1、引言
老讀者應(yīng)該還記得我在去年國(guó)慶節(jié)前分享過(guò)一篇《技術(shù)干貨：從零開(kāi)始，教你設(shè)計(jì)一個(gè)百萬(wàn)級(jí)的消息推送系統(tǒng)》，雖然我在文中有貼一些偽代碼，依然有些朋友希望能直接分享一些可以運(yùn)行的源碼。好吧，質(zhì)疑我窮我無(wú)話可說(shuō)（因?yàn)槭钦娓F。。），懷疑我擼碼的能力那是絕對(duì)不行，所以這次準(zhǔn)備拉起鍵盤(pán)大干一場(chǎng)——徒手?jǐn)]套分布式IM出來(lái)！^_^！
本文記錄了我開(kāi)發(fā)的一款面向IM學(xué)習(xí)者的 IM系統(tǒng)——CIM（全稱：CROSS-IM），同時(shí)提供了一些組件幫助開(kāi)發(fā)者構(gòu)建一款屬于自己可水平擴(kuò)展的 IM。
通過(guò)學(xué)習(xí)本文和CIM代碼，你可以獲得以下知識(shí)：
1）如何從頭開(kāi)發(fā)一套IM（CIM的客戶有點(diǎn)弱，見(jiàn)諒見(jiàn)諒）；
2）如何設(shè)計(jì)分布式的IM架構(gòu)；
3）如何將你的分布式IM架構(gòu)用代碼和相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)出來(lái)。
本文配套的CIM源碼地址：
主要鏡像：https://github.com/crossoverJie/cim
備用鏡像：https://github.com/52im/cim
以下文章與本文類似或相關(guān)，同樣有助于您的IM開(kāi)發(fā)入門(mén)：
* 友情提示：閱讀本文和CIM源碼，需要您具備一定的網(wǎng)絡(luò)編程、IM理論等知識(shí)等，如果您還不具備這些，請(qǐng)先閱讀《新手入門(mén)一篇就夠：從零開(kāi)發(fā)移動(dòng)端IM》，完全來(lái)的及！
學(xué)習(xí)交流：
- 即時(shí)通訊/推送技術(shù)開(kāi)發(fā)交流5群：215477170[推薦]
- 移動(dòng)端IM開(kāi)發(fā)入門(mén)文章：《新手入門(mén)一篇就夠：從零開(kāi)發(fā)移動(dòng)端IM》
（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2775-1-1.html）
2、關(guān)于作者
crossoverJie（陳杰）： 90后，畢業(yè)于重慶信息工程學(xué)院，現(xiàn)供職于重慶豬八戒網(wǎng)絡(luò)有限公司。
3、運(yùn)行演示
本次特地錄了兩段視頻演示（群聊、私聊），點(diǎn)擊下方鏈接可以查看視頻版 Demo。
CIM 私聊視頻演示：https://www.bilibili.com/video/av39405821
CIM 群聊視頻演示：https://www.bilibili.com/video/av39405501
4、架構(gòu)設(shè)計(jì)
下面來(lái)看看具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)：
架構(gòu)說(shuō)明：
1）CIM 中的各個(gè)組件均采用 SpringBoot 構(gòu)建；
2）采用 Netty + Google Protocol Buffer 構(gòu)建底層通信；
3）Redis 存放各個(gè)客戶端的路由信息、賬號(hào)信息、在線狀態(tài)等；
4）Zookeeper 用于 IM-server 服務(wù)的注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)。
整體主要由以下模塊組成：
1）cim-server——IM 服務(wù)端：用于接收 client 連接、消息透?jìng)?、消息推送等功能。支持集群部署?/p>
2）cim-forward-route——消息路由服務(wù)器：用于處理消息路由、消息轉(zhuǎn)發(fā)、用戶登錄、用戶下線以及一些運(yùn)營(yíng)工具（獲取在線用戶數(shù)等）；
3）cim-client——IM 客戶端：給用戶使用的消息終端，一個(gè)命令即可啟動(dòng)并向其他人發(fā)起通訊（群聊、私聊）；同時(shí)內(nèi)置了一些常用命令方便使用。
5、邏輯流程圖
整體的流程也比較簡(jiǎn)單，流程圖如下：
流程解釋如下：
1）客戶端向 route 發(fā)起登錄；
2）登錄成功從 Zookeeper 中選擇可用 IM-server 返回給客戶端，并保存登錄、路由信息到 Redis；
3）客戶端向 IM-server 發(fā)起長(zhǎng)連接，成功后保持心跳；
4）客戶端下線時(shí)通過(guò) route 清除狀態(tài)信息。
所以當(dāng)我們自己部署時(shí)需要以下步驟：
1）搭建基礎(chǔ)中間件 Redis、Zookeeper；
2）部署 cim-server，這是真正的 IM 服務(wù)器，為了滿足性能需求所以支持水平擴(kuò)展，只需要注冊(cè)到同一個(gè) Zookeeper 即可；
3）部署 cim-forward-route，這是路由服務(wù)器，所有的消息都需要經(jīng)過(guò)它。由于它是無(wú)狀態(tài)的，所以也可以利用 Nginx 代理提高可用性；
4）cim-client 真正面向用戶的客戶端；啟動(dòng)之后會(huì)自動(dòng)連接 IM 服務(wù)器便可以在控制臺(tái)收發(fā)消息了。
更多使用介紹可以參考快速啟動(dòng)。
接下來(lái)各章將重點(diǎn)看看具體的詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，比如群聊、私聊消息如何流轉(zhuǎn)；IM 服務(wù)端負(fù)載均衡；服務(wù)如何注冊(cè)發(fā)現(xiàn)等等。
6、IM 服務(wù)端
先來(lái)看看服務(wù)端：主要是實(shí)現(xiàn)客戶端上下線、消息下發(fā)等功能。
首先是服務(wù)啟動(dòng)：
由于是在 SpringBoot 中搭建的，所以在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)需要啟動(dòng) Netty 服務(wù)。
從 pipline 中可以看出使用了 Protobuf 的編解碼（具體報(bào)文在客戶端中分析，相關(guān)知識(shí)請(qǐng)見(jiàn)：《Protobuf通信協(xié)議詳解：代碼演示、詳細(xì)原理介紹等》）。
7、注冊(cè)發(fā)現(xiàn)
需要滿足 IM 服務(wù)端的水平擴(kuò)展需求，所以 cim-server 是需要將自身數(shù)據(jù)發(fā)布到注冊(cè)中心的。這里參考之前分享的《搞定服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)》有具體介紹。
所以在應(yīng)用啟動(dòng)成功后需要將自身數(shù)據(jù)注冊(cè)到 Zookeeper 中：
最主要的目的就是將當(dāng)前應(yīng)用的 ip + cim-server-port+ http-port 注冊(cè)上去：
上圖是我在演示環(huán)境中注冊(cè)的兩個(gè) cim-server 實(shí)例（由于在一臺(tái)服務(wù)器，所以只是端口不同）。這樣在客戶端（監(jiān)聽(tīng)這個(gè) Zookeeper 節(jié)點(diǎn)）就能實(shí)時(shí)的知道目前可用的服務(wù)信息。
8、登錄
當(dāng)客戶端請(qǐng)求 cim-forward-route 中的登錄接口（詳見(jiàn)下文）做完業(yè)務(wù)驗(yàn)證（就相當(dāng)于日常登錄其他網(wǎng)站一樣）之后，客戶端會(huì)向服務(wù)端發(fā)起一個(gè)長(zhǎng)連接。
如之前的流程所示：
這時(shí)客戶端會(huì)發(fā)送一個(gè)特殊報(bào)文，表明當(dāng)前是登錄信息。服務(wù)端收到后就需要將該客戶端的 userID 和當(dāng)前 Channel 通道關(guān)系保存起來(lái)。
同時(shí)也緩存了用戶的信息，也就是 userID 和 用戶名。
9、離線消息
當(dāng)客戶端斷線后也需要將剛才緩存的信息清除掉。
同時(shí)也需要調(diào)用 route 接口清除相關(guān)信息（具體接口看下文）。
10、IM 路由
從架構(gòu)圖中可以看出，路由層是非常重要的一環(huán)；它提供了一系列的 HTTP 服務(wù)承接了客戶端和服務(wù)端。
目前主要是以下幾個(gè)接口。
10.1 注冊(cè)接口
由于每一個(gè)客戶端都是需要登錄才能使用的，所以第一步自然是注冊(cè)。
這里就設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)單，直接利用 Redis 來(lái)存儲(chǔ)用戶信息；用戶信息也只有 ID 和 userName 而已。只是為了方便查詢?cè)?Redis 中的 KV 又反過(guò)來(lái)存儲(chǔ)了一份 VK，這樣 ID 和 userName 都必須唯一。
10.2 登錄接口
這里的登錄和 cim-server 中的登錄不一樣，具有業(yè)務(wù)性質(zhì)：
具體的流程：
1）登錄成功之后需要判斷是否是重復(fù)登錄（一個(gè)用戶只能運(yùn)行一個(gè)客戶端）；
2）登錄成功后需要從 Zookeeper 中獲取服務(wù)列表（cim-server）并根據(jù)某種算法選擇一臺(tái)服務(wù)返回給客戶端；
3）登錄成功之后還需要保存路由信息，也就是當(dāng)前用戶分配的服務(wù)實(shí)例保存到 Redis 中。
為了實(shí)現(xiàn)只能一個(gè)用戶登錄，使用了 Redis 中的 set 來(lái)保存登錄信息；利用 userID 作為 key ，重復(fù)的登錄就會(huì)寫(xiě)入失敗。
類似于 Java 中的 HashSet，只能去重保存。
獲取一臺(tái)可用的路由實(shí)例也比較簡(jiǎn)單：
1）先從 Zookeeper 獲取所有的服務(wù)實(shí)例做一個(gè)內(nèi)部緩存；
2）輪詢選擇一臺(tái)服務(wù)器（目前只有這一種算法，后續(xù)會(huì)新增）。
當(dāng)然要獲取 Zookeeper 中的服務(wù)實(shí)例前自然是需要監(jiān)聽(tīng) cim-server 之前注冊(cè)上去的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。
具體代碼如下：
也是在應(yīng)用啟動(dòng)之后監(jiān)聽(tīng) Zookeeper 中的路由節(jié)點(diǎn)，一旦發(fā)生變化就會(huì)更新內(nèi)部緩存。這里使用的是 Guava 的 cache，它基于 ConcurrentHashMap，所以可以保證清除、新增緩存的原子性。
10.3 群聊接口
這是一個(gè)真正發(fā)消息的接口，實(shí)現(xiàn)的效果就是其中一個(gè)客戶端發(fā)消息，其余所有客戶端都能收到！流程肯定是客戶端發(fā)送一條消息到服務(wù)端，服務(wù)端收到后在上文介紹的 SessionSocketHolder 中遍歷所有 Channel（通道）然后下發(fā)消息即可。服務(wù)端是單機(jī)倒也可以，但現(xiàn)在是集群設(shè)計(jì)。所以所有的客戶端會(huì)根據(jù)之前的輪詢算法分配到不同的 cim-server 實(shí)例中。
因此就需要路由層來(lái)發(fā)揮作用了。
路由接口收到消息后首先遍歷出所有的客戶端和服務(wù)實(shí)例的關(guān)系。
路由關(guān)系在 Redis 中的存放如下：
由于 Redis 單線程的特質(zhì)，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)；一旦使用 keys 匹配所有 cim-route:* 數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致 Redis 不能處理其他請(qǐng)求。所以這里改為使用 scan 命令來(lái)遍歷所有的 cim-route:*。
接著會(huì)挨個(gè)調(diào)用每個(gè)客戶端所在的服務(wù)端的 HTTP 接口用于推送消息。
在 cim-server 中的實(shí)現(xiàn)如下：
cim-server 收到消息后會(huì)在內(nèi)部緩存中查詢?cè)?userID 的通道，接著只需要發(fā)消息即可。
10.4 在線用戶接口
這是一個(gè)輔助接口，可以查詢出當(dāng)前在線用戶信息。
實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，也就是查詢之前保存 ”用戶登錄狀態(tài)的那個(gè)去重 set “即可。
10.5 私聊接口
之所以說(shuō)獲取在線用戶是一個(gè)輔助接口，其實(shí)就是用于輔助私聊使用的。一般我們使用私聊的前提肯定得知道當(dāng)前哪些用戶在線，接著你才會(huì)知道你要和誰(shuí)進(jìn)行私聊。
類似于這樣：
在我們這個(gè)場(chǎng)景中，私聊的前提就是需要獲得在線用戶的 userID：
所以私聊接口在收到消息后需要查詢到接收者所在的 cim-server 實(shí)例信息，后續(xù)的步驟就和群聊一致了。調(diào)用接收者所在實(shí)例的 HTTP 接口下發(fā)信息。只是群聊是遍歷所有的在線用戶，私聊只發(fā)送一個(gè)的區(qū)別。
10.6 下線接口
一旦客戶端下線，我們就需要將之前存放在 Redis 中的一些信息刪除掉（路由信息、登錄狀態(tài)）。
11、IM 客戶端
客戶端中的一些邏輯其實(shí)在上文已經(jīng)談到一些了。
11.1 登錄
第一步也就是登錄，需要在啟動(dòng)時(shí)調(diào)用 route 的登錄接口，獲得 cim-server 信息再創(chuàng)建連接。
登錄過(guò)程中 route 接口會(huì)判斷是否為重復(fù)登錄，重復(fù)登錄則會(huì)直接退出程序。
接下來(lái)是利用 route 接口返回的 cim-server 實(shí)例信息（ip+port）創(chuàng)建連接。最后一步就是發(fā)送一個(gè)登錄標(biāo)志的信息到服務(wù)端，讓它保持客戶端和 Channel 的關(guān)系。
11.2 自定義協(xié)議
上文提到的一些登錄報(bào)文、真正的消息報(bào)文這些其實(shí)都是在我們自定義協(xié)議中可以區(qū)別出來(lái)的。由于是使用 Google Protocol Buffer 編解碼，所以先看看原始格式。
其實(shí)這個(gè)協(xié)議中目前一共就三個(gè)字段：
1）requestId 可以理解為 userId；
2）reqMsg 就是真正的消息；
3）type 也就是上文提到的消息類別。
目前主要是三種類型，分別對(duì)應(yīng)不同的業(yè)務(wù)：
11.3 心跳
為了保持客戶端和服務(wù)端的連接，每隔一段時(shí)間沒(méi)有發(fā)送消息都需要自動(dòng)的發(fā)送心跳。
目前的策略是每隔一分鐘就是發(fā)送一個(gè)心跳包到服務(wù)端：
這樣服務(wù)端每隔一分鐘沒(méi)有收到業(yè)務(wù)消息時(shí)就會(huì)收到 ping 的心跳包：
11.4 內(nèi)置命令
客戶端也內(nèi)置了一些基本命令來(lái)方便使用。
比如輸入 :q 就會(huì)退出客戶端，同時(shí)會(huì)關(guān)閉一些系統(tǒng)資源。
當(dāng)輸入 ：olu(onlineUser 的簡(jiǎn)寫(xiě))就會(huì)去調(diào)用 route 的獲取所有在線用戶接口。
11.5 群聊
群聊的使用非常簡(jiǎn)單，只需要在控制臺(tái)輸入消息回車即可。這時(shí)會(huì)去調(diào)用 route 的群聊接口。
11.6 私聊
私聊也是同理，但前提是需要觸發(fā)關(guān)鍵字；使用 userId;;消息內(nèi)容 這樣的格式才會(huì)給某個(gè)用戶發(fā)送消息，所以一般都需要先使用
lu 命令獲取所以在線用戶才方便使用。
11.7 消息回調(diào)
為了滿足一些定制需求，比如消息需要保存之類的。所以在客戶端收到消息之后會(huì)回調(diào)一個(gè)接口，在這個(gè)接口中可以自定義實(shí)現(xiàn)。
因此先創(chuàng)建了一個(gè) caller 的 bean，這個(gè) bean 中包含了一個(gè) CustomMsgHandleListener 接口，需要自行處理只需要實(shí)現(xiàn)此接口即可。
11.8 自定義界面
由于我自己不怎么會(huì)寫(xiě)界面，但保不準(zhǔn)有其他大牛會(huì)寫(xiě)。所以客戶端中的群聊、私聊、獲取在線用戶、消息回調(diào)等業(yè)務(wù)(以及之后的業(yè)務(wù))都是以接口形式提供。
也方便后面做頁(yè)面集成，只需要調(diào)這些接口就行了；具體實(shí)現(xiàn)不用怎么關(guān)心。
12、本文小結(jié)
cim 目前只是第一版，BUG 多，功能少（只拉了幾個(gè)群友做了測(cè)試）；不過(guò)后續(xù)還會(huì)接著完善，至少這一版會(huì)給那些沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的朋友帶來(lái)一些思路。
后續(xù)計(jì)劃：
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