浅析 Netty 实现心跳机制与断线重连

2023-11-13 09:50:46

基础

何为心跳

顾名思义, 所谓 心跳, 即在 TCP 长连接中, 客户端和服务器之间定期发送的一种特殊的数据包, 通知对方自己还在线, 以确保 TCP 连接的有效性.

为什么需要心跳

因为网络的不可靠性, 有可能在 TCP 保持长连接的过程中, 由于某些突发情况, 例如网线被拔出, 突然掉电等, 会造成服务器和客户端的连接中断. 在这些突发情况下, 如果恰好服务器和客户端之间没有交互的话, 那么它们是不能在短时间内发现对方已经掉线的. 为了解决这个问题, 我们就需要引入 心跳 机制. 心跳机制的工作原理是: 在服务器和客户端之间一定时间内没有数据交互时, 即处于 idle 状态时, 客户端或服务器会发送一个特殊的数据包给对方, 当接收方收到这个数据报文后, 也立即发送一个特殊的数据报文, 回应发送方, 此即一个 PING-PONG 交互. 自然地, 当某一端收到心跳消息后, 就知道了对方仍然在线, 这就确保 TCP 连接的有效性.

如何实现心跳

我们可以通过两种方式实现心跳机制:

  • 使用 TCP 协议层面的 keepalive 机制.

  • 在应用层上实现自定义的心跳机制.

虽然在 TCP 协议层面上, 提供了 keepalive 保活机制, 但是使用它有几个缺点:

  1. 它不是 TCP 的标准协议, 并且是默认关闭的.

  2. TCP keepalive 机制依赖于操作系统的实现, 默认的 keepalive 心跳时间是 两个小时, 并且对 keepalive 的修改需要系统调用(或者修改系统配置), 灵活性不够.

  3. TCP keepalive 与 TCP 协议绑定, 因此如果需要更换为 UDP 协议时, keepalive 机制就失效了.

虽然使用 TCP 层面的 keepalive 机制比自定义的应用层心跳机制节省流量, 但是基于上面的几点缺点, 一般的实践中, 人们大多数都是选择在应用层上实现自定义的心跳.
既然如此, 那么我们就来大致看看在在 Netty 中是怎么实现心跳的吧. 在 Netty 中, 实现心跳机制的关键是 IdleStateHandler, 它可以对一个 Channel 的 读/写设置定时器, 当 Channel 在一定事件间隔内没有数据交互时(即处于 idle 状态), 就会触发指定的事件.

使用 Netty 实现心跳

上面我们提到了, 在 Netty 中, 实现心跳机制的关键是 IdleStateHandler, 那么这个 Handler 如何使用呢? 我们来看看它的构造器:

publicIdleStateHandler(int readerIdleTimeSeconds, int writerIdleTimeSeconds, int allIdleTimeSeconds){
    this((long)readerIdleTimeSeconds, (long)writerIdleTimeSeconds, (long)allIdleTimeSeconds, TimeUnit.SECONDS);
}

实例化一个 IdleStateHandler 需要提供三个参数:

  • readerIdleTimeSeconds, 读超时. 即当在指定的事件间隔内没有从 Channel 读取到数据时, 会触发一个 READER_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.

  • writerIdleTimeSeconds, 写超时. 即当在指定的事件间隔内没有数据写入到 Channel 时, 会触发一个 WRITER_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.

  • allIdleTimeSeconds, 读/写超时. 即当在指定的事件间隔内没有读或写操作时, 会触发一个 ALL_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.

为了展示具体的 IdleStateHandler 实现的心跳机制, 下面我们来构造一个具体的EchoServer 的例子, 这个例子的行为如下:

  1. 在这个例子中, 客户端和服务器通过 TCP 长连接进行通信.

  2. TCP 通信的报文格式是:

+--------+-----+---------------+ 
| Length |Type |   Content     |
|   17   |  1  |"HELLO, WORLD" |
+--------+-----+---------------+

  1. 客户端每隔一个随机的时间后, 向服务器发送消息, 服务器收到消息后, 立即将收到的消息原封不动地回复给客户端.

  2. 若客户端在指定的时间间隔内没有读/写操作, 则客户端会自动向服务器发送一个 PING 心跳, 服务器收到 PING 心跳消息时, 需要回复一个 PONG 消息.

下面所使用的代码例子可以在我的 Github github.com/yongshun/some_java_code 上找到.

通用部分

根据上面定义的行为, 我们接下来实现心跳的通用部分 CustomHeartbeatHandler:

/**
 * @author xiongyongshun
 * @version 1.0
 * @email yongshun1228@gmail.com
 * @created 16/9/18 13:02
 */
public abstract classCustomHeartbeatHandlerextendsSimpleChannelInboundHandler<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;

    publicCustomHeartbeatHandler(String name){
        this.name = name;
    }

    @Override
    protectedvoidchannelRead0(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);
        }
    }

    protectedvoidsendPingMsg(ChannelHandlerContext context){
        ByteBuf buf = context.alloc().buffer(5);
        buf.writeInt(5);
        buf.writeByte(PING_MSG);
        buf.retain();
        context.writeAndFlush(buf);
        heartbeatCount++;
        System.out.println(name + " sent ping msg to " + context.channel().remoteAddress() + ", count: " + heartbeatCount);
    }

    privatevoidsendPongMsg(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);
    }

    protectedabstractvoidhandleData(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf);

    @Override
    publicvoiduserEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt)throws Exception {
        // IdleStateHandler 所产生的 IdleStateEvent 的处理逻辑.
        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
    publicvoidchannelActive(ChannelHandlerContext ctx)throws Exception {
        System.err.println("---" + ctx.channel().remoteAddress() + " is active---");
    }

    @Override
    publicvoidchannelInactive(ChannelHandlerContext ctx)throws Exception {
        System.err.println("---" + ctx.channel().remoteAddress() + " is inactive---");
    }

    protectedvoidhandleReaderIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        System.err.println("---READER_IDLE---");
    }

    protectedvoidhandleWriterIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        System.err.println("---WRITER_IDLE---");
    }

    protectedvoidhandleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        System.err.println("---ALL_IDLE---");
    }
}

类 CustomHeartbeatHandler 负责心跳的发送和接收, 我们接下来详细地分析一下它的作用. 我们在前面提到, IdleStateHandler 是实现心跳的关键, 它会根据不同的 IO idle 类型来产生不同的 IdleStateEvent 事件, 而这个事件的捕获, 其实就是在 userEventTriggered 方法中实现的.
我们来看看 CustomHeartbeatHandler.userEventTriggered 的具体实现:

@Override
publicvoiduserEventTriggered(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, 根据 IdleStateEvent 的 state() 的不同, 而进行不同的处理. 例如如果是读取数据 idle, 则 e.state() == READER_IDLE, 因此就调用 handleReaderIdle 来处理它. CustomHeartbeatHandler 提供了三个 idle 处理方法: handleReaderIdle, handleWriterIdle, handleAllIdle, 这三个方法目前只有默认的实现, 它需要在子类中进行重写, 现在我们暂时略过它们, 在具体的客户端和服务器的实现部分时再来看它们.

知道了这一点后, 我们接下来看看数据处理部分:

@Override
protectedvoidchannelRead0(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, 我们首先根据报文协议:

+--------+-----+---------------+ 
| Length |Type |   Content     |
|   17   |  1  |"HELLO, WORLD" |
+--------+-----+---------------+

来判断当前的报文类型, 如果是 PING_MSG 则表示是服务器收到客户端的 PING 消息, 此时服务器需要回复一个 PONG 消息, 其消息类型是 PONG_MSG.扔报文类型是 PONG_MSG, 则表示是客户端收到服务器发送的 PONG 消息, 此时打印一个 log 即可.

客户端部分

客户端初始化

public class Client {
    publicstaticvoidmain(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>() {
                        protectedvoidinitChannel(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();
        }
    }
}

上面的代码是 Netty 的客户端端的初始化代码, 使用过 Netty 的朋友对这个代码应该不会陌生. 别的部分我们就不再赘述, 我们来看看 ChannelInitializer.initChannel 部分即可:

.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
    protectedvoidinitChannel(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());
    }
});

我们给 pipeline 添加了三个 Handler, IdleStateHandler 这个 handler 是心跳机制的核心, 我们为客户端端设置了读写 idle 超时, 时间间隔是5s, 即如果客户端在间隔 5s 后都没有收到服务器的消息或向服务器发送消息, 则产生 ALL_IDLE 事件.
接下来我们添加了 LengthFieldBasedFrameDecoder, 它是负责解析我们的 TCP 报文, 因为和本文的目的无关, 因此这里不详细展开.
最后一个 Handler 是 ClientHandler, 它继承于 CustomHeartbeatHandler, 是我们处理业务逻辑部分.

客户端 Handler

public classClientHandlerextendsCustomHeartbeatHandler{
    publicClientHandler(){
        super("client");
    }

    @Override
    protectedvoidhandleData(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
    protectedvoidhandleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        super.handleAllIdle(ctx);
        sendPingMsg(ctx);
    }
}

ClientHandler 继承于 CustomHeartbeatHandler, 它重写了两个方法, 一个是 handleData, 在这里面实现 仅仅打印收到的消息.
第二个重写的方法是 handleAllIdle. 我们在前面提到, 客户端负责发送心跳的 PING 消息, 当客户端产生一个 ALL_IDLE 事件后, 会导致父类的 CustomHeartbeatHandler.userEventTriggered 调用, 而 userEventTriggered 中会根据 e.state() 来调用不同的方法, 因此最后调用的是 ClientHandler.handleAllIdle, 在这个方法中, 客户端调用 sendPingMsg 向服务器发送一个 PING 消息.

服务器部分

服务器初始化

public class Server {
    publicstaticvoidmain(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>() {
                        protectedvoidinitChannel(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();
        }
    }
}

服务器的初始化部分也没有什么好说的, 它也和客户端的初始化一样, 为 pipeline 添加了三个 Handler.

服务器 Handler

public classServerHandlerextendsCustomHeartbeatHandler{
    publicServerHandler(){
        super("server");
    }

    @Override
    protectedvoidhandleData(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
    protectedvoidhandleReaderIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        super.handleReaderIdle(ctx);
        System.err.println("---client " + ctx.channel().remoteAddress().toString() + " reader timeout, close it---");
        ctx.close();
    }
}

ServerHandler 继承于 CustomHeartbeatHandler, 它重写了两个方法, 一个是 handleData, 在这里面实现 EchoServer 的功能: 即收到客户端的消息后, 立即原封不动地将消息回复给客户端.
第二个重写的方法是 handleReaderIdle, 因为服务器仅仅对客户端的读 idle 感兴趣, 因此只重新了这个方法. 若服务器在指定时间后没有收到客户端的消息, 则会触发 READER_IDLE 消息, 进而会调用 handleReaderIdle 这个方法. 我们在前面提到, 客户端负责发送心跳的 PING 消息, 并且服务器的 READER_IDLE 的超时时间是客户端发送 PING 消息的间隔的两倍, 因此当服务器 READER_IDLE 触发时, 就可以确定是客户端已经掉线了, 因此服务器直接关闭客户端连接即可.

总结

  1. 使用 Netty 实现心跳机制的关键就是利用 IdleStateHandler 来产生对应的 idle 事件.

  2. 一般是客户端负责发送心跳的 PING 消息, 因此客户端注意关注 ALL_IDLE 事件, 在这个事件触发后, 客户端需要向服务器发送 PING 消息, 告诉服务器"我还存活着".

  3. 服务器是接收客户端的 PING 消息的, 因此服务器关注的是 READER_IDLE 事件, 并且服务器的 READER_IDLE 间隔需要比客户端的 ALL_IDLE 事件间隔大(例如客户端ALL_IDLE 是5s 没有读写时触发, 因此服务器的 READER_IDLE 可以设置为10s)

  4. 当服务器收到客户端的 PING 消息时, 会发送一个 PONG 消息作为回复. 一个 PING-PONG 消息对就是一个心跳交互.

实现客户端的断线重连

public classClient{
    private NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup(4);
    private Channel channel;
    private Bootstrap bootstrap;

    publicstaticvoidmain(String[] args)throws Exception {
        Client client = new Client();
        client.start();
        client.sendData();
    }

    publicvoidsendData()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));
        }
    }

    publicvoidstart(){
        try {
            bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap
                    .group(workGroup)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        protectedvoidinitChannel(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);
        }
    }

    protectedvoiddoConnect(){
        if (channel != null && channel.isActive()) {
            return;
        }

        ChannelFuture future = bootstrap.connect("127.0.0.1", 12345);

        future.addListener(new ChannelFutureListener() {
            publicvoidoperationComplete(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
                        publicvoidrun(){
                            doConnect();
                        }
                    }, 10, TimeUnit.SECONDS);
                }
            }
        });
    }

}

上面的代码中, 我们抽象出 doConnect 方法, 它负责客户端和服务器的 TCP 连接的建立, 并且当 TCP 连接失败时, doConnect 会 通过 "channel().eventLoop().schedule" 来延时10s 后尝试重新连接.

客户端 Handler

public classClientHandlerextendsCustomHeartbeatHandler{
    private Client client;
    publicClientHandler(Client client){
        super("client");
        this.client = client;
    }

    @Override
    protectedvoidhandleData(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
    protectedvoidhandleAllIdle(ChannelHandlerContext ctx){
        super.handleAllIdle(ctx);
        sendPingMsg(ctx);
    }

    @Override
    publicvoidchannelInactive(ChannelHandlerContext ctx)throws Exception {
        super.channelInactive(ctx);
        client.doConnect();
    }
}

断线重连的关键一点是检测连接是否已经断开. 因此我们改写了 ClientHandler, 重写了 channelInactive 方法. 当 TCP 连接断开时, 会回调 channelInactive 方法, 因此我们在这个方法中调用 client.doConnect() 来进行重连.

完整代码可以在我的 Github github.com/yongshun/some_java_code 上找到.

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