2024.2.25 模拟实现 RabbitMQ —— 网络通信设计（服务器）

引言

约定应用层的通信协议

自定义应用层协议

Type

Length

PayLod

实现 Broker Server 类

属性与构造

启动 Broker Server

停止 Broker Server

处理客户端连接

读取请求与写回响应

根据请求计算响应

清除 channel

引言

生产者和消费者都是客户端，均通过网络和 Broker Server 进行通信

注意点一：

此处我们将使用 TCP 协议来作为通信的底层协议

注意点二：

TCP 是有连接的（Connection）
由于创建/断开 TCP 连接的成本还挺高，需要三次握手啥的
所以为了能够让 TCP 连接得到复用
我们还将创建一个 Channel 类作为 Connection 内部的逻辑上的连接
即一个 Connection 中可能有多个 Channel（一个管道，多个网线传输的效果）

约定应用层的通信协议

此处要交互的 Message 为二进制数据
HTTP 为文本协议，JSON 为文本格式，不适用此处场景
所以我们自定义一个应用层协议，使用二进制的方式来传输数据！

自定义应用层协议

Type

type 描述当前这个请求或响应是干啥的

具体理解：

在我们的 MQ 中，客户端（生产者 + 消费者）和服务器（Broker Server）之间要进行的操作就是 VirtualHost 中的那些核心 API
我们希望客户端通过网络能够远程调用 VirtualHost 中的核心 API
此处 type 就是在描述当前这个请求/响应是在调用哪个 API
取值如下：
0x1 创建 channel
0x2 关闭 channel
0x3 创建 exchange
0x4 销毁 exchange
0x5 创建 queue
0x6 销毁 queue
0x7 创建 binding
0x8 销毁 binding
0x9 发送 message
0xa 订阅 message
0xb 返回 ack
0xc 服务器给客户端推送消息（被订阅的消息）响应独有的

Length

length 用来描述 payload 长度（防止粘包问题）

PayLod

payload 会根据当前是请求还是响应，以及当前的 type 有不同的取值

实例理解

实例一：

比如 type 是 0x3（创建交换机），同时当前是一个请求
此时 payload 里的内容，就相当于是 exchangeDeclare 的参数序列化的结果

具体代码实现：

按照上述自定义应用层协议创建 Request 类
import lombok.Data;/*
* 表示一个网络通信中的请求对象，按照自定义协议的格式来展开的
* */
@Data
public class Request {private int type;private int length;private byte[] payload;
}
按照上述自定义应用层协议创建 BasicArguments 类用于表示各方法的公共参数
import lombok.Data;import java.io.Serializable;/*
* 使用这个类表示方法的公共参数/辅助的字段
* 后续使用每个方法又会有一些不同的参数，不同的参数再分别使用不同的子类来表示
* */
@Data
public class BasicArguments implements Serializable {
//    表示一次请求/响应 的身份标识，可以把请求和响应对上protected String rid;
//    这个通信使用的 channel 的身份标识protected String channelId;
}
每个方法有不同的参数，此处实例 type = 0x3 ，即创建交换机（exchangeDeclare）
所以我们根据 VirtualHost 中的 exchangeDeclare 方法中的参数，单独创建一个类出来
该类还需继承用于表示公共参数的 BasicArguments 类
import com.example.demo.mqserver.core.ExchangeType;
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;import java.io.Serializable;
import java.util.Map;@Getter
@Setter
public class ExchangeDeclareArguments extends BasicArguments implements Serializable {private String exchangeName;private ExchangeType exchangeType;private boolean durable;private boolean autoDelete;private Map<String,Object> arguments;
}
注意：

其他 type 类型（除 0x1、0x2 、0xa 外）也均根据其在 VirtualHost 中对应的参数，单独创建一个类即可
0x1 和 0x2 分别为创建 channel 和关闭 channel，二者 API 所需参数就是公共参数，使用 BasicArguments 类即可，无需单独创建类
type = 0xa，即订阅消息（basicConsume），后文详细讲解

实例二：

比如 type = 0x3（创建交换机），同时当前是一个响应
此时 payload 里的内容，就是 exchangeDeclare 的返回结果的序列化内容

具体代码实现：

按照上述自定义应用层协议创建 Response 类
import lombok.Data;/*
* 这个对象表示一个响应，也是根据自定义应用层协议来的
* */
@Data
public class Response {private int type;private int length;private byte[] payload;
}
按照上述自定义应用层协议创建 BasicReturns 类用于表示远程调用方法的返回值
import lombok.Data;import java.io.Serializable;/*
* 这个类表示各个远程调用的方法的返回值和公共信息
* */
@Data
public class BasicReturns implements Serializable {
//    用来标识唯一的请求和响应protected String rid;
//    用来标识一个 channelIdprotected String channelId;
//    表示当前这个远程调用方法的返回值protected boolean ok;
}
注意：

其他 type 类型（除 0xc 外）均使用 BasicReturns 类中的成员变量作为返回参数
type = 0xc，该 type 类型为响应独占，表示服务器给客户端推送消息（被订阅的消息），后文详解讲解

特例一：

比如 type = 0xa（订阅消息），同时当前是一个请求
这个核心 API 比较特殊，其参数中包含有回调函数

具体代码编写：

我们根据 VirtualHost 中的 BasicConsume 方法中的参数，单独创建一个类出来
并且该类也要继承用于表示公共参数的 BasicArguments 类
唯一不同的是，其中用于表示回调函数的参数 consumer 我们不写入该类中
也就代表着在客户端发送请求时，不再携带 consumer 参数
因为在 broker server 这边，我们规定 BasicConsume 的回调方法统一为将收到的消息返回给消费者
消费者仅需收到消息后，再在客户端自己这边执行一个用户自定义的回调就行了！
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;import java.io.Serializable;@Getter
@Setter
public class BasicConsumeArguments extends BasicArguments implements Serializable {private String consumerTag;private String queueName;private boolean autoAck;
//    这个类对应的 basicConsume 方法中，还有一个参数，是回调函数(如何来有效处理消息)
//    这个回调函数，是不能通过网络传输的
//    站在 broker server 这边，针对消息的处理问题，其实是统一的(把消息返回给客户端)
//    客户端这边收到消息之后，再在客户端自己这边执行一个用户自定义的回调就行了
//    此时客户端就不需要把自身的回调告诉服务器了！
//    这个类就不需要 consumer 成员了
}
特列二：

type = 0xc，即服务器给客户端推送消息（被订阅的消息），该类型一定是一个响应！

如上图所示的蓝色部分
此处我们定义一个 SubScribeReturns 类用于表示在消费者订阅队列之后，服务器给消费推送消息的响应参数
此处仍需继承一下代表响应公共参数的 BasicReturns 类
import com.example.demo.mqserver.core.BasicProperties;
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;import java.io.Serializable;@Getter
@Setter
public class SubScribeReturns extends BasicReturns implements Serializable {private String consumerTag;private BasicProperties basicProperties;private byte[] body;
}
注意：

SubScribeReturns 类虽然继承了 BasicReturns 类
但是在返回时，无需填写 BasicReturns 类中的成员变量 rid
因为该响应无相对应的请求，故该响应无 rid，即将 rid 设为空字符串即可

小结：

上述内容属于服务器程序的关键环节，自定义应用层协议

实现 Broker Server 类

属性与构造

/*
* 这个 BrokerServer 就是咱们 消息队列 本体服务器
* 本质上就是一个 TCP 的服务器
* */
public class BrokerServer {private ServerSocket serverSocket = null;//    当前考虑一个 BrokerServer 上只有一个 虚拟主机private VirtualHost virtualHost = new VirtualHost("default");
//    使用这个 哈希表 表示当前的所有会话(也就是说有哪些客户端正在和咱们的服务器进行通信)
//    此处的 key 是 channelId，value 为对应的 Socket 对象private ConcurrentHashMap<String, Socket> sessions = new ConcurrentHashMap<String,Socket>();
//    引入线程池，来处理多个客户端的请求private ExecutorService executorService = null;
//    引入一个 Boolean 变量控制服务器是否继续运行private volatile boolean runnable = true;public BrokerServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}
}

启动 Broker Server

public void start() throws IOException {System.out.println("[BrokerServer] 启动！");executorService = Executors.newCachedThreadPool();try {while (runnable) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//            把处理连接的逻辑丢给这个线程池executorService.submit(() ->{processConnection(clientSocket);});}}catch (SocketException e){System.out.println("[BrokerServer] 服务器停止运行！");}}

停止 Broker Server

//    一般来说停止服务器，就是直接 kill 掉对应进程就行了
//    此处还是搞一个单独的停止方法，主要是用于后续的单元测试public void stop() throws IOException {runnable = false;
//        把线程池中的任务都放弃了，让线程都销毁executorService.shutdownNow();serverSocket.close();}

处理客户端连接

//    通过这个方法来处理一个客户端的连接
//    在这一个连接中，可能会涉及到多个请求和响应private void processConnection(Socket clientSocket){try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
//            这里需要按照特定格式来读取并解析，此时就需要用到 DataInputStream 和 DataOutputStreamtry (DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(inputStream);DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(outputStream)){while (true) {
//                    1、读取请求并解析Request request = readRequest(dataInputStream);
//                    2、根据请求计算响应Response response = process(request,clientSocket);
//                    3、把响应写回给客户端writeResponse(dataOutputStream,response);}}} catch (EOFException | SocketException e) {
//                对于这个代码，DataInputStream 如果读到 EOF，就会抛出一个 EOFException 异常
//                需要借助这个异常来结束循环System.out.println("[BrokerServer] connection 关闭！客户端的地址：" + clientSocket.getInetAddress().toString()+ ":" + clientSocket.getPort());} catch (IOException | ClassNotFoundException | MqException e) {System.out.println("[BrokerServer] connection 出现异常！");e.printStackTrace();}finally {try {
//            当连接处理完了，就需要记得关闭 socketclientSocket.close();
//            一个 TCP 连接中，可能包含多个 channel 需要把当前这个 socket 对应的所有 channel 也顺便清理掉clearClosedSession(clientSocket);}catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}

读取请求与写回响应

    private Request readRequest(DataInputStream dataInputStream) throws IOException {Request request = new Request();request.setType(dataInputStream.readInt());request.setLength(dataInputStream.readInt());byte[] payload = new byte[request.getLength()];int n = dataInputStream.read(payload);if(n != request.getLength()) {throw new IOException("读取请求格式出错！");}request.setPayload(payload);return request;}private void writeResponse(DataOutputStream dataOutputStream, Response response) throws IOException {dataOutputStream.writeInt(response.getType());dataOutputStream.writeInt(response.getLength());dataOutputStream.write(response.getPayload());
//        这个刷新缓冲区也是重要的操作，保证当前写的这些数据能够快速进入到网卡里，而不至于在内存中呆着dataOutputStream.flush();}

根据请求计算响应

根据不同的 type 类型，来远程调用 VirtualHost 中不同的核心 API

具体代码编写：

private Response process(Request request, Socket clientSocket) throws IOException, ClassNotFoundException, MqException {
//        1、把 request 中的 payload 做一个初步的解析BasicArguments basicArguments = (BasicArguments) BinaryTool.fromBytes(request.getPayload());System.out.println("[Request] rid = " + basicArguments.getRid() + ", channelId = " + basicArguments.getChannelId()+ ", type = " + request.getType() + ", length = " + request.getLength());
//        2、根据 type 的值，来进一步区分接下来这次请求要干啥boolean ok = true;if(request.getType() == 0x1) {
//            创建 channelsessions.put(basicArguments.getChannelId(), clientSocket);System.out.println("[BrokerServer] 创建 channel 完成！ channelId = " + basicArguments.getChannelId());}else if(request.getType() == 0x2) {
//            销毁 channelsessions.remove(basicArguments.getChannelId());System.out.println("[BrokerServer] 销毁 channel 完成！ channelId = " + basicArguments.getChannelId());} else if(request.getType() == 0x3) {
//            创建交换机，此时 payload 就是 ExchangeDeclareArguments 对象了ExchangeDeclareArguments arguments = (ExchangeDeclareArguments) basicArguments;ok = virtualHost.exchangeDeclare(arguments.getExchangeName(),arguments.getExchangeType(),arguments.isDurable(),arguments.isAutoDelete(),arguments.getArguments());} else if(request.getType() == 0x4) {
//            删除交换机，此时 payload 就是 ExchangeDeleteArguments 对象了ExchangeDeleteArguments arguments = (ExchangeDeleteArguments) basicArguments;ok = virtualHost.exchangeDelete(arguments.getExchangeName());} else if(request.getType() == 0x5) {
//            创建队列，此时 payload 就是 QueueDeclareArguments 对象了QueueDeclareArguments arguments = (QueueDeclareArguments) basicArguments;ok = virtualHost.queueDeclare(arguments.getQueueName(),arguments.isDurable(),arguments.isExclusive(),arguments.isAutoDelete(),arguments.getArguments());} else if(request.getType() == 0x6){
//            销毁队列，此时 payload 就是 QueueDeleteArguments 对象了QueueDeleteArguments arguments = (QueueDeleteArguments) basicArguments;ok = virtualHost.queueDelete(arguments.getQueueName());} else if(request.getType() == 0x7){
//            创建绑定，此时 payload 就是 QueueBindArguments 对象了QueueBindArguments arguments = (QueueBindArguments) basicArguments;ok = virtualHost.queueBind(arguments.getQueueName(), arguments.getExchangeName(), arguments.getBindingKey());} else if(request.getType() == 0x8){
//            删除绑定，此时 payload 就是 QueueUnbindArguments 对象了QueueUnbindArguments arguments = (QueueUnbindArguments) basicArguments;ok = virtualHost.queueUnbind(arguments.getQueueName(),arguments.getExchangeName());} else if(request.getType() == 0x9){
//            发送消息，此时 payload 就是 BasicPublishArguments 对象了BasicPublishArguments arguments = (BasicPublishArguments) basicArguments;ok = virtualHost.basicPublish(arguments.getExchangeName(),arguments.getRoutingKey(),arguments.getBasicProperties(),arguments.getBody());} else if(request.getType() == 0xa){
//            订阅消息，此时 payload 就是 BasicConsumeArguments 对象了BasicConsumeArguments arguments = (BasicConsumeArguments) basicArguments;ok = virtualHost.basicConsume(arguments.getConsumerTag(), arguments.getQueueName(), arguments.isAutoAck(), new Consumer() {
//                    这个回调函数要做的工作，就是把服务器收到的消息可以直接推送回对应的消费者客户端@Overridepublic void handleDelivery(String consumerTag, BasicProperties basicProperties, byte[] body) throws MqException, IOException {
//                    先知道当前这个收到的消息，要发给哪个客户端，此处 consumerTag 其实是 channelId
//                    根据 channelId 去 sessions 中查询，就可以得到对应的 socket 对象了，从而可以往里面发送数据了
//                    1、根据 channelId 找到 socket 对象Socket clientSocket = sessions.get(consumerTag);if(clientSocket == null || clientSocket.isClosed()) {throw new MqException("[BrokerServer] 订阅消息的客户端已经关闭！");}
//                    2、构造响应数据SubScribeReturns subScribeReturns = new SubScribeReturns();subScribeReturns.setChannelId(consumerTag);subScribeReturns.setRid(""); // 由于这里只有响应，没有请求，不需要去对应 rid 暂时不需要subScribeReturns.setOk(true);subScribeReturns.setConsumerTag(consumerTag);subScribeReturns.setBody(body);subScribeReturns.setBasicProperties(basicProperties);byte[] paylaod = BinaryTool.toBytes(subScribeReturns);Response response = new Response();
//                    0xc 表示服务器给消费者客户端推送的消息数据response.setType(0xc);
//                    response 的 payload 就是一个 SubScribeReturnsresponse.setLength(paylaod.length);response.setPayload(paylaod);
//                    3、把数据写回给客户端
//                    注意！此处的 dataOutputStream 这个对象不能 close！
//                    如果把 dataOutputStream 关闭，就会直接把 clientSocket 里的 outputStream 也给关了
//                    此时就无法继续往 socket 中写入后续数据了！DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream());writeResponse(dataOutputStream,response);}});} else if(request.getType() == 0xb){
//            确认消息，此时 payload 就是 BasicAckArguments 对象了BasicAckArguments arguments = (BasicAckArguments) basicArguments;ok = virtualHost.basicAck(arguments.getQueueName(), arguments.getMessageId());}else {
//            当前的 type 是非法的throw new MqException("[BrokerServer] 未知的 type！type = " + request.getType());}
//        3、构造响应BasicReturns basicReturns = new BasicReturns();basicReturns.setChannelId(basicArguments.getChannelId());basicReturns.setRid(basicArguments.getRid());basicReturns.setOk(ok);byte[] payload = BinaryTool.toBytes(basicReturns);Response response = new Response();response.setType(request.getType());response.setLength(payload.length);response.setPayload(payload);System.out.println("[Response] rid = " + basicReturns.getRid() + ",channelId = " + basicReturns.getChannelId()+ ", type = " + response.getType() + ",length = " + response.getLength());return response;}

注意点一：

当前请求中的 payload 里面放的内容是根据 type 的类型来走的
比如 type 是 0x3，payload 就是 ExchangeDeclareArguments
比如 type 是 0x4，payload 就是 ExchangeDeleteArguments
...

注意点二：

此处设定的不同的方法的参数，虽然都有不同的类
但是它们均继承自同一个 BasicArguments 类
因此先将 payload 转成 BasicArguments

清除 channel

清理 sessions 这个哈希表中的 session 信息

具体代码编写：

     private void clearClosedSession(Socket clientSocket) {
//         这里要做的事情，主要就是遍历上述 session hash 表，把该关闭的 socket 对应的键值对，统统删掉List<String> toDeleteChannelId = new ArrayList<>();for(Map.Entry<String,Socket> entry : sessions.entrySet()) {if(entry.getValue() == clientSocket) {
//                不能在这里直接删除
//                这属于集合类的一个大忌！！一边遍历，一边删除！
//                session.remove(entry.getKey());toDeleteChannelId.add(entry.getKey());}}for (String channelId : toDeleteChannelId) {sessions.remove(channelId);}System.out.println("[BrokerServer] 清理 session 完成！被清理的 channelId = " + toDeleteChannelId);}