Mina框架学习笔记（四）

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Java框架

Mina 框架游戏应用服务器 Apache

上一节中给出了一个简单的基于 Apache MINA 的网络应用的实现，可以用来熟悉基本的架构。而在实际开发中，网络应用都是有一定复杂度的。下面会以一个比较复杂的联机游戏作为示例来详细介绍 Apache MINA 的概念、API 和典型用法。

该联机游戏支持两个人进行俄罗斯方块的对战。这个游戏借鉴了 QQ 的“火拼俄罗斯”。用户在启动客户端之后，需要输入一个昵称进行注册。用户可以在“游戏大厅”中查看当前已注册的所有其它用户。当前用户可以选择另外的一个用户发送游戏邀请。邀请被接受之后就可以开始进行对战。在游戏过程中，当前用户可以看到对方的游戏状态，即方块的情况。该游戏的运行效果如图 3 所示。

联机游戏示例运行效果图

下面开始以这个应用为例来具体介绍 Apache MINA 中的基本概念。先从 I/O 服务开始。

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I/O 服务用来执行真正的 I/O 操作，以及管理 I/O 会话。根据所使用的数据传输方式的不同，有不同的 I/O 服务的实现。由于 I/O 服务执行的是输入和输出两种操作，实际上有两种具体的子类型。一种称为“I/O 接受器（I/O acceptor）”，用来接受连接，一般用在服务器的实现中；另外一种称为“I/O 连接器（I/O connector）”，用来发起连接，一般用在客户端的实现中。对应在 Apache MINA 中的实现，org.apache.mina.core.service.IoService是 I/O 服务的接口，而继承自它的接口org.apache.mina.core.service.IoAcceptor 和 org.apache.mina.core.service.IoConnector 则分别表示 I/O 接受器和 I/O 连接器。IoService 接口提供的重要方法如表 1 所示。

方法说明

`setHandler(IoHandler handler)`	设置 I/O 处理器。该 I/O 处理器会负责处理该 I/O 服务所管理的所有 I/O 会话产生的 I/O 事件。
`getFilterChain()`	获取 I/O 过滤器链，可以对 I/O 过滤器进行管理，包括添加和删除 I/O 过滤器。
`getManagedSessions()`	获取该 I/O 服务所管理的 I/O 会话。

下面具体介绍 I/O 接受器和 I/O 连接器。

I/O 接受器用来接受连接，与对等体（客户端）进行通讯，并发出相应的 I/O 事件交给 I/O 处理器来处理。使用 I/O 接受器的时候，只需要调用 bind方法并指定要监听的套接字地址。当不再接受连接的时候，调用 unbind停止监听即可。关于 I/O 接受器的具体用法，可以参考清单 2 中给出的计算器服务的实现。

I/O 连接器用来发起连接，与对等体（服务器）进行通讯，并发出相应的 I/O 事件交给 I/O 处理器来处理。使用 I/O 连接器的时候，只需要调用 connect方法连接指定的套接字地址。另外可以通过 setConnectTimeoutMillis设置连接超时时间（毫秒数）。

清单 3 中给出了使用 I/O 连接器的一个示例。

SocketConnector connector = new NioSocketConnector(); 
connector.setConnectTimeoutMillis(CONNECT_TIMEOUT); 
connector.getFilterChain().addLast("logger", new LoggingFilter()); 
connector.getFilterChain().addLast("protocol", 
    new ProtocolCodecFilter(new TetrisCodecFactory())); 
ConnectFuture connectFuture = connector.connect(new InetSocketAddress(host, port)); 
connectFuture.awaitUninterruptibly();

在清单 3 中，首先创建一个 Java NIO 的套接字连接器 NioSocketConnector 的实例，接着设置超时时间。再添加了 I/O 过滤器之后，通过 connect 方法连接到指定的地址和端口即可。

在介绍完 I/O 服务之后，下面介绍 I/O 会话。

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I/O 会话表示一个活动的网络连接，与所使用的传输方式无关。I/O 会话可以用来存储用户自定义的与应用相关的属性。这些属性通常用来保存应用的状态信息，还可以用来在 I/O 过滤器和 I/O 处理器之间交换数据。I/O 会话在作用上类似于 Servlet 规范中的 HTTP 会话。

Apache MINA 中 I/O 会话实现的接口是 org.apache.mina.core.session.IoSession。该接口中比较重要的方法如表 2 所示。

方法说明

`close(boolean immediately)`	关闭当前连接。如果参数 `immediately`为 `true`的话，连接会等到队列中所有的数据发送请求都完成之后才关闭；否则的话就立即关闭。
`getAttribute(Object key)`	从 I/O 会话中获取键为 `key`的用户自定义的属性。
`setAttribute(Object key, Object value)`	将键为 `key`，值为 `value`的用户自定义的属性存储到 I/O 会话中。
`removeAttribute(Object key)`	从 I/O 会话中删除键为 `key`的用户自定义的属性。
`write(Object message)`	将消息对象 `message`发送到当前连接的对等体。该方法是异步的，当消息被真正发送到对等体的时候，`IoHandler.messageSent(IoSession,Object)`会被调用。如果需要的话，也可以等消息真正发送出去之后再继续执行后续操作。

在介绍完 I/O 会话之后，下面介绍 I/O 过滤器。

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从 I/O 服务发送过来的所有 I/O 事件和请求，在到达 I/O 处理器之前，会先由 I/O 过滤器链中的 I/O 过滤器进行处理。Apache MINA 中的过滤器与 Servlet 规范中的过滤器是类似的。过滤器可以在很多情况下使用，比如记录日志、性能分析、访问控制、负载均衡和消息转换等。过滤器非常适合满足网络应用中各种横切的非功能性需求。在一个基于 Apache MINA 的网络应用中，一般存在多个过滤器。这些过滤器互相串联，形成链条，称为过滤器链。每个过滤器依次对传入的 I/O 事件进行处理。当前过滤器完成处理之后，由过滤器链中的下一个过滤器继续处理。当前过滤器也可以不调用下一个过滤器，而提前结束，这样 I/O 事件就不会继续往后传递。比如负责用户认证的过滤器，如果遇到未认证的对等体发出的 I/O 事件，则会直接关闭连接。这可以保证这些事件不会通过此过滤器到达 I/O 处理器。

Apache MINA 中 I/O 过滤器都实现 org.apache.mina.core.filterchain.IoFilter接口。一般来说，不需要完整实现 IOFilter接口，只需要继承 Apache MINA 提供的适配器 org.apache.mina.core.filterchain.IoFilterAdapter，并覆写所需的事件过滤方法即可，其它方法的默认实现是不做任何处理，而直接把事件转发到下一个过滤器。

IoFilter接口提供了 15 个方法。这 15 个方法大致分成两类，一类是与过滤器的生命周期相关的，另外一类是用来过滤 I/O 事件的。第一类方法如表 3 所示。

方法说明

`init()`	当过滤器第一次被添加到过滤器链中的时候，此方法被调用。用来完成过滤器的初始化工作。
`onPreAdd(IoFilterChain parent, String name, IoFilter.NextFilter nextFilter)`	当过滤器即将被添加到过滤器链中的时候，此方法被调用。
`onPostAdd(IoFilterChain parent, String name, IoFilter.NextFilter nextFilter)`	当过滤器已经被添加到过滤器链中之后，此方法被调用。
`onPreRemove(IoFilterChain parent, String name, IoFilter.NextFilter nextFilter)`	当过滤器即将被从过滤器链中删除的时候，此方法被调用。
`onPostRemove(IoFilterChain parent, String name, IoFilter.NextFilter nextFilter)`	当过滤器已经被从过滤器链中删除的时候，此方法被调用。
`destroy()`	当过滤器不再需要的时候，它将被销毁，此方法被调用。

在表 3 中给出的方法中，参数 parent 表示包含此过滤器的过滤器链，参数 name 表示过滤器的名称，参数 nextFilter 表示过滤器链中的下一个过滤器。

第二类方法如表 4 所示。

方法说明

`filterClose(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session)`	过滤对 `IoSession`的 `close`方法的调用。
`filterWrite(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, WriteRequest writeRequest)`	过滤对 `IoSession`的 `write`方法的调用。
`exceptionCaught(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, Throwable cause)`	过滤对 `IoHandler`的 `exceptionCaught`方法的调用。
`messageReceived(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, Object message)`	过滤对 `IoHandler`的 `messageReceived`方法的调用。
`messageSent(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, WriteRequest writeRequest)`	过滤对 `IoHandler`的 `messageSent`方法的调用。
`sessionClosed(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session)`	过滤对 `IoHandler`的 `sessionClosed`方法的调用。
`sessionCreated(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session)`	过滤对 `IoHandler`的 `sessionCreated`方法的调用。
`sessionIdle(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, IdleStatus status)`	过滤对 `IoHandler`的 `sessionIdle`方法的调用。
`sessionOpened(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session)`	过滤对 `IoHandler`的 `sessionOpened`方法的调用。

对于表 4 中给出的与 I/O 事件相关的方法，它们都有一个参数是 nextFilter，表示过滤器链中的下一个过滤器。如果当前过滤器完成处理之后，可以通过调用 nextFilter中的方法，把 I/O 事件传递到下一个过滤器。如果当前过滤器不调用 nextFilter 中的方法的话，该 I/O 事件就不能继续往后传递。另外一个共同的参数是 session，用来表示当前的 I/O 会话，可以用来发送消息给对等体。下面通过具体的实例来说明过滤器的实现。

BlacklistFilter是 Apache MINA 自带的一个过滤器实现，其功能是阻止来自特定地址的连接，即所谓的“黑名单”功能。BlacklistFilter继承自 IoFilterAdapter，并覆写了 IoHandler相关的方法。清单 4 中给出了部分实现。

public void messageReceived(NextFilter nextFilter, IoSession session, Object message) { 
    if (!isBlocked(session)) { 
        nextFilter.messageReceived(session, message); 
    } else { 
        blockSession(session); 
    } 
} 

private void blockSession(IoSession session) { 
    session.close(true); 
}

在清单 4 中 messageReceived 方法的实现中，首先通过 isBlocked 来判断当前连接是否应该被阻止，如果不是的话，则通过 nextFilter.messageReceived 把该 I/O 事件传递到下一个过滤器；否则的话，则通过 blockSession 来阻止当前连接。

ProtocolCodecFilter 用来在字节流和消息对象之间互相转换。当该过滤器接收到字节流的时候，需要首先判断消息的边界，然后把表示一条消息的字节提取出来，通过一定的逻辑转换成消息对象，再把消息对象往后传递，交给 I/O 处理器来执行业务逻辑。这个过程称为“解码”。与“解码”对应的是“编码”过程。在“编码”的时候，过滤器接收到的是消息对象，通过与“解码”相反的逻辑，把消息对象转换成字节，并反向传递，交给 I/O 服务来执行 I/O 操作。

在“编码”和“解码”中的一个重要问题是如何在字节流中判断消息的边界。通常来说，有三种办法解决这个问题：

使用固定长度的消息。这种方式实现起来比较简单，只需要每次读取特定数量的字节即可。
使用固定长度的消息头来指明消息主体的长度。比如每个消息开始的 4 个字节的值表示了后面紧跟的消息主体的长度。只需要首先读取该长度，再读取指定数量的字节即可。
使用分隔符。消息之间通过特定模式的分隔符来分隔。每次只要遇到该模式的字节，就表示到了一个消息的末尾。

具体到示例应用来说，客户端和服务器之间的通信协议比较复杂，有不同种类的消息。每种消息的格式都不相同，同类消息的内容也不尽相同。因此，使用固定长度的消息头来指明消息主体的长度就成了最好的选择。

示例应用中的每种消息主体由两部分组成，第一部分是固定长度的消息类别名称，第二部分是每种消息的主体内容。图 4 中给出了示例应用中一条完整的消息的结构。

示例应用中消息的结构

AbstractTetrisCommand用来描述联机游戏示例应用中的消息。它是一个抽象类，是所有具体消息的基类。其具体实现如清单 5 所示。

public abstract class AbstractTetrisCommand implements TetrisCommand { 	
    public abstract String getName(); 

    public abstract byte[] bodyToBytes() throws Exception; 
	
    public abstract void bodyFromBytes(byte[] bytes) throws Exception; 

    public byte[] toBytes() throws Exception { 
        byte[] body = bodyToBytes(); 
        int commandNameLength = Constants.COMMAND_NAME_LENGTH; 
        int len = commandNameLength + body.length; 
        byte[] bytes = new byte[len]; 
        String name = StringUtils.rightPad(getName(), commandNameLength, 
            Constants.COMMAND_NAME_PAD_CHAR); 
        name = name.substring(0, commandNameLength); 
        System.arraycopy(name.getBytes(), 0, bytes, 0, commandNameLength); 
        System.arraycopy(body, 0, bytes, commandNameLength, body.length); 
        return bytes; 
    } 
}

如清单 5 所示，AbstractTetrisCommand 中定义了 3 个抽象方法：getName、bodyToBytes 和 bodyFromBytes，分别用来获取消息的名称、把消息的主体转换成字节数组和从字节数组中构建消息。bodyToBytes对应于前面提到的“编码”过程，而 bodyFromBytes对应于“解码”过程。每种具体的消息都应该实现这 3 个方法。AbstractTetrisCommand 中的方法 toBytes 封装了把消息的主体转换成字节数组的逻辑，在字节数组中，首先是长度固定为 Constants.COMMAND_NAME_LENGTH的消息类别名称，紧接着是每种消息特定的主体内容，由 bodyToBytes 方法来生成。