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【springcloud环境下基于Netty搭建websocket实现消息推送】_netty nacos消息推送基于

netty nacos消息推送基于
1、背景

(1)短轮询:前端老师利用ajax定期向服务器发起http请求,无论数据是否更新立马返回数据。这样存在的缺点就是,一方面如果后端数据木有更新,那么这一次http请求就是无用的,另一方面高并发情况下,短链接的频繁创建销毁,以及客户端数量过大造成过多无用的http请求,都会对服务器和带宽造成压力,短轮询只适用于客户端连接少,并发量不高的场景;
(2)长轮询:利用comet不断向服务器发起请求,服务器将请求暂时挂起,直到有新的数据的时候才返回,相对短轮询减少了请求次数得到了一定的优化,但是在高并发的场景下依然不适用;
(3)SSE:服务端推送(Server Send Event),在客户端发起一次请求后会保持该连接,服务器端基于该连接持续向客户端发送数据,从HTML5开始加入。
(4)Websocket:这是也是一种保持长连接的技术,并且是双向的,从HTML5开始加入,并非完全基于HTTP,适合于频繁和较大流量的双向通讯场景,是服务器推送消息功能的最佳实践。而实现websocket的最佳方式,就是netty。

2、websocket

什么是websocekt呢?
websocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。也就是一种保持长连接的技术,并且是双向的。
websocket协议本身是构建在http协议之上的升级协议,客户端首先向服务器端去建立连接,这个连接本身就是http协议只是在头信息中包含了一些websocket协议的相关信息,一旦http连接建立之后,服务器端读到这些websocket协议的相关信息就将此协议升级成websocket协议。WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单,允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中,浏览器和服务器只需要完成一次握手,两者之间就直接可以创建持久性的连接,并进行双向数据传输。
简单理解,就是一种通讯协议,重点是websocket的实现方式–netty。

3、netty
3.1 socket

(1)网络编程本质就是说两个设备之间信息的发送与接收,通过操作相应API调度计算机硬件资源,并且利用管道(网线)进行数据交互的过程。相关技术点像ISO七层模型,TCP三次握手/四次挥手等网络编程的基础不再赘述。
(2)而socket是对TCP/IP协议的封装,Socket本身并不是协议,而是一个调用接口(API),通过Socket发起系统调用操作系统内核,我们才能使用TCP/IP协议。
(3)我们经常说的I/O,在计算机中指Input/Output,即输入输出,实质上IO分为两种,一种是磁盘IO,磁盘上的数据读取到用户空间,那么这次数据转移操作其实就是一次I/O操作,也就是一次文件I/O。一种是网络IO,当一个客户端和服务端之间相互通信,交互我们称之为网络io(网络通讯)

3.2 Java IO模型

有BIO(同步阻塞IO)、NIO(同步非阻塞IO)、AIO(异步IO),netty就是一个NIO的高性能的框架。相关netty的技术点,关注小编,后续会出相关技术栈的细节。
(1)BIO:同步阻塞IO模型,适用于连接数目比较少且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连 接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造 成不必要的线程开销,可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。
在这里插入图片描述

(2)NIO:同步非阻塞IO模型,适用于连接数据多且连接比较短的架构,如聊天服务器,弹幕系统,服务器间通讯等;服务器实现模式为一个线程处理多个连接(一个请求一个线程),包含Selector 、Channel 、Buffer三大组件。
在这里插入图片描述

①selector选择器:用一个线程处理多个客户端的连接,就会使用到selector选择器,selector用于监听多个通道上是否有事件发生(比如连接请求,数据到达等),如果有事件发生,便获取事件然后针对于每个事件进行相应的处理,因此可以使用单个线程就可以监听多个客户端通道。
②channel通道:Channel管道和Java IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream.而Channel是双向的,同时进行读写数据,而流只能读或者写。可以实现异步读写数据,可以从缓冲区读数据,也可以写数据到缓冲区。
③buffer缓冲区:Buffer本质上是一个可以读写的内存块,可以理解成容器对象,底层是有一个数组,通过buffer实现非阻塞机制,该对象提供了一组方法,可以轻松的使用内存块,缓冲区对象内置了一些机制,能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel提供了从文件,网络读取数据的通道,但是读取和写入的数据必须经过buffer。
(3)AIO:异步IO模型,使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分 调用OS参与并发操作,编程比较复杂。在Linux底层用epoll(一种轮询模型),aio多包了一层封装,aio的api更好用。Windows上的aio是自己实现的,不是轮询模型是事件模型,完成端口实现的,要比linxu上的aio效率高。

3.3 netty
3.3.1 概念:

netty是一个开源异步的事件驱动的网络应用程序框架,用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。

3.3.2 三大特点:

①高并发:Netty 是一款基于 NIO(Nonblocking IO,非阻塞IO)开发异步事件驱动的高性能网络通信框架,nio使用了select模型(多路复用器技术),从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。Netty使用了Reactor模型,Reactor模型有三种多线程模型,netty是在主从 Reactor 多线程模型上做了一定的改进。Netty有两个线程组,一个作为bossGroup线程组,负责客户端接收,一个workerGroup线程组负责工作线程的工作(与客户端的IO操作和任务操作等等),Netty 的所有 IO 操作都是异步非阻塞的,通过 Future-Listener 机制,用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。他的并发性能得到了很大提高。
②传输快:Netty 的传输依赖于零拷贝特性,实现了更高效率的传输。零拷贝要求内核(kernel)直接将数据从磁盘文件拷贝到Socket缓冲区(套接字),而无须通过应用程序。零拷贝减少不必要的内存拷贝,不仅提高了应用程序的性能,而且减少了内核态和用户态上下文切换。
③封装好:Netty 封装了 NIO 操作的很多细节,提供了易于使用调用接口。如果你用过或者见过nio代码,你会感觉netty真的yyds!!!

3.3.3 实际应用场景
  • 大屏数据变化实时推送前端展示。
4、springcloud环境下使用netty搭建websocket

引入pom依赖和yml配置

(1)pom依赖

<dependencies>
	<dependency>
		<groupId>io.netty</groupId>
		<artifactId>netty-all</artifactId>
		<version>4.1.36.Final</version>
	</dependency>
</dependencies>
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(2)yml配置

websocket:
	port: 7000 #端口
	url: /msg	#访问url
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(3) 客户端和服务端交互的消息体

package com.cloudapi.websocket.domain;

import lombok.Data;

import java.io.Serializable;

// 客户端和服务端交互的消息体-自定义
@Data
public class MessageRequest implements Serializable {

    private Long unionId;

    private Integer current = 1;

    private Integer size = 10;
}
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Websocket 初始化器

package com.cloudapi.websocket.config;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.annotation.Resource;

/**
 * websocket初始化器
 **/
@Slf4j
@Component
public class WebsocketInitialization {

    @Resource
    private WebsocketChannelInitializer websocketChannelInitializer;

    @Value("${websocket.port}")
    private Integer port;

    @Async
    public void init() throws InterruptedException {

        //bossGroup连接线程组,主要负责接受客户端连接,一般一个线程足矣
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        //workerGroup工作线程组,主要负责网络IO读写
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //启动辅助类
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            //bootstrap绑定两个线程组
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup);
            //设置通道为NioChannel
            serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
            //可以对入站\出站事件进行日志记录,从而方便我们进行问题排查。
            serverBootstrap.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
            //设置自定义的通道初始化器,用于入站操作
            serverBootstrap.childHandler(websocketChannelInitializer);
            //启动服务器,本质是Java程序发起系统调用,然后内核底层起了一个处于监听状态的服务,生成一个文件描述符FD
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(port).sync();
            //异步
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

}

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package com.cloudapi.websocket.config;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.annotation.PostConstruct;
import javax.annotation.Resource;

/**
 * websocket程序
 **/
@Slf4j
@Component
public class WebsocketApplication {

    @Resource
    private WebsocketInitialization websocketInitialization;

    @PostConstruct
    public void start() {
        try {
            log.info(Thread.currentThread().getName() + ":websocket启动中......");
            websocketInitialization.init();
            log.info(Thread.currentThread().getName() + ":websocket启动成功!!!");
        } catch (Exception e) {
            log.error("websocket发生错误:", e);
        }
    }
}
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package com.cloudapi.websocket.config;

import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerProtocolHandler;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * websocket通道初始化器
 **/
@Component
public class WebsocketChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    @Autowired
    private WebSocketHandler webSocketHandler;

    @Value("${websocket.url}")
    private String websocketUrl;

    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        //获取pipeline通道
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        //因为基于http协议,使用http的编码和解码器
        pipeline.addLast(new HttpServerCodec());
        //是以块方式写,添加ChunkedWriteHandler处理器
        pipeline.addLast(new ChunkedWriteHandler());
        /*
          说明
          1. http数据在传输过程中是分段, HttpObjectAggregator ,就是可以将多个段聚合
          2. 这就就是为什么,当浏览器发送大量数据时,就会发出多次http请求
        */
        pipeline.addLast(new HttpObjectAggregator(8192));
        /* 说明
          1. 对应websocket ,它的数据是以 帧(frame) 形式传递
          2. 可以看到WebSocketFrame 下面有六个子类
          3. 浏览器请求时 ws://localhost:7000/msg 表示请求的uri
          4. WebSocketServerProtocolHandler 核心功能是将 http协议升级为 ws协议 , 保持长连接
          5. 是通过一个 状态码 101
        */
        pipeline.addLast(new WebSocketServerProtocolHandler(websocketUrl));
        //自定义的handler ,处理业务逻辑
        pipeline.addLast(webSocketHandler);
    }
}
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package com.cloudapi.websocket.config;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.cloudapi.common.util.LoginUserUtils;
import com.cloudapi.websocket.domain.MessageRequest;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import io.netty.util.concurrent.Future;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.time.LocalDateTime;
import java.util.Map;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * websocket处理器
 **/
@Slf4j
@Component
@ChannelHandler.Sharable//保证处理器,在整个生命周期中就是以单例的形式存在,方便统计客户端的在线数量
public class WebSocketHandler extends SimpleChannelInboundHandler<TextWebSocketFrame> {

    //通道map,存储channel,用于群发消息,以及统计客户端的在线数量,解决问题问题三,如果是集群环境使用redis的hash数据类型存储即可
    private static final Map<String, Channel> channelMap = new ConcurrentHashMap<>();
    //任务map,存储future,用于停止队列任务
    private static final Map<String, Future<?>> futureMap = new ConcurrentHashMap<>();
    //存储channel的id和用户主键的映射,客户端保证用户主键传入的是唯一值,解决问题四,如果是集群中需要换成redis的hash数据类型存储即可
    private static final Map<String, Long> clientMap = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 客户端发送给服务端的消息
     */
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, TextWebSocketFrame msg) throws Exception {
        try {
            //接受客户端发送的消息
            MessageRequest messageRequest = JSON.parseObject(msg.text(), MessageRequest.class);
            //每个channel都有id,asLongText是全局channel唯一id
            String key = ctx.channel().id().asLongText();
            //存储channel的id和用户的主键
            clientMap.put(key, messageRequest.getUnionId());
            log.info("接受客户端的消息......" + ctx.channel().remoteAddress() + "-参数[" + messageRequest.getUnionId() + "]");
            if (!channelMap.containsKey(key)) {
                //使用channel中的任务队列,做周期循环推送客户端消息,解决问题二和问题五
                Future<?> future = ctx.channel().eventLoop().scheduleAtFixedRate(new WebsocketRunnable(ctx, messageRequest), 0, 10, TimeUnit.SECONDS);
                //存储客户端和服务的通信的Chanel
                channelMap.put(key, ctx.channel());
                //存储每个channel中的future,保证每个channel中有一个定时任务在执行
                futureMap.put(key, future);
            } else {
                //每次客户端和服务的主动通信,和服务端周期向客户端推送消息互不影响 解决问题一
                ctx.channel().writeAndFlush(new TextWebSocketFrame(Thread.currentThread().getName() + "服务器时间" + LocalDateTime.now() + "wdy"));
            }

        } catch (Exception e) {

            log.error("websocket服务器推送消息发生错误:", e);

        }
    }

    /**
     * 客户端连接时候的操作
     */
    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        Long id = LoginUserUtils.getId();
        String key = ctx.channel().id().asLongText();
        Channel channel = ctx.channel();
        channelMap.put(key, channel);
        clientMap.put(key, id);
        log.info("一个客户端连接......" + ctx.channel().remoteAddress() + Thread.currentThread().getName());
    }

    /**
     * 客户端掉线时的操作
     */
    @Override
    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        String key = ctx.channel().id().asLongText();
        //移除通信过的channel
        channelMap.remove(key);
        //移除和用户绑定的channel
        clientMap.remove(key);
        //关闭掉线客户端的future
        Optional.ofNullable(futureMap.get(key)).ifPresent(future -> {
            future.cancel(true);
            futureMap.remove(key);
        });
        log.info("一个客户端移除......" + ctx.channel().remoteAddress());
        ctx.close(); //关闭连接
    }

    /**
     * 发生异常时执行的操作
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        String key = ctx.channel().id().asLongText();
        //移除通信过的channel
        channelMap.remove(key);
        //移除和用户绑定的channel
        clientMap.remove(key);
        //移除定时任务
        Optional.ofNullable(futureMap.get(key)).ifPresent(future -> {
            future.cancel(true);
            futureMap.remove(key);
        });
        //关闭长连接
        ctx.close();
        log.info("异常发生 " + cause.getMessage());
    }

    public static Map<String, Channel> getChannelMap() {
        return channelMap;
    }

    public static Map<String, Future<?>> getFutureMap() {
        return futureMap;
    }

    public static Map<String, Long> getClientMap() {
        return clientMap;
    }
}


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package com.cloudapi.websocket.config;

import com.cloudapi.websocket.domain.MessageRequest;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.time.LocalDateTime;

/**
 * 向客户端发送消息
 **/
@Slf4j
public class WebsocketRunnable implements Runnable {

    private final ChannelHandlerContext channelHandlerContext;

    public WebsocketRunnable(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageRequest messageRequest) {
        this.channelHandlerContext = channelHandlerContext;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--" + LocalDateTime.now().toString());
            channelHandlerContext.channel().writeAndFlush(new TextWebSocketFrame(LocalDateTime.now().toString()));
        } catch (Exception e) {
            log.error("websocket服务器推送消息发生错误:", e);
        }
    }
}

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前端代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <title>websocket连接</title>
    </head>
    <body>
        <script>
            var socket;
            //判断当前浏览器是否支持websocket
            if (window.WebSocket) {
                socket = new WebSocket("ws://localhost:8030/msg");
                //相当于channelReado, ev 收到服务器端回送的消息
                socket.onmessage = function (ev) {
                    var rt = document.getElementById("responseText");
                    rt.value = rt.value + "\n" + ev.data;
                }

                //相当于连接开启(感知到连接开启)
                socket.onopen = function (ev) {
                    var rt = document.getElementById("responseText");
                    rt.value = "连接开启了.."
                }

                //相当于连接关闭(感知到连接关闭)
                socket.onclose = function (ev) {

                    var rt = document.getElementById("responseText");
                    rt.value = rt.value + "\n" + "连接关闭了.."
                }
            } else {
                alert("当前浏览器不支持websocket")
            }

            //发送消息到服务器
            function send(websocketMessage) {
                if (!window.socket) { //先判断socket是否创建好
                    return;
                }
                if (socket.readyState === WebSocket.OPEN) {
                    //通过socket 发送消息
                    socket.send(websocketMessage)
                } else {
                    alert("连接没有开启");
                }
            }
        </script>
        <form onsubmit="return false">
            <textarea name="websocketMessage" style="height: 300px; width: 300px"></textarea>
            <input type="button" value="发生消息" onclick="send(this.form.websocketMessage.value)">
            <textarea id="responseText" style="height: 300px; width: 300px"></textarea>
            <input type="button" value="清空内容" onclick="document.getElementById('responseText').value=''">
        </form>
    </body>
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  • 参考链接:https://blog.csdn.net/qq_41889508/article/details/120233844
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