浅析 Netty 实现心跳机制与断线重连

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:

public IdleStateHandler(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. 即当在指定的时间间隔内没有从 Channel 读取到数据时, 会触发一个 READER_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.

  • writerIdleTimeSeconds, 写超时. 即当在指定的时间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. 即当在指定的时间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 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
    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---");
    }
}

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
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
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 {
    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>() {
    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 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 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 {
    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 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 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 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 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();
    }
}

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.

本文由 yongshun 发表于个人博客, 采用署名-非商业性使用-相同方式共享 3.0 中国大陆许可协议.
非商业转载请注明作者及出处. 商业转载请联系作者本人
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