace();
                                }
                                boolean result = loginResult.get();
                                //登录成功
                                if (result) {
                                    while (true) {
                                        System.out.println("==================================");
                                        System.out.println("send [username] [content]");
                                        System.out.println("gsend [group name] [content]");
                                        System.out.println("gcreate [group name] [m1,m2,m3...]");
                                        System.out.println("gmembers [group name]");
                                        System.out.println("gjoin [group name]");
                                        System.out.println("gquit [group name]");
                                        System.out.println("quit");
                                        System.out.println("==================================");
                                        String command = sc.nextLine();
                                        String[] s = command.split(" ");
                                        switch (s[0]) {
                                            case "send":
                                                ctx.writeAndFlush(new ChatRequestMessage(username, s[1], s[2]));
                                                break;
                                            case "gsend":
                                                ctx.writeAndFlush(new GroupChatRequestMessage(username, s[1], s[2]));
                                                break;
                                            case "gcreate":
                                                Set<String> set = new HashSet<>(Arrays.asList(s[2].split(",")));
                                                set.add(username); // 加入自己
                                                ctx.writeAndFlush(new GroupCreateRequestMessage(s[1], set));
                                                break;
                                            case "gmembers":
                                                ctx.writeAndFlush(new GroupMembersRequestMessage(s[1]));
                                                break;
                                            case "gjoin":
                                                ctx.writeAndFlush(new GroupJoinRequestMessage(username, s[1]));
                                                break;
                                            case "gquit":
                                                ctx.writeAndFlush(new GroupQuitRequestMessage(username, s[1]));
                                                break;
                                            case "quit":
                                                ctx.channel().close();
                                                return;
                                        }
                                    }
                                } else {
                                    //密码错误就关闭连接，触发 channel.closeFuture().sync();
                                    ctx.channel().close();
                                }
                            }, "login").start();

                        }

                        /**
                         * 接受后端返回的登录校验结果
                         * @param ctx
                         * @param msg
                         * @throws Exception
                         */
                        @Override
                        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                            log.debug("登录结果:{}", msg);
                            //记录状态
                            if (msg instanceof LoginResponseMessage) {
                                LoginResponseMessage responseMessage = (LoginResponseMessage) msg;
                                if (responseMessage.isSuccess()) {
                                    loginResult.compareAndSet(false, true);
                                }
                                countDownLatch.countDown();
                            }
                        }
                    });

        服务器端：

        注意点：

  1. 自定义一个Handler，继承SimpleChannelInboundHandler，只关注客户端发送的登录请求。
  2. 登录成功后，将当前会话信息临时进行保存。
@ChannelHandler.Sharable
@Slf4j
public class LoginRequesHandler extends SimpleChannelInboundHandler<LoginRequestMessage> {
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, LoginRequestMessage loginRequestMessage) throws Exception {
        String username = loginRequestMessage.getUsername();
        String password = loginRequestMessage.getPassword();
        boolean loginSuccess = UserServiceFactory.getUserService().login(username, password);
        LoginResponseMessage responseMessage = null;
        if (loginSuccess) {
            //保存会话信息 key channel value 当前登录人 zhangsan lisi
            Channel channel = channelHandlerContext.channel();
            SessionFactory.getSession().bind(channel, loginRequestMessage.getUsername());
            responseMessage = new LoginResponseMessage(true, "登录成功！");
            log.info("账号：{}登录成功,绑定的交换机:{}",username,channel);
        } else {
            responseMessage = new LoginResponseMessage(false, "登录失败！");
        }
        //将结果返回给前端
        channelHandlerContext.writeAndFlush(responseMessage);
    }
}

        将自定义Handler注册到流水线上：

//接受前端传递的用户名和密码并校验，然后返回给前端登录结果
//指定关注的消息类型为LoginRequestMessage
ch.pipeline().addLast(new LoginRequesHandler());
    
        1.2、发送消息（单聊）

        客户端：

        如果用户在菜单中选择send，则触发单聊功能。

        

        通过ctx.writeAndFlush发送封装好的单聊消息请求，并且触发在这之前的所有出站消息。

 ctx.writeAndFlush(new ChatRequestMessage(username, s[1], s[2]));

        服务器端：

        注册一个ChatRequestHandler处理器，继承SimpleChannelInboundHandler，专门处理客户端传递的单聊请求。

        注意点：

  1. 发送消息之前需要检查收件人是否在线，通过用户名去查询对应的channel是否存在（如果该用户已登录，必定会将自己的用户名和channel绑定）
  2. 拿到收件人的channel后，利用收件人的channel向收件人的客户端发送消息。

         1.3、创建聊天群组

        客户端：

        如果用户在菜单中选择gcreate，则触发创建聊天群组功能：

        封装GroupCreateRequestMessage创建聊天群组请求对象，并且调用ctx.writeAndFlush触发之前所有的出站处理器。

ctx.writeAndFlush(new GroupCreateRequestMessage(s[1], set));

        服务器端：

        创建一个自定义的Handler，继承SimpleChannelInboundHandler，专门监听客户端的GroupCreateRequestMessage。

        注意点：

  1. 首先需要判断群聊是否存在，如果存在就不能重复创建。
  2. 创建成功后拿到所有群组成员的channel，向各自的客户端发送GroupChatResponseMessage消息响应对象。

        

        1.4、发送消息（群聊）

        客户端：

         如果用户在菜单中选择gsend，则触发创建聊天群组功能：

        封装GroupChatRequestMessage创建群聊请求对象，并且调用ctx.writeAndFlush触发之前所有的出站处理器。 

 ctx.writeAndFlush(new GroupChatRequestMessage(username, s[1], s[2]));

        服务器端：

        创建一个Handler继承SimpleChannelInboundHandler专门监听GroupChatRequestMessage群聊消息请求。

      
         1.5、心跳消息监测

        有时服务器长时间没有接收到客户端发出的消息，可能是因为网络设备出现故障， 网络不稳定，应用程序发生阻塞等原因，称之为连接假死。

        这时我们应该及时地去释放资源，那么如何去判定是否发生连接假死？如果通过常规的超时机制难以判定，因为连接本身并没有断开，但数据无法正常传输。

        可以通过心跳监测机制去实现。客户端和服务器之间定期互相发送心跳消息，对方在一定时间内收到心跳消息后，会发送一个确认消息，表示连接仍然正常。如果一方在指定时间内未收到对方的心跳消息，就认为连接可能已经中断或假死。

        心跳机制通常运用于分布式系统和实时通信中，eureka运用的便是心跳检测机制。

        如果需要在Netty框架中使用心跳消息监测，需要在服务器端的流水线上加入：

  • IdleStateHandler：是 Netty 提供的一个处理器，用于检测连接的空闲状态，可以分为读空闲，写空闲和读写空闲。
  • ChannelDuplexHandler：是一个入站/出站双向的处理器，在其中加入userEventTriggered，它是一个自定义的处理器，当IdleStateHandler检测到空闲事件后，会触发IdleStateEvent，被userEventTriggered捕获。

        服务器端关注的是读空闲。

                    //空闲检测
                    ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(5, 0, 0));
//                    //双向监测 入站和出站
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelDuplexHandler() {
                        /**
                         * 用户自定义事件
                         * @param ctx
                         * @param evt
                         * @throws Exception
                         */
                        @Override
                        public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
                            if (evt instanceof IdleStateEvent) {
                                IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
                                if (event.state().equals(IdleState.READER_IDLE)) {
                                    log.debug("已经5s未读取到数据了");
                                    ctx.channel().close();
                                }
                            }
                        }
                    });

        同时在客户端中加入，客户端关注的是写空闲，如果一定时间内没有向客户端发送消息，就发送默认的心跳消息确认双方都是存活的。


                    //如果三秒内没有向服务器写出数据，就发送心跳消息
                    ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(0, 3, 0));
//                    双向监测 入站和出站
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelDuplexHandler() {
                        /**
                         * 用户自定义事件
                         * @param ctx
                         * @param evt
                         * @throws Exception
                         */
                        @Override
                        public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
                            if (evt instanceof IdleStateEvent) {
                                IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
                                if (event.state().equals(IdleState.WRITER_IDLE)) {
                                    log.debug("已经3s未写入数据了，发送默认消息");
                                    ctx.writeAndFlush(new PingMessage());
                                }
                            }
                        }
                    });

        如果超过一定的时间，客户端没有向服务器发送消息或心跳，则服务器默认客户端已经假死，就会断开连接释放资源。

        

        1.6、退出

        退出分为在客户端选择quit正常退出，以及异常退出的情况，服务器端为了处理这两种情况，需要在流水线上加入一个自定义的QuitHandler：

        创建一个自定义的QuitHandler，继承ChannelInboundHandlerAdapter接口，重写其中的

channelInactive和exceptionCaught方法

  // 当连接断开时触发 inactive 事件
    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        SessionFactory.getSession().unbind(ctx.channel());
        log.debug("{} 已经断开", ctx.channel());
    }

	// 当出现异常时触发
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        SessionFactory.getSession().unbind(ctx.channel());
        log.debug("{} 已经异常断开 异常是{}", ctx.channel(), cause.getMessage());
    }

2、扩展序列化算法

        在自定义通讯协议时，消息的传输使用到了序列化算法，当时使用的是JDK默认的序列化算法：

        序列化：

// 6. 获取内容的字节数组
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(msg);
byte[] bytes = bos.toByteArray();

        反序列化：

int length = in.readInt();
byte[] bytes = new byte[length];
in.readBytes(bytes, 0, length);
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
Message message = (Message) ois.readObject();

        这里介绍一种不需要修改代码，只需要修改配置文件达成序列化方式切换的思路：

        application.properties

serializer.algorithm=JSON

        创建一个接口，定义序列化和反序列化方法的模版：

public interface Serialized {

    /**
     * 序列化
     *
     * @param object 将要序列化的对象
     * @param <T>
     * @return 序列化后的byte数组
     */
    <T> byte[] serialized(T object);


    /**
     * 反序列化
     *
     * @param clazz 将要反序列化成的对象的类型
     * @param bytes 序列化的byte数组
     * @param <T>
     * @return 反序列化后的对象
     */
    <T> T deSerialized(Class<T> clazz, byte[] bytes);


  
}

        定义一个枚举类，实现接口，分别编写使用JDK自带的方式序列化以及使用JSON序列化的逻辑：

enum Algorithm implements Serialized {

        JAVA {
            @Override
            public <T> byte[] serialized(T object) {
                try {
                    ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
                    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
                    oos.writeObject(object);
                    return bos.toByteArray();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                    throw new RuntimeException("序列化失败！");
                }
            }

            @Override
            public <T> T deSerialized(Class<T> clazz, byte[] bytes) {
                try {
                    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
                    return (T) ois.readObject();
                } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
                    e.printStackTrace();
                    throw new RuntimeException("反序列化失败！");
                }
            }
        },
        JSON {
            @Override
            public <T> byte[] serialized(T object) {
                Gson gson = new Gson();
                String str = gson.toJson(object);
                return str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            }

            @Override
            public <T> T deSerialized(Class<T> clazz, byte[] bytes) {
                Gson gson = new Gson();
                return gson.fromJson(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8), clazz);
            }
        }
    }

        再定义一个读取 application.properties 文件的配置类，如果配置文件中未配置，就按照默认的JDK序列化方式实现：

/**
 * 序列化配置类
 */
public class SerializedConfig {

    static Properties properties;

    static {
        //从application.properties配置文件中读取
        try (InputStream is = SerializedConfig.class.getResourceAsStream("/application.properties")) {
            properties = new Properties();
            properties.load(is);
        } catch (IOException e) {
            throw new ExceptionInInitializerError(e);
        }
    }

    public static int getServerPort() {
        //从配置文件中读取键为server.port的值
        String value = properties.getProperty("server.port");
        if (value == null) {
            return 8080;
        } else {
            return Integer.parseInt(value);
        }
    }

    public static Serialized.Algorithm getSerializedAlgorithm() {
        //从配置文件中读取键为serializer.algorithm的值
        String value = properties.getProperty("serializer.algorithm");
        if (value == null) {
            return Serialized.Algorithm.JAVA;
        } else {
            return Serialized.Algorithm.valueOf(value);
        }
    }

}

        改造自定义协议类：

        编码主要有两处需要修改，一处是设定字节的序列化方式（获取的是序列化方式 java json 在枚举类中的位置 0,1）：

out.writeByte(SerializedConfig.getSerializedAlgorithm().ordinal());

        另一处是将消息序列化的逻辑：

byte[] bytes = SerializedConfig.getSerializedAlgorithm().serialized(msg);

        解码也有两处需要修改：

        第一处是确定反序列化的算法：

Serialized.Algorithm[] values = Serialized.Algorithm.values();
//确定反序列化算法
Serialized.Algorithm algorithm = values[serializerType];

        第二处是确定消息类型，并且解码：

//确定消息类型
Class<? extends Message> messageClass = Message.getMessageClass(messageType);
Object message = algorithm.deSerialized(messageClass, bytes)

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