基于Netty，从零开发IM(二)：编码实践篇（im单聊功能）
本文由作者“大白菜”分享，个人博客 cmsblogs.cn，有较多修订和改动。注意：本系列是给IM初学者的文章，IM老油条们还望海涵，勿喷！
1、引言
接上篇《IM系统设计篇》，本篇主要讲解的是通过实战编码实现IM的单聊功能，内容涉及技术原理、编码实践。
补充说明：因为本系列文章主要目的是引导IM初学者在基于Netty的情况下，如何一步一步从零写出IM的逻辑和思维能力，因而为了简化编码实现，本系列中编码实现的客户端都是基于控制台实现的（希望不要被嫌弃），因为理解技术的本质显然比炫酷的外在表现形式更为重要。
2、写在前面
建议你在阅读本文之前，务必先读本系列首篇《IM系统设计篇》，在着重理解IM系统的理论设计思路之后，再来读实战代码则效果更好。
最后，在开始本文之前，请您务必提前了解Netty的相关基础知识，可从本系列首篇《IM系统设计篇》中的“知识准备”一章开始。
3、系列文章
本文是系列文章的第2篇，以下是系列目录：
- 《基于Netty，从零开发IM(一)：IM系统设计篇》
- 《基于Netty，从零开发IM(二)：编码实践篇（单聊功能）》（* 本文）
- 《基于Netty，从零开发IM(三)：编码实践篇（群聊功能）》（稍后发布.. ）
- 《基于Netty，从零开发IM(四)：编码实践篇（系统优化）》（稍后发布.. ）
4、运行效果
本篇我们主要来实现的是IM单聊功能，具体就是：模拟IM聊天的两个用户分别登陆各自的账号，然后可以互相发送聊天消息。
我们提前看一下本篇要实现的功能运行效果。
客户端 1 登陆效果：
客户端 2 登陆效果：
客户端 1 发送消息效果图：
客户端 2 接受消息效果图：
5、技术原理
5.1 概述
上节中，可以看到此次实战的运行效果是一个基于 console 控制台的聊天，根据上篇《IM系统设计篇》的思路设计，我们也知道主要核心是服务端保存一份关系映射，通过接受人 ID 找到对应的通道进行消息发送。
但是，我们要想实现具体的功能，则需要大体上做一个核心技术实现步骤的拆解，具体拆分成以下三步。
5.2 第一步： 编码和解码的实现
针对IM单聊功能，有两个核心技术点：
- 1）一是序列化和反序列化；
- 2）二是通讯协议实现。
客户端和服务端之间的数据通讯，我们是基于实体对象去交互的，这样数据格式更加的方便。
对于实体对象的序列化和反序列化，推荐使用 Fastjson 框架去实现，而不是Netty官方示例所使用的对象流。
同时为了更加规范的管理不同业务实体，我们需要定义一个实体基类，所有的业务实体都继承它（下面的章节会详细讲解）。
5.3 第二步： 登录和消息发送两个业务点的实现
登录主要是为了让用户 ID 和通道（就是Netty中的Channel，也即网络连接）进行绑定。
在登录成功之后为 Channel 通过 attr() 方法绑定该用户 ID，主要目的有三个：
- 1）客户端A在发送消息时，服务端可以通过 Channel 获取消息发送者的用户ID，以便知道消息是“谁”发过来的；
- 2）服务端在收到客户端A发过来的消息时，通过消息中的接收者用户ID，可以获取接收者的Channel，以便知道消息该发给“谁”；
- 3）在 Channel 断开的时候，服务端可以监听到 Channel，并且获取 Channel 的属性，从而删除对应的用户ID和Chennel映射关系。
对于业务处理来说，用户登录和消息发送是两个不同的业务点，一般来说需要定义多个 Handler 来分别处理，但是这里为了减少 Handler 的数量，统一一个 Handler 处理。
* 友情提示：用户ID和Chennel的绑定，可以参考成熟的开源IM工程 MobileIMSDK 中的实现逻辑 OnlineProcessor.java，以便通过更接近IM产品级实践进行学习。
5.4 第三步： 映射关系的实现
前面也分析过了，服务端需要保存一份用户ID和Channel映射关系，这个映射关系只需要使用一个 Map 进行存储即可，即 Map<Integer,Channel>，其中：key 是用户 ID、value 是 Channel（Channel也就是客户端的网络连接对象啦）。
这部分需要交待的不多，理解清楚用户ID和Channel的关系就足够了。
接下来就是具体的编码实战了。。。
6、实体定义实战
实体的设计，主要从两个方面进行入手考虑：
- 1）通讯协议的规则，分别是协议标识符、业务指令、数据长度、数据四个部分；
- 2）不同业务对应不同的字段属性。
具体如下图所示：
基础实体：
主要定义 tag 字段，标识协议的标识符，code () 抽象方法，主要表示的是业务指令，不同的业务对应不同的指令。
public abstract class BaseBean implements Serializable {
private Integer tag=1;//固定值，标识的是一个协议类型，不同协议对应不同的值
public abstract Byte code();//业务指令抽象方法
}
登录请求实体：
public class LoginReqBean extends BaseBean implements Serializable {
private Integer userid;//用户ID
private String username;//用户名称
public Byte code() {
return 1;//业务指令
}
}
登录响应实体：
public class LoginResBean extends BaseBean implements Serializable {
private Integer status;//响应状态，0登录成功，1登录失败
private String msg;//响应信息
private Integer userid;//用户ID
public Byte code() {
return 2;//业务指令
}
}
消息发送实体：
public class MsgReqBean extends BaseBean implements Serializable {
private Integer fromuserid;//发送人ID
private Integer touserid;//接受人ID
private String msg;//发送消息
public Byte code() {
return 3;//业务指令
}
}
消息响应响应：
public class MsgResBean extends BaseBean implements Serializable {
private Integer status;//响应状态，0发送成功，1发送失败
private String msg;//响应信息
public Byte code() {
return 4;//业务指令
}
}
消息接受实体：
public class MsgRecBean extends BaseBean implements Serializable {
private Integer fromuserid;//发送人ID
private String msg;//消息
public Byte code() {
return 5;//业务指令
}
}
7、编码和解码实战
7.1 依赖坐标
<dependency>
<groupId>com.alibaba</groupId>
<artifactId>fastjson</artifactId>
<version>1.2.47</version>
</dependency>
7.2 编码实现
public class MyEncoder extends MessageToByteEncoder<BaseBean> {
protected void encode(
ChannelHandlerContext channelHandlerContext,
BaseBean baseBean,
ByteBuf byteBuf) throws Exception {
//1.把实体序列化成字节数字
byte[] bytes= JSON.toJSONBytes(baseBean);
//2.根据协议组装数据
byteBuf.writeInt(baseBean.getTag());//标识（4个字节）
byteBuf.writeByte(baseBean.code());//指令（1个字节）
byteBuf.writeInt(bytes.length);//长度（4个字节）
byteBuf.writeBytes(bytes);//
}
}
7.3 解码实现
public class MyDecoder extends ByteToMessageDecoder {
protected void decode(
ChannelHandlerContext channelHandlerContext,
ByteBuf byteBuf,
List<Object> list) throws Exception {
//1.根据协议取出数据
int tag=byteBuf.readInt();//标识符
byte code=byteBuf.readByte();//获取指令
int len=byteBuf.readInt();//获取数据长度
byte[] bytes=new byte[len];
byteBuf.readBytes(bytes);
//2.根据code获取类型
Class<? extendsBaseBean> c= MapUtils.getBean(code);
//3.反序列化
BaseBean baseBean=JSON.parseObject(bytes,c);
list.add(baseBean);
}
}
7.4 指令和实体关系
为什么需要这么一个工具类呢？指令表示的是业务类型，不同的业务对应不同的实体，那么解码的时候，怎么知道反序列化成什么样的实体呢？思路是获取到的指令，再根据指令找到对应的实体即可。
public class MapUtils {
//1. 自定义指令
private static Byte codeLoginReq=1;
private static Byte codeLoginRes=2;
private static Byte codeMsgReq=3;
private static Byte codeMsgRes=4;
private static Byte codeMsgRec=5;
//2. 自定义一个Map，专门管理指令和实体的关系
private static Map<Byte, Class<? extends BaseBean>> map=new HashMap<Byte,Class<? extends BaseBean>>();
//3. 初始化
static{
map.put(codeLoginReq, LoginReqBean.class);
map.put(codeLoginRes, LoginResBean.class);
map.put(codeMsgReq, MsgReqBean.class);
map.put(codeMsgRes, MsgResBean.class);
map.put(codeMsgRec, MsgRecBean.class);
}
//4. 根据指令获取对应的实体
public static Class<? extends BaseBean> getBean(Byte code){
try{
return map.get(code);
}catch(Exception e){
throw new RuntimeException(e.getMessage());
}
}
}
8、客户端代码实战
8.1 Pipeline 管理链表
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
public void initChannel(SocketChannel ch) {
//1.拆包器
ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(Integer.MAX_VALUE,5,4));
//2.自定义解码器
ch.pipeline().addLast(new MyDecoder());
//3.自定义业务
ch.pipeline().addLast(new ClientChatHandler());
//4.自定义编码器
ch.pipeline().addLast(new MyEncoder());
}
});
8.2 业务 Handler
所有的业务处理在同一个 Handler 里面进行处理，通过判断实体类型来区分不同的业务处理。
public class ClientChatHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
//通道就绪时，发起登录请求
login(ctx.channel());
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//根据msg做类型判断，不同的业务做不同的处理
if(msg instanceof LoginResBean){
//1.登录结果响应
LoginResBean res=(LoginResBean) msg;
System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>登录响应："+res.getMsg());
if(res.getStatus()==0){
//1.登录成功，则给通道绑定属性
ctx.channel().attr(AttributeKey.valueOf("userid")).set(res.getUserid());
//2.调用发送消息方法
sendMsg(ctx.channel());
}else{
//1.登录失败，调用登录方法
login(ctx.channel());
}
}elseif(msg instanceof MsgResBean){
//1.发送消息结果响应
MsgResBean res=(MsgResBean)msg;
System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>发送响应："+res.getMsg());
}else if(msg instanceof MsgRecBean){
//2.接受消息
MsgRecBean res=(MsgRecBean)msg;
System.out.println("fromuserid="+res.getFromuserid()+",msg="+res.getMsg());
}
}
//登录方法
private void login(Channel channel){
Scanner scanner=new Scanner(System.in);
System.out.println(">>用户ID：");
Integer userid=scanner.nextInt();
System.out.println(">>用户名称：");
String username=scanner.next();
LoginReqBean bean=new LoginReqBean();
bean.setUserid(userid);
bean.setUsername(username);
channel.writeAndFlush(bean);
}
//发送消息方法
private void sendMsg(finalChannel channel){
final Scanner scanner=new Scanner(System.in);
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while(true){
System.out.println(">>接收人ID：");
Integer touserid=scanner.nextInt();
System.out.println(">>聊天内容：");
String msg=scanner.next();
MsgReqBean bean=new MsgReqBean();
//从通道属性获取发送人ID
Integer fromuserid=(Integer) channel.attr(
AttributeKey.valueOf("userid")
).get();
//发送人ID
bean.setFromuserid(fromuserid);
//接受人ID
bean.setTouserid(touserid);
//发送消息
bean.setMsg(msg);
channel.writeAndFlush(bean);
}
}
}).start();
}
}
9、服务端代码实战
9.1 Pipeline 管理链表
.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
//1.拆包器
ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(Integer.MAX_VALUE,5,4));
//2.自定义解码器
ch.pipeline().addLast(new MyDecoder());
//3.业务Handler
ch.pipeline().addLast(new ServerChatHandler());
//4.自定义编码器
ch.pipeline().addLast(new MyEncoder());
}
});
9.2 业务 Handler
public class ServerChatHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{
//1.定义一个Map（key是用户ID，value是连接通道）
private static Map<Integer, Channel> map=new HashMap<Integer, Channel>();
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if(msg instanceof LoginReqBean){
//1.登录请求
login((LoginReqBean) msg,ctx.channel());
}else if(msg instanceof MsgReqBean){
//2.发送消息请求
sendMsg((MsgReqBean)msg,ctx.channel());
}
}
//登录处理方法
private void login(LoginReqBean bean, Channel channel){
LoginResBean res=new LoginResBean();
//从map里面根据用户ID获取连接通道
Channel c=map.get(bean.getUserid());
if(c==null){
//通道为空，证明该用户没有在线
//1.添加到map
map.put(bean.getUserid(),channel);
//2.给通道赋值
channel.attr(AttributeKey.valueOf("userid")).set(bean.getUserid());
//3.响应
res.setStatus(0);
res.setMsg("登录成功");
res.setUserid(bean.getUserid());
channel.writeAndFlush(res);
}else{
//通道不为空，证明该用户已经在线了
res.setStatus(1);
res.setMsg("该账户目前在线");
channel.writeAndFlush(res);
}
}
//消息发送处理方法
private void sendMsg(MsgReqBean bean,Channel channel){
Integer touserid=bean.getTouserid();
Channel c=map.get(touserid);
if(c==null){
MsgResBean res=new MsgResBean();
res.setStatus(1);
res.setMsg(touserid+",不在线");
channel.writeAndFlush(res);
}else{
MsgRecBean res=new MsgRecBean();
res.setFromuserid(bean.getFromuserid());
res.setMsg(bean.getMsg());
c.writeAndFlush(res);
}
}
}
10、本篇小结
本篇主要编码实战了IM的单聊功能，实现思路相对还是稍微有点小复杂。
大家主要核心掌握以下几点思路就可以了：
- 1）不同的业务可设置不同的实体和指令，需要把指令和实体的关系管理起来，方便反序列化的时候，可以根据指令来反序列化到具体实体；
- 2）需要把用户 ID 和通道的关系管理起来（方便根据用户ID找到Channel通道，反过来也一样），并且灵活运用 Channel 的 attr () 方法，该方法可以绑定属性值，非常的有用。
11、参考资料
[2] 自已开发IM很难？手把手教你撸一个Andriod版IM
[10] 基于Netty，搭建高性能IM集群（含技术思路+源码）
[11] SpringBoot集成开源IM框架MobileIMSDK，实现即时通讯IM聊天功能
学习交流：
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（备用地址点此）
（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-3974-1-1.html）
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- 基于Netty，徒手撸IM(一)：IM系统设计篇 2022-07-04
- 跟着源码学IM(十)：基于Netty，搭建高性能IM集群（含技术思路+源码） 2022-01-19
- 一套十万级TPS的IM综合消息系统的架构实践与思考 2022-06-30
- 给学习加点实践，开发一个分布式IM(即时通信)系统！ 2021-08-20
- 万字长文：手把手教你实现一套高效的IM长连接自适应心跳保活机制 2022-05-23
