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1、心跳机制简介
在分布式系统中，分布在不同主机上的节点需要检测其他节点的状态，如服务器节点需要检测从节点是否失效。为了检测对方节点的有效性，每隔固定时间就发送一个固定信息给对方，对方回复一个固定信息，如果长时间没有收到对方的回复，则断开与对方的连接。
发包方既可以是服务端，也可以是客户端，这要看具体实现。因为是每隔固定时间发送一次，类似心跳，所以发送的固定信息称为心跳包。心跳包一般为比较小的包，可根据具体实现。心跳包主要应用于长连接的保持与短线链接。
一般而言，应该客户端主动向服务器发送心跳包，因为服务器向客户端发送心跳包会影响服务器的性能。
实现原理：长连接的维持，是要客户端程序，定时向服务端程序，发送一个维持连接包的。如果，长时间未发送维持连接包，服务端程序将断开连接。
2、心跳机制实现方式
心跳机制有两种实现方式，一种基于TCP自带的心跳包，TCP的SO_KEEPALIVE选项可以，系统默认的默认跳帧频率为2小时，超过2小时后，本地的TCP 实现会发送一个数据包给远程的 Socket. 如果远程Socket 没有发回响应, TCP实现就会持续尝试 11 分钟, 直到接收到响应为止。 否则就会自动断开Socket连接。但TCP自带的心跳包无法检测比较敏感地知道对方的状态，默认2小时的空闲时间，对于大多数的应用而言太长了。可以手工开启KeepAlive功能并设置合理的KeepAlive参数。
另一种在应用层自己进行实现，基本步骤如下：
- 1、Client使用定时器，不断发送心跳；
- 2、Server收到心跳后，回复一个包；
- 3、Server为每个Client启动超时定时器，如果在指定时间内没有收到Client的心跳包，则Client失效。
3、客户端
Client通过持有Socket的对象，可以随时（使用sendObject方法）发送Massage Object(消息)给服务端。
如果keepAliveDelay毫秒（程序中是2秒）内未发送任何数据，则自动发送一个KeepAlive Object(心跳)给服务端，用于维持连接。
由于，我们向服务端，可以发送很多不同的消息对象，服务端也可以返回不同的对象。所以，对于返回对象的处理，要编写具体的ObjectAction实现类进行处理。通过Client.addActionMap方法进行添加。这样，程序会回调处理
4 、服务端
由于客户端会定时（keepAliveDelay毫秒）发送维持连接的信息过来，所以，服务端要有一个检测机制。
即当服务端receiveTimeDelay毫秒（程序中是3秒）内未接收任何数据，则自动断开与客户端的连接。
ActionMapping的原理与客户端相似（相同）。
通过添加相应的ObjectAction实现类，可以实现不同对象的响应、应答过程。
5、代码实现
5.1 KeepAlive.java
package com.zyz.mynative.demo02;
/**
* @author zyz
* @version 1.0
* @data 2023/2/15 11:05
* @Description:
*/
import java.io.Serializable;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
/**
*
* 维持连接的消息对象（心跳对象）
* @author zyz
* @version 1.0
* @data 2023/2/15 11:05
* @Description:
*/
public class KeepAlive implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = -2813120366138988480L;
/* 覆盖该方法，仅用于测试使用。
* @see java.lang.Object#toString()
*/
@Override
public String toString() {
return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())+"\t维持连接包";
}
}
5.2 MyClient.java
package com.zyz.mynative.demo02;
/**
* @author zyz
* @version 1.0
* @data 2023/2/15 11:06
* @Description:
*/
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* C/S架构的客户端对象，持有该对象，可以随时向服务端发送消息。
*
* @author zyz
* @version 1.0
* @data 2023/2/15 11:06
* @Description:
*/
public class MyClient {
/**
* 处理服务端发回的对象，可实现该接口。
*/
public static interface ObjectAction {
void doAction(Object obj, MyClient client);
}
public static final class DefaultObjectAction implements ObjectAction {
@Override
public void doAction(Object obj, MyClient client) {
System.out.println("处理：\t" + obj.toString());
}
}
private String serverIp;
private int port;
private Socket socket;
//连接状态
private boolean running = false;
/**
* 最后一次发送数据的时间
*/
private long lastSendTime;
/**
* 用于保存接收消息对象类型及该类型消息处理的对象
*/
private ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction> actionMapping = new ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction>();
public MyClient(String serverIp, int port) {
this.serverIp = serverIp;
this.port = port;
}
public void start() throws UnknownHostException, IOException {
if (running) {
return;
}
socket = new Socket(serverIp, port);
System.out.println("本地端口：" + socket.getLocalPort());
lastSendTime = System.currentTimeMillis();
running = true;
//保持长连接的线程，每隔2秒项服务器发一个一个保持连接的心跳消息
new Thread(new KeepAliveWatchDog()).start();
//接受消息的线程，处理消息
new Thread(new ReceiveWatchDog()).start();
}
public void stop() {
if (running) {
running = false;
}
;
}
/**
* 添加接收对象的处理对象。
*
* @param cls 待处理的对象，其所属的类。
* @param action 处理过程对象。
*/
public void addActionMap(Class<Object> cls, ObjectAction action) {
actionMapping.put(cls, action);
}
public void sendObject(Object obj) throws IOException {
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
oos.writeObject(obj);
System.out.println("发送：\t" + obj);
oos.flush();
}
class KeepAliveWatchDog implements Runnable {
long checkDelay = 10;
//两秒钟检测一次
long keepAliveDelay = 2000;
@Override
public void run() {
while (running) {
if (System.currentTimeMillis() - lastSendTime > keepAliveDelay) {
try {
MyClient.this.sendObject(new KeepAlive());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
MyClient.this.stop();
}
lastSendTime = System.currentTimeMillis();
} else {
try {
Thread.sleep(checkDelay);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
MyClient.this.stop();
}
}
}
}
}
class ReceiveWatchDog implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (running) {
try {
InputStream in = socket.getInputStream();
if (in.available() > 0) {
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);
Object obj = ois.readObject();
System.out.println("接收：\t" + obj);
ObjectAction oa = actionMapping.get(obj.getClass());
oa = oa == null ? new DefaultObjectAction() : oa;
oa.doAction(obj, MyClient.this);
} else {
Thread.sleep(10);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
MyClient.this.stop();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
String serverIp = "127.0.0.1";
int port = 65432;
MyClient client = new MyClient(serverIp, port);
client.start();
}
}
5.3 MyServer
package com.zyz.mynative.demo02;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* C/S架构的服务端对象。
*
* @author zyz
* @version 1.0
* @data 2023/2/15 11:08
* @Description:
*/
public class MyServer {
/**
* 要处理客户端发来的对象，并返回一个对象，可实现该接口。
*/
public interface ObjectAction {
Object doAction(Object rev, MyServer server);
}
public static final class DefaultObjectAction implements ObjectAction {
@Override
public Object doAction(Object rev, MyServer server) {
System.out.println("处理并返回：" + rev);
return rev;
}
}
private int port;
private volatile boolean running = false;
private long receiveTimeDelay = 3000;
/**
* ConcurrentHashMap是线程安全的，ConcurrentHashMap并非锁住整个方法，
* 而是通过原子操作和局部加锁的方法保证了多线程的线程安全，且尽可能减少了性能损耗。
*/
private ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction> actionMapping = new ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction>();
private Thread connWatchDog;
public MyServer(int port) {
this.port = port;
}
/**
* 通过继承Runnable ,开启线程
*/
public void start() {
if (running) {
return;
}
;
running = true;
connWatchDog = new Thread(new ConnWatchDog());
connWatchDog.start();
}
@SuppressWarnings("deprecation")
public void stop() {
if (running) {
running = false;
}
;
if (connWatchDog != null) {
connWatchDog.stop();
}
;
}
public void addActionMap(Class<Object> cls, ObjectAction action) {
actionMapping.put(cls, action);
}
/**
* 继承Runnable 重写run方法、实现线程
*/
class ConnWatchDog implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(port, 5);
while (running) {
Socket s = ss.accept();
new Thread(new SocketAction(s)).start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
MyServer.this.stop();
}
}
}
/**
* 继承Runnable 重写run方法、实现线程，通过匿名内部类
*/
class SocketAction implements Runnable {
Socket s;
boolean run = true;
long lastReceiveTime = System.currentTimeMillis();
public SocketAction(Socket s) {
this.s = s;
}
@Override
public void run() {
while (running && run) {
if (System.currentTimeMillis() - lastReceiveTime > receiveTimeDelay) {
overThis();
} else {
try {
InputStream in = s.getInputStream();
if (in.available() > 0) {
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);
Object obj = ois.readObject();
lastReceiveTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("接收：\t" + obj);
ObjectAction oa = actionMapping.get(obj.getClass());
oa = oa == null ? new DefaultObjectAction() : oa;
Object out = oa.doAction(obj, MyServer.this);
if (out != null) {
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(s.getOutputStream());
oos.writeObject(out);
oos.flush();
}
} else {
Thread.sleep(10);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
overThis();
}
}
}
}
private void overThis() {
if (run) {
run = false;
}
;
if (s != null) {
try {
s.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("关闭：" + s.getRemoteSocketAddress());
}
}
public static void main(String[] args) {
int port = 65432;
MyServer server = new MyServer(port);
server.start();
}
}
5.4 测试结果
先开启服务端，在开启客户端
参考资料：