来源:cnblogs.com/blogtimes/p/14767484.html
# 最终效果
为什么先看最终效果?因为此刻代码已经撸完了。更重要的是我们带着感官的目标去进行后续的分析,可以更好地理解。标题中提到了,整个工程包含三个部分:
1、聊天服务器
聊天服务器的职责一句话解释:负责接收所有用户发送的消息,并将消息转发给目标用户。
聊天服务器没有任何界面,但是却是IM中最重要的角色,为表达敬意,必须要给它放个效果图:
2021-05-11 10:41:40.037 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700900029,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:41:50.049 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.n.handler.BussMessageHandler : 收到消息:{"time":1620700910045,"messageType":"14","sendUserName":"guodegang","recvUserName":"yuqian","sendMessage":"于老师你好"}
2021-05-11 10:41:50.055 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.executor.SendMsgExecutor : 消息转发成功:{"time":1620700910052,"messageType":"14","sendUserName":"guodegang","recvUserName":"yuqian","sendMessage":"于老师你好"}
2021-05-11 10:41:54.068 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700914064,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:41:57.302 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.n.handler.BussMessageHandler : 收到消息:{"time":1620700917301,"messageType":"14","sendUserName":"yuqian","recvUserName":"guodegang","sendMessage":"郭老师你好"}
2021-05-11 10:41:57.304 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.executor.SendMsgExecutor : 消息转发成功:{"time":1620700917303,"messageType":"14","sendUserName":"yuqian","recvUserName":"guodegang","sendMessage":"郭老师你好"}
2021-05-11 10:42:05.050 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700925049,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:12.309 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700932304,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:20.066 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700940050,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:27.311 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700947309,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:35.070 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700955068,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:42.316 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700962312,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:50.072 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-1] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700970071,"messageType":"99"}
2021-05-11 10:42:57.316 INFO 9392 --- [ntLoopGroup-3-2] c.e.o.s.netty.handler.HeartBeatHandler : server收到心跳包:{"time":1620700977315,"messageType":"99"}
从效果图我们看到了一些内容:收到心跳包、收到消息,转发消息,这些内容后面会详细讲解。
2、聊天客户端
聊天客户端的职责一句话解释:登陆,给别人发聊天内容,收其它人发给自己的聊天内容。
下面为方便演示,我会打开两个客户端,用两个不同用户登陆,然后发消息。

3、Web管理控制台
目前只做了一个账户管理,具体看图吧:

# 概要设计
1、技术选型
1)聊天服务端
聊天服务器与客户端通过TCP协议进行通信,使用长连接、全双工通信模式,基于经典通信框架Netty实现。
那么什么是长连接?顾名思义,客户端和服务器连上后,会在这条连接上面反复收发消息,连接不会断开。与长连接对应的当然就是短连接了,短连接每次发消息之前都需要先建立连接,然后发消息,最后断开连接。显然,即时聊天适合使用长连接。
那么什么又是全双工?当长连接建立起来后,在这条连接上既有上行的数据,又有下行的数据,这就叫全双工。那么对应的半双工、单工,大家自行百度吧。
2)Web管理控制台
Web管理端使用SpringBoot脚手架,前端使用Layuimini(一个基于Layui前端框架封装的前端框架),后端使用SpringMVC+Jpa+Shiro。
3)聊天客户端
使用SpringBoot+JavaFX,做了一个极其简陋的客户端,JavaFX是一个开发Java桌面程序的框架,本人也是第一次使用,代码中的写法都是网上查的,这并不是本文的重点,有兴趣的仔细百度吧。
4)SpringBoot
以上三个组件,全部以SpringBoot做为脚手架开发。
5)代码构建
Maven。
2、数据库设计
我们只简单用到一张用户表,比较简单直接贴脚本:
CREATE TABLE `sys_user` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
`user_name` varchar(64) DEFAULT NULL COMMENT '用户名:登陆账号',
`pass_word` varchar(128) DEFAULT NULL COMMENT '密码',
`name` varchar(16) DEFAULT NULL COMMENT '昵称',
`sex` char(1) DEFAULT NULL COMMENT '性别:1-男,2女',
`status` bit(1) DEFAULT NULL COMMENT '用户状态:1-有效,0-无效',
`online` bit(1) DEFAULT NULL COMMENT '在线状态:1-在线,0-离线',
`salt` varchar(128) DEFAULT NULL COMMENT '密码盐值',
`admin` bit(1) DEFAULT NULL COMMENT '是否管理员(只有管理员才能登录Web端):1-是,0-否',
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;
这张表都在什么时候用到?
1)Web管理端登陆的时候;
2)聊天客户端将登陆请求发送到聊天服务端时,聊天服务端进行用户认证;
3)聊天客户端的好友列表加载。
3、通信设计
本节将会是本文的核心内容之一,主要描述通信报文协议格式、以及通信报文的交互场景。
1)报文协议格式
下面这张图应该能说明99%了:

剩下的1%在这里说:
a)粘包问题,TCP长连接中,粘包是第一个需要解决的问题。通俗的讲,粘包的意思是消息接收方往往收到的不是“整个”报文,有时候比“整个”多一点,有时候比“整个”少一点,这样就导致接收方无法解析这个报文。那么上图中的头8个字节就为了解决这个问题,接收方根据头8个字节标识的长度来获取到“整个”报文,从而进行正常的业务处理;
b)2字节报文类型,为了方便解析报文而设计。根据这两个字节将后面的json转成相应的实体以便进行后续处理;
c)变长报文体实际上就是json格式的串,当然,你可以自己设计报文格式,我这里为了方便处理就直接放json了;
d)当然,你可以把报文设计的更复杂、更专业,比如加密、加签名等。
2)报文交互场景
a)登陆

b)发送消息-成功

c)发送消息-目标客户端不在线

d)发送消息-目标客户端在线,但消息转发失败

# 编码实现
前面说了那么多,现在总得说点有用的。
1、先说说Netty
Netty是一个相当优秀的通信框架,大多数的顶级开源框架中都有Netty的身影。具体它有多么优秀,建议大家自行百度,我不如百度说的好。我只从应用方面说说Netty。
应用过程中,它最核心的东西叫handler,我们可以简单理解它为消息处理器。收到的消息和出去的消息都会经过一系列的handler加工处理。收到的消息我们叫它入站消息,发出去的消息我们叫它出站消息,因此handler又分为出站handler和入站handler。收到的消息只会被入站handler处理,发出去的消息只会被出站handler处理。
举个例子,我们从网络上收到的消息是二进制的字节码,我们的目标是将消息转换成java bean,这样方便我们程序处理,针对这个场景我设计这么几个入handler:
1)将字节转换成String的handler;
2)将String转成java bean的handler;
3)对java bean进行业务处理的handler。
发出去的消息呢,我设计这么几个出站handler:
1)java bean 转成String的handler;
2)String转成byte的handler。
以上是关于handler的说明。
接下来再说一下Netty的异步。异步的意思是当你做完一个操作后,不会立马得到操作结果,而是有结果后Netty会通知你。通过下面的一段代码来说明:
channel.writeAndFlush(sendMsgRequest).addListener(new GenericFutureListenersuper Void>>() {
@Override
public void operationComplete(Futuresuper Void> future) throws Exception {
if (future.isSuccess()){
logger.info("消息发送成功:{}",sendMsgRequest);
}else {
logger.info("消息发送失败:{}",sendMsgRequest);
}
}
});
上面的writeAndFlush操作无法立即返回结果,如果你关注结果,那么为他添加一个listener,有结果后会在listener中响应。
到这里,百度上搜到的Netty相关的代码你基本就能看懂了。
2、聊天服务端
首先看主入口的代码
public void start(){
EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(boss, worker)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.childHandler(new ChannelInitializer() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(25, 20, 0, TimeUnit.SECONDS));
ch.pipeline().addLast(new StringLengthFieldDecoder());
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder(Charset.forName("UTF-8")));
ch.pipeline().addLast(new JsonDecoder());
ch.pipeline().addLast(new HeartBeatHandler());
ch.pipeline().addLast(new JsonEncoder());
ch.pipeline().addLast(bussMessageHandler);
}
});
try {
ChannelFuture f = serverBootstrap.bind(port).sync();
f.channel().closeFuture().sync();
}catch (InterruptedException e) {
logger.error("服务启动失败:{}", ExceptionUtils.getStackTrace(e));
}finally {
worker.shutdownGracefully();
boss.shutdownGracefully();
}
}
代码中除了initChannel方法中的代码,其他代码都是固定写法。那么什么叫固定写法呢?通俗来讲就是可以Ctrl+c、Ctrl+v。
下面我们着重看initChannel方法里面的代码。这里面就是上面讲到的各种handler,我们下面挨个讲这些handler都是干啥的。
1)IdleStateHandler。这个是Netty内置的一个handler,既是出站handler又是入站handler。它的作用一般是用来实现心跳监测。所谓心跳,就是客户端和服务端建立连接后,服务端要实时监控客户端的健康状态,如果客户端挂了或者hung住了,服务端及时释放相应的资源,以及做出其他处理比如通知运维。所以在我们的场景中,客户端需要定时上报自己的心跳,如果服务端检测到一段时间内没收到客户端上报的心跳,那么及时做出处理,我们这里就是简单的将其连接断开,并修改数据库中相应账户的在线状态。
现在开始说IdleStateHandler,第一个参数叫读超时时间,第二个参数叫写超时时间,第三个参数叫读写超时时间,第四个参数时时间单位秒。这个handler表达的意思是当25秒内没读到客户端的消息,或者20秒内没往客户端发消息,就会产生一个超时事件。那么这个超时事件我们该对他做什么处理呢,请看下一条。
2)HeartBeatHandler。结合a)一起看,当发生超时事件时,HeartBeatHandler会收到这个事件,并对它做出处理:第一将链接断开;第二讲数据库中相应的账户更新为不在线状态。
public class HeartBeatHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(HeartBeatHandler.class);
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
if (evt instanceof IdleStateEvent){
IdleStateEvent event = (IdleStateEvent)evt;
if (event.state() == IdleState.READER_IDLE) {
InetSocketAddress socketAddress = (InetSocketAddress)ctx.channel().remoteAddress();
String ip = socketAddress.getAddress().getHostAddress();
ctx.channel().disconnect();
logger.info("【{}】连接超时,断开",ip);
String userName = SessionManager.removeSession(ctx.channel());
SpringContextUtil.getBean(UserService.class).updateOnlineStatus(userName,Boolean.FALSE);
}else {
super.userEventTriggered(ctx, evt);
}
}else {
super.userEventTriggered(ctx, evt);
}
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if (msg instanceof HeartBeat){
logger.info("server收到心跳包:{}",msg);
return;
}
super.channelRead(ctx, msg);
}
}
3)StringLengthFieldDecoder。这是个入站handler,他的作用就是解决上面提到的粘包问题:
public class StringLengthFieldDecoder extends LengthFieldBasedFrameDecoder {
public StringLengthFieldDecoder() {
super(10*1024*1024,0,8,0,8);
}
@Override
protected long getUnadjustedFrameLength(ByteBuf buf, int offset, int length, ByteOrder order) {
buf = buf.order(order);
byte[] lenByte = new byte[length];
buf.getBytes(offset, lenByte);
String lenStr = new String(lenByte);
Long len = Long.valueOf(lenStr);
return len;
}
}
只需要集成Netty提供的LengthFieldBasedFrameDecoder 类,并重写getUnadjustedFrameLength方法即可。
首先看构造方法中的5个参数。第一个表示能处理的包的最大长度;第二三个参数应该结合起来理解,表示长度字段从第几位开始,长度的长度是多少,也就是上面报文格式协议中的头8个字节;第四个参数表示长度是否需要校正,举例理解,比如头8个字节解析出来的长度=包体长度+头8个字节的长度,那么这里就需要校正8个字节,我们的协议中长度只包含报文体,因此这个参数填0;最后一个参数,表示接收到的报文是否要跳过一些字节,本例中设置为8,表示跳过头8个字节,因此经过这个handler后,我们收到的数据就只有报文本身了,不再包含8个长度字节了。
再看getUnadjustedFrameLength方法,其实就是将头8个字符串型的长度为转换成long型。重写完这个方法后,Netty就知道如何收一个“完整”的数据包了。
4)StringDecoder。这个是Netty自带的入站handler,会将字节流以指定的编码解析成String。
5)JsonDecoder。是我们自定义的一个入站handler,目的是将json String转换成java bean,以方便后续处理:
public class JsonDecoder extends MessageToMessageDecoder<String> {
@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, String o, List