【Netty】高阶使用：IdleStateHandler 心跳检测，实现超时断开连接

灰太狼 2023-01-01 03:41 419阅读 0赞

通过前面几篇博客的各种代码示例，就算别的没记住，也应该对实验后 Client 不会自动断开连接，等手动关闭时会报错的情况应该印象很深把。因为 Netty 建立的是**长连接**，也就是说只要不在 Client 的代码中手动 `channel.close();` 那该连接就会一直保持着，直到客户端或者服务器一方关闭。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
也不是说长连接它就不好，但大家想想，每一个客户端都一直占着一个连接，即使它后面已经用不到服务器了，而服务器能承受的连接数是有限的，后面再来了真正有需求的用户，它也进不来了，而且长时间的高并发也可能导致服务器宕机。

所以，有没有一种办法，如果我一段时间用不到服务器，就把这个连接给关掉？答：心跳机制。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**（比如消息内容是某种要求格式、内容），通知对方自己还在线，以确保 TCP 连接的有效性。

在 Netty 中，实现心跳机制的关键是 IdleStateHandler（空闲状态处理器），它的作用跟名字一样，是用来监测连接的空闲情况。然后我们就可以根据心跳情况，来实现具体的处理逻辑，比如说断开连接、重新连接等等。

那么，这篇文章的思路有了！我们先来分析 IdleStateHandler 为什么能实现心跳检测，然后再看看如何编写 Server 处理逻辑…

### 1.IdleStateHandler 原理 ###

我们先来看一下 IdleStateHandler 的继承关系：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1][]

可以看到它也是一个 ChannelHandler，并且还是个 ChannelInboundHandler，是用来处理入站事件的。看下它的构造器：

public IdleStateHandler(
            int readerIdleTimeSeconds,
            int writerIdleTimeSeconds,
            int allIdleTimeSeconds) {
        
    
        this(readerIdleTimeSeconds, writerIdleTimeSeconds, allIdleTimeSeconds,
             TimeUnit.SECONDS);
    }

这里解释下三个参数的含义：

*  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

所以，跟编解码码器这些 ChannelHandler 一样，要实现 Netty 服务端心跳检测机制，也需要将 IdleStateHandler 注册到服务器端的 ChannelInitializer 中：

// 由于我们的需求是判断 Client 时候还要向 Server 发送请求，从而决定是否关闭该连接
    // 所以，我们只需要判断 Server 是否在时间间隔内从 Channel 读取到数据
    // 所以，readerIdleTimeSeconds 我们取 3s，而 writerIdleTimeSeconds 为 0
    pipeline.addLast(new IdleStateHandler(3, 0, 0));

> PS：这三个参数默认的时间单位是**秒**。若需要指定其他时间单位，可以使用另一个构造方法： public IdleStateHandler(boolean observeOutput,long readerIdleTime, long writerIdleTime, long allIdleTime,TimeUnit unit)

**IdleStateHandler 源码分析**

初步地看下 IdleStateHandler 源码，先看下 IdleStateHandler 中的 channelRead 方法：

@Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        
        if (readerIdleTimeNanos > 0 || allIdleTimeNanos > 0) {
        
            reading = true;
            firstReaderIdleEvent = firstAllIdleEvent = true;
        }
        // 该方法只是进行了透传，不做任何业务逻辑处理，
        // 让 channelPipe 中的下一个 handler 处理 channelRead 方法
        ctx.fireChannelRead(msg);
    }

我们再看看 channelActive 方法：

@Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        
        // This method will be invoked only if this handler was added
        // before channelActive() event is fired.  If a user adds this handler
        // after the channelActive() event, initialize() will be called by beforeAdd().
        initialize(ctx);
        super.channelActive(ctx);
    }

这里有个 initialize 方法，这是IdleStateHandler的精髓，接着探究：

private void initialize(ChannelHandlerContext ctx) {
        
        // Avoid the case where destroy() is called before scheduling timeouts.
        // See: https://github.com/netty/netty/issues/143
        switch (state) {
        
        case 1:
        case 2:
            return;
        }
    
        state = 1;
        initOutputChanged(ctx);
    
        lastReadTime = lastWriteTime = ticksInNanos();
        // 根据读超时、写超时、读写超时创建定时任务
        if (readerIdleTimeNanos > 0) {
        
        	// schedule 方法其实调用的线程池
            readerIdleTimeout = schedule(ctx, new ReaderIdleTimeoutTask(ctx),
                    readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
        if (writerIdleTimeNanos > 0) {
        
            writerIdleTimeout = schedule(ctx, new WriterIdleTimeoutTask(ctx),
                    writerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
        if (allIdleTimeNanos > 0) {
        
            allIdleTimeout = schedule(ctx, new AllIdleTimeoutTask(ctx),
                    allIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
    }

由于我们在上面创建 IdleStateHandler 时只是指定了 readerIdleTimeNanos=3，所以只会这里只会创建 ReaderIdleTimeoutTask。

> PS：当线程池要执行某个 Task 时，实际就是让工作线程去执行 Task 的 run 方法。

那么，我们下面就来看看 ReaderIdleTimeoutTask 这个 Task 里的 run 方法：

@Override
    protected void run(ChannelHandlerContext ctx) {
        
        long nextDelay = readerIdleTimeNanos;
        if (!reading) {
        
            // nextDelay 等于用当前时间减去最后一次 channelRead 方法调用的时间
            // 假如这个结果是 4s，说明最后一次调用 channelRead 已经是4s之前的事情了
            nextDelay -= ticksInNanos() - lastReadTime;
        }
    	
    	// 假如这个结果是 4s，说明最后一次调用 channelRead 已经是4s之前的事情了
        // 而上面我们设置的是读超时为3s，那么nextDelay则为-1，说明超时了
        if (nextDelay <= 0) {
        
            // Reader is idle - set a new timeout and notify the callback.
            // 重置定时任务，将delay设为 3s
            readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
    
            boolean first = firstReaderIdleEvent;
            firstReaderIdleEvent = false;
    
            try {
        
                IdleStateEvent event = newIdleStateEvent(IdleState.READER_IDLE, first);
                // 核心！！
                // channelIdle 实际调用的是 ctx.fireUserEventTriggered(evt)
                // 触发下一个 handler 的 UserEventTriggered 方法
                channelIdle(ctx, event);
            } catch (Throwable t) {
        
                ctx.fireExceptionCaught(t);
            }
        // 假如这个结果是 2s，说明最后一次调用 channelRead 已经是2s之前的事情了
        // 而上面我们设置的是读超时为3s，那么nextDelay则为1，说明没超时 
        } else {
        
            // Read occurred before the timeout - set a new timeout with shorter delay.
            // 重置定时任务，将delay设为 1
            readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, nextDelay, TimeUnit.NANOSECONDS);
        }
    }

上面的代码中两次重置 schedule 相当于循环，不断的更新定时时间(delay)

*  如果读超时了，就重置 delay 为初始值，并进入 UserEventTriggered() 用户自定义的处理逻辑中
 *  如果没有读超时，就更新 delay 为一个更小的值

至此我们将 IdleStateHandler 底层核心逻辑分析完了，但 IdleStateHandler 说到底也只是能做一个空闲状态监测，但是根据连接空闲情况关闭连接等逻辑还要我们自己实现。下面我们就来看看怎么做…

### 2.心跳检测 -> 断开连接 ###

HeartBeatServer

public class HeartBeatServer {
        
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
            EventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
            try {
        
                ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
                bootstrap.group(boss, worker)
                        .channel(NioServerSocketChannel.class)
                        .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        
                            @Override
                            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        
                                ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                                pipeline.addLast("decoder", new StringDecoder());
                                pipeline.addLast("encoder", new StringEncoder());
                                // IdleStateHandler 的 readerIdleTime 参数指定超过3秒还没收到客户端的连接，
                                // 会触发 IdleStateEvent 事件并且交给下一个 handler 处理，
                                // 下一个 handler 必须实现 userEventTriggered 方法处理对应事件
                                pipeline.addLast(new IdleStateHandler(3, 0, 0));
                                // 所以，HeartBeatServerHandler 必须要有实现 userEventTriggered 方法
                                pipeline.addLast(new HeartBeatServerHandler());
                            }
                        });
                ChannelFuture future = bootstrap.bind(9000).sync();
                System.out.println("Netty Server started...");
                future.channel().closeFuture().sync();
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            } finally {
        
                worker.shutdownGracefully();
                boss.shutdownGracefully();
            }
        }
    }

**HeartBeatServerHandler**（核心）

public class HeartBeatServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> {
        
    	
    	// 记录读超时几次了，用来判断是否断开该连接
        int readIdleTimes = 0;
    	
    	/*
    	* Channel 收到消息后触发
    	* 
    	* 注：心跳包说白了就是一个某些地方特殊的数据包
    	* 	  所以这里我们规定，如果消息内容是 "Heartbeat Packet"，那么它就是一个心跳包
    	*/
        @Override
        protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String s) throws Exception {
        
        	// 将收到的消息打印出来
            System.out.println(" ====== > [server] message received : " + s);
            // 如果消息内容是 Heartbeat Packet 则说明这是一个心跳包，我们返回 ok 
            if ("Heartbeat Packet".equals(s)) {
        
                ctx.channel().writeAndFlush("ok");
            // 其余情况说明收到的是一个正常消息，不做特殊处理
            } else {
        
                System.out.println(" 其他信息处理 ... ");
            }
        }
    	
    	/**
    	* 用户事件触发
    	* 
    	* 当 IdleStateHandler 发现读超时后，会调用 fireUserEventTriggered() 去执行后一个 Handler 的 userEventTriggered 方法。
    	* 所以，根据心跳检测状态去关闭连接的就写在这里！
    	*/
        @Override
        public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        
        	// 入站的消息就是 IdleStateEvent 具体的事件
            IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
    
            String eventType = null;
            // 我们在 IdleStateHandler 中也看到了，它有读超时，写超时，读写超时等
            // 所以，这里我们需要判断事件类型
            switch (event.state()) {
        
                case READER_IDLE:
                    eventType = "读空闲";
                    readIdleTimes++; // 读空闲的计数加 1
                    break;
                case WRITER_IDLE:
                    eventType = "写空闲";
                    break; // 不处理
                case ALL_IDLE:
                    eventType = "读写空闲";
                    break; // 不处理
            }
    		
    		// 打印触发了一次超时警告
            System.out.println(ctx.channel().remoteAddress() + "超时事件：" + eventType);
    
    		// 当读超时超过 3 次，我们就端口该客户端的连接
    		// 注：读超时超过 3 次，代表起码有 4 次 3s 内客户端没有发送心跳包或普通数据包
            if (readIdleTimes > 3) {
        
                System.out.println(" [server]读空闲超过3次，关闭连接，释放更多资源");
                ctx.channel().writeAndFlush("idle close");
                ctx.channel().close(); // 手动断开连接
            }
        }
    
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        
            System.err.println("=== " + ctx.channel().remoteAddress() + " is active ===");
        }
    }

HeartBeatClient

public class HeartBeatClient {
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
            try {
        
                Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
                bootstrap.group(eventLoopGroup).channel(NioSocketChannel.class)
                        .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        
                            @Override
                            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        
                                ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                                pipeline.addLast("decoder", new StringDecoder());
                                pipeline.addLast("encoder", new StringEncoder());
                                pipeline.addLast(new HeartBeatClientHandler());
                            }
                        });
    
                Channel channel = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000).sync().channel();
                System.out.println("Netty Client started...");
    			
    			// 心跳包内容
                String text = "Heartbeat Packet";
                Random random = new Random();
                // 随机休眠 10s 内的时间，然后发送心跳包
                // 也就是说，如果 num>3，那么就会触发一次Server的超时警告
                // 也就是说，如果 num>3 出现 4 次时，该连接就被 Server 强制关闭了
                // 也就是说，如果所有心跳包都能在 3s 内发送，那么连接就可以一直保持
                // 注：正因为 random，所以每次运行 Client 的结果是不确定的
                while (channel.isActive()) {
        
                    int num = random.nextInt(10);
                    Thread.sleep(num * 1000);
                    channel.writeAndFlush(text);
                }
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            } finally {
        
                eventLoopGroup.shutdownGracefully();
            }
        }
    
        static class HeartBeatClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> {
        
    
            @Override
            protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {
        
                System.out.println(" client received :" + msg);
                if (msg != null && msg.equals("idle close")) {
        
                    System.out.println(" 服务端关闭连接，客户端也关闭");
                    ctx.channel().closeFuture();
                }
            }
        }
    }

好了，我们把 Server、Client 运行一下看看

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

> 注：由于客户端设置的发送心跳包时间是随机的（\[0,10\]），所以多个 Client 的运行结果可能不同

**总结**

正是因为 Netty 封装了真么多功能丰富，稳定可靠的 Handler，所以 Dubbo 等 Rpc 框架，Zookeeper、Eureka 等中间件才会在底层 IO 采用它。就拿本篇的 IdleStateHandler 来说，有了它我们就很容易实现心跳监控连接情况，并做出相应处理，如果感兴趣的同学可以看看 zk 底层心跳机制的实现，它就是这样做的。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/1052d17957d845d7aaa7a2132f66e0c5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/e8a5829f42fd4f33abc47bb901d4106f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210101033640304.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center