手写QQ底层代码

出处：https://juejin.im/post/5c97ae12e51d45580b681b0b

一直想写一篇关于im即时通讯分享的文章，无奈工作太忙，很难抽出时间。今天终于从公司离职了，打算好好休息几天再重新找工作，趁时间空闲，决定静下心来写一篇文章，毕竟从前辈那里学到了很多东西。工作了五年半，这三四年来一直在做社交相关的项目，有直播、即时通讯、短视频分享、社区论坛等产品，深知即时通讯技术在一个项目中的重要性，本着开源分享的精神，也趁这机会总结一下，所以写下这篇文章，文中有不对之处欢迎批评与指正。

本文将介绍：

Protobuf序列化
TCP拆包与粘包
长连接握手认证
心跳机制
重连机制
消息重发机制
读写超时机制
离线消息
线程池
AIDL跨进程通信

本想花一部分时间介绍一下利用AIDL实现多进程通信，提升应用保活率，无奈这种方法在目前大部分Android新版本上已失效，而且也比较复杂，所以考虑再三，把AIDL这一部分去掉，需要了解的童鞋可以私信我。先来看看效果，由于Gif超过微信限制，请大家移步查看：

https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/4/22/16a42c85e653b88c?imageslim

不想看文章的同学可以直接移步到Github fork源码：github地址(https://github.com/FreddyChen/NettyChat)。接下来，让我们进入正题。

[h3]为什么使用TCP？[/h3]
这里需要简单解释一下，TCP/UDP/WebSocket的区别。这里就很好地解释了TCP/UDP的优缺点和区别(https://www.cnblogs.com/Leonardo-li/p/8206945.html)，以及适用场景，简单地总结一下：

优点：
- TCP的优点体现在稳定、可靠上，在传输数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制，在数据传完之后，还会断开连接用来节约系统资源。
- UDP的优点体现在快，比TCP稍安全，UDP没有TCP拥有的各种机制，是一个无状态的传输协议，所以传递数据非常快，没有TCP的这些机制，被攻击利用的机制就少一些，但是也无法避免被攻击。
缺点：
- TCP缺点就是慢，效率低，占用系统资源高，易被攻击，TCP在传递数据之前要先建立连接，这会消耗时间，而且在数据传递时，确认机制、重传机制、拥塞机制等都会消耗大量时间，而且要在每台设备上维护所有的传输连接。
- UDP缺点就是不可靠，不稳定，因为没有TCP的那些机制，UDP在传输数据时，如果网络质量不好，就会很容易丢包，造成数据的缺失。
适用场景：
- TCP：当对网络通讯质量有要求时，比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议， POP、SMTP等邮件传输的协议。
- UDP：对网络通讯质量要求不高时，要求网络通讯速度要快的场景。

至于WebSocket，后续可能会专门写一篇文章来介绍。综上所述，决定采用TCP协议。
[h1][/h1][h3]为什么使用Protobuf？[/h3]
对于App网络传输协议，我们比较常见的、可选的，有三种，分别是json/xml/protobuf，老规矩，我们先分别来看看这三种格式的优缺点：

优点：
- json优点就是较XML格式更加小巧，传输效率较xml提高了很多，可读性还不错。
- xml优点就是可读性强，解析方便。
- protobuf优点就是传输效率快（据说在数据量大的时候，传输效率比xml和json快10-20倍），序列化后体积相比Json和XML很小，支持跨平台多语言，消息格式升级和兼容性还不错，序列化反序列化速度很快。
缺点：
- json缺点就是传输效率也不是特别高（比xml快，但比protobuf要慢很多）。
- xml缺点就是效率不高，资源消耗过大。
- protobuf缺点就是使用不太方便。

在一个需要大量的数据传输的场景中，如果数据量很大，那么选择protobuf可以明显的减少数据量，减少网络IO，从而减少网络传输所消耗的时间。考虑到作为一个主打社交的产品，消息数据量会非常大，同时为了节约流量，所以采用protobuf是一个不错的选择。

[h3]为什么使用Netty？[/h3]
首先，我们来了解一下，Netty到底是个什么东西。网络上找到的介绍：Netty是由JBOSS提供的基于Java NIO的开源框架，Netty提供异步非阻塞、事件驱动、高性能、高可靠、高可定制性的网络应用程序和工具，可用于开发服务端和客户端。

为什么不用Java BIO？
- 一连接一线程，由于线程数是有限的，所以这样非常消耗资源，最终也导致它不能承受高并发连接的需求。
- 性能低，因为频繁的进行上下文切换，导致CUP利用率低。
- 可靠性差，由于所有的IO操作都是同步的，即使是业务线程也如此，所以业务线程的IO操作也有可能被阻塞，这将导致系统过分依赖网络的实时情况和外部组件的处理能力，可靠性大大降低。
为什么不用Java NIO？
- NIO的类库和API相当复杂，使用它来开发，需要非常熟练地掌握Selector、ByteBuffer、ServerSocketChannel、SocketChannel等。
- 需要很多额外的编程技能来辅助使用NIO,例如，因为NIO涉及了Reactor线程模型，所以必须必须对多线程和网络编程非常熟悉才能写出高质量的NIO程序。
- 想要有高可靠性，工作量和难度都非常的大，因为服务端需要面临客户端频繁的接入和断开、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络阻塞的问题，这些将严重影响我们的可靠性，而使用原生NIO解决它们的难度相当大。
- JDK NIO中著名的BUG--epoll空轮询，当select返回0时，会导致Selector空轮询而导致CUP100%，官方表示JDK1.6之后修复了这个问题，其实只是发生的概率降低了，没有根本上解决。
为什么用Netty？
- API使用简单，更容易上手，开发门槛低
- 功能强大，预置了多种编解码功能，支持多种主流协议
- 定制能力高，可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活地拓展
- 高性能，与目前多种NIO主流框架相比，Netty综合性能最高
- 高稳定性，解决了JDK NIO的BUG
- 经历了大规模的商业应用考验，质量和可靠性都有很好的验证。

以上摘自：为什么要用Netty开发(https://blog.csdn.net/xu_melon/article/details/79201198)

为什么不用第三方SDK，如：融云、环信、腾讯TIM？这个就见仁见智了，有的时候，是因为公司的技术选型问题，因为用第三方的SDK，意味着消息数据需要存储到第三方的服务器上，再者，可扩展性、灵活性肯定没有自己开发的要好，还有一个小问题，就是收费。比如，融云免费版只支持100个注册用户，超过100就要收费，群聊支持人数有限制等等...

Mina其实跟Netty很像，大部分API都相同，因为是同一个作者开发的。但感觉Mina没有Netty成熟，在使用Netty的过程中，出了问题很轻易地可以找到解决方案，所以，Netty是一个不错的选择。

好了，废话不多说，直接开始吧。

[h3]准备工作[/h3]
首先，我们新建一个Project，在Project里面再新建一个Android Library，Module名称暂且叫做im_lib，如图所示：

然后，分析一下我们的消息结构，每条消息应该会有一个消息唯一id，发送者id，接收者id，消息类型，发送时间等，经过分析，整理出一个通用的消息类型，如下：

msgId 消息id
fromId 发送者id
toId 接收者id
msgType 消息类型
msgContentType 消息内容类型
timestamp 消息时间戳
statusReport 状态报告
extend 扩展字段

根据上述所示，我整理了一个思维导图，方便大家参考：

这是基础部分，当然，大家也可以根据自己需要自定义比较适合自己的消息结构。

我们根据自定义的消息类型来编写proto文件。

然后执行命令（我用的mac，windows命令应该也差不多）：

然后就会看到，在和proto文件同级目录下，会生成一个java类，这个就是我们需要用到的东东：

我们打开瞄一眼：

东西比较多，不用去管，这是google为我们生成的protobuf类，直接用就行，怎么用呢？直接用这个类文件，拷到我们开始指定的项目包路径下就可以啦：

加依赖后，可以看到，MessageProtobuf类文件已经没有报错了，顺便把netty的jar包也导进来一下，还有fastjson的：

建议用netty-all-x.x.xx.Final的jar包，后续熟悉了，可以用精简的jar包。

至此，准备工作已结束，下面，我们来编写java代码，实现即时通讯的功能。
[h1][/h1][h3]封装[/h3]
为什么需要封装呢？说白了，就是为了解耦，为了方便日后切换到不同框架实现，而无需到处修改调用的地方。

举个栗子，比如Android早期比较流行的图片加载框架是Universal ImageLoader，后期因为某些原因，原作者停止了维护该项目，目前比较流行的图片加载框架是Picasso或Glide，因为图片加载功能可能调用的地方非常多，如果不作一些封装，早期使用了Universal ImageLoader的话，现在需要切换到Glide，那改动量将非常非常大，而且还很有可能会有遗漏，风险度非常高。
那么，有什么解决方案呢？

很简单，我们可以用工厂设计模式进行一些封装，工厂模式有三种：简单工厂模式、抽象工厂模式、工厂方法模式。在这里，我采用工厂方法模式进行封装，具体区别，可以参见：设计模式相关资料。

我们分析一下，ims（IM Service，下文简称ims）应该是有初始化、建立连接、重连、关闭连接、释放资源、判断长连接是否关闭、发送消息等功能，基于上述分析，我们可以进行一个接口抽象：

public interface IMSClientInterface {
/**
* 初始化
*
* @param serverUrlList 服务器地址列表
* @param listener 与应用层交互的listener
* @param callback ims连接状态回调
*/
void init(Vector serverUrlList, OnEventListener listener, IMSConnectStatusCallback callback);
/**
* 重置连接，也就是重连
* 首次连接也可认为是重连
*/
void resetConnect();
/**
* 重置连接，也就是重连
* 首次连接也可认为是重连
* 重载
*
* @param isFirst 是否首次连接
*/
void resetConnect(boolean isFirst);
/**
* 关闭连接，同时释放资源
*/
void close();
/**
* 标识ims是否已关闭
*
* @return
*/
boolean isClosed();
/**
* 发送消息
*
* @param msg
*/
void sendMsg(MessageProtobuf.Msg msg);
/**
* 发送消息
* 重载
*
* @param msg
* @param isJoinTimeoutManager 是否加入发送超时管理器
*/
void sendMsg(MessageProtobuf.Msg msg, boolean isJoinTimeoutManager);
/**
* 获取重连间隔时长
*
* @return
*/
int getReconnectInterval();
/**
* 获取连接超时时长
*
* @return
*/
int getConnectTimeout();
/**
* 获取应用在前台时心跳间隔时间
*
* @return
*/
int getForegroundHeartbeatInterval();
/**
* 获取应用在后台时心跳间隔时间
*
* @return
*/
int getBackgroundHeartbeatInterval();
/**
* 设置app前后台状态
*
* @param appStatus
*/
void setAppStatus(int appStatus);
/**
* 获取由应用层构造的握手消息
*
* @return
*/
MessageProtobuf.Msg getHandshakeMsg();
/**
* 获取由应用层构造的心跳消息
*
* @return
*/
MessageProtobuf.Msg getHeartbeatMsg();
/**
* 获取应用层消息发送状态报告消息类型
*
* @return
*/
int getServerSentReportMsgType();
/**
* 获取应用层消息接收状态报告消息类型
*
* @return
*/
int getClientReceivedReportMsgType();
/**
* 获取应用层消息发送超时重发次数
*
* @return
*/
int getResendCount();
/**
* 获取应用层消息发送超时重发间隔
*
* @return
*/
int getResendInterval();
/**
* 获取消息转发器
*
* @return
*/
MsgDispatcher getMsgDispatcher();
/**
* 获取消息发送超时定时器
*
* @return
*/
MsgTimeoutTimerManager getMsgTimeoutTimerManager();
}

复制代码

OnEventListener是与应用层交互的listener：

IMConnectStatusCallback是ims连接状态回调监听器：

然后写一个Netty tcp实现类：

接下来，写一个工厂方法：

封装部分到此结束，接下来，就是实现了。
由于干货过长，故分篇分享出来。精彩继续关注！

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