一个JAVA码农的Node之旅

本篇是一个Node新手做完实际项目后的心得总结。Node高手完全可以略过本文。

摘要

如果BOSS要求你在短期内快速实现一套聊天云服务平台, 你的第一反应是什么?

让我细细一想实现成本:

要维护社交关系, 一大波僵尸POJO正在向你袭来。
要存储数据库, 找个ORM工具那是必须的。
你怎么也得用长连接吧?好, 那就WebSocket标准吧, Netty或Mina系的亲儿子框架选一个呗。什么?!你只用过Tomcat写WebSocoket?好吧,乖乖翻文档API去吧亲。
完事了?没呢! 连接断了你得实现下重连机制吧?服务器端写完了, 客户端呢?你得帮助指导下实现吧?
本猿的大脑一片黑暗。

我们的征途是偷懒

如果有现成的轮子偷个懒岂不是很好?google后发现有个socket.io的轮子比较适合:

轻量级, 扩展便捷, API简单易用。
周边完善,重连、路由、隔离、单播、广播等等都已经帮我们实现好了。
丰富的客户端支持,涵盖了浏览器端, ANDROID, iOS。
在仔细研读了Flexi传授如何说服自己的老板采用Node.js,并成功说服BOSS后,本猿正式开始自己的Node之旅。

工欲善其事必先利其器

开发环境

对于开发环境, 青菜萝卜各有所爱, 无论你是使用神的编辑器/编辑器之神, 或是sublime/atom/npp之流, 亦或是WebStorm高富帅有钱任性, 都是很不错的选择。
supervisor是个好东西, 它可以帮你watch代码变更, 自动重启服务。节省了手工重启程序的时间。

关于调试

高富帅款: WebStorm
高逼格款: 原始打断点
屌丝款: node-inspector, 可以在Chrome中直接调试, 强烈推荐:

离不开的中间件

首先, 勾勒出一个核心的聊天系统大致的雏形:

基本功能

登录,注销
在线,离线等状态维护

好友

加好友,删好友
好友之间聊天,发文字发图片发音频发视频啥的

群组

创建,加入,退出群组
群组内广播聊天

聊天历史记录

扩展与周边

集群实现
敏感词过滤

分析下大致需要的存储层和中间件以及是否有相关的Node实现:

MySQL: 存储一些重要的元数据, 主要是用户关系类的, 需要事务支持。(node-mysql)
ZooKeeper: 用户在线离线状态存储。 (node-zookeeper-client)
Redis: 使用缓存加速一些查询, PubSub特性用于实现集群通讯。 (ioredis)
HBase: 典型的列式存储, 用于实现一些非核心数据的快速存储查询。 (hbase-rpc-client)
LevelDB: 本地快速读写一些键值对。(LevelUP)

技术栈

对比

常年滋润在JAVA这片润土之上, 先来做个比较, 让我们对陌生的技术栈有所了解。

图表链接
maven
Vert.x
Hibernate/MyBatis/jOOQ
rxjava
npm
expressjs
socket.io
sequelize
promise

ES6

ES6是个好东西, 我觉得比较好用的三点:

const: 终于可以方便地对不可变的东西进行声明了。
let: 作为一只 javascript 菜鸟再也不用担忧不知不觉把变量提升的问题了。
lambda表达式: 神器不解释。

核心实现

流程时序

仔细思考, 勾勒出大致的时序图:

时序图

系统架构:

设计下大致的架构:

架构图

步步为赢, 各个击破

状态管理

典型的 IM 系统中必然存在用户在线离线的状态。每一个在线状态, 对于服务器来说,等价于与客户端存在一个Socket连接。所以对于单机环境下,在内存中维护用户和Socket的关系即可,当Socket连接和断开时分别做更新操作。

当切换至集群环境时,情况变得稍微复杂,所以我们需要借助zookeeper来实现。除了本机每个用户与Socket关联关系,另外以临时节点的方式在zookeeper中进行存储,目录结构为根节点/命名空间/用户标识/Socket标识(临时节点)。当socket连接被建立的时候,创建对应的临时节点,socket断开时移除临时节点。当服务器意外退出时,除了socket连接全部断开之外,在其zookeeper session上的所有对应的临时节点也会被销毁。SocketIO 的重连机制会尝试重连至其他伺服器并重新建立起对应关系。

优点：

判断一个用户是否在线只需判断用户标识节点的numChildren是否大于零即可。
获取用户所有已连接的Socket只需读取用户标识下的所有孩子节点即可。

缺点：

多了额外读写zookeeper的开销。

用途:

实现集群的基础
有了状态判定才能实现离线消息推送

好友关系、群组关系

关系表原本存储于HBase, 但因为缺乏事务支持,实际效果不佳, 经常导致关系不一致。传统关系型数据库在这一方面依旧强势。这块比较简单,即常见的关系模型表,在此略过。

点对点聊天实现

单机

A对B发送消息,除了基础的权限判定,只需查询内存表中对应B的所有socket,然后对其发射消息即可。见下图：

集群

由于B可能登录在不同的服务器上,需要借助消息中间件(Redis Pub/Sub),发布消息,每个服务器订阅消息列表,如果存在消息接收者,则找到其注册在本机的socket进行发射消息。流程如下图:

广播聊天实现

广播类似以上的点对点实现,只是多了一步查询成员表依次处理的步骤。略过。

聊天历史记录的实现

考虑到只需要根据时间范围做分页查询的简单需求,这里使用了 HBase 的宽表。点对点形式的聊天我们可以对两个用户标识进行排序,并结合命名空间生成唯一的哈希值,作为行健,而每个CELL的值则是时间戳, 因为我们需要令其自然倒序排列, 所以针对时间戳做了LONG.MAX-时间戳的处理。综合起来, 大致的存储结构如下:

敏感词过滤

维护脏词字典,对消息进行字符串替换?图样图森破!!! 为了实现正确辨认“曹操在操场操美女”中的动词“操”,需要实现中文分词和词性判断, 于是处理逻辑转变成：

拉取最新的脏词列表,转换为简体中文并写入LevelDB中。
使用nodejieba进行中文分词: 曹操(n)/在(p)/操场(n)/操(v)/美女(n)
对分词后的名词和动词转换为简体中文并查询LevelDB,命中则替换。
返回替换后的字符串得到：曹操在操场*美女

打包部署

PM2

Node本身是单线程的,虽然Node本身提供Cluster模块,但需要修改代码。通过PM2这个工具可以简便地让其多进程部署,充分利用多核CPU资源:

pm2

Docker
可以使用官方的node镜像。但体积比较大,这里推荐基于alpine-node, 体积比较小巧, 例如:

FROM mhart/alpine-node:4

RUN apk add --no-cache make gcc g++ python

RUN apk add --no-cache imagemagick

WORKDIR /src
ADD . .
RUN npm install --registry=http://registry.npm.taobao.org/

EXPOSE 3000
CMD ["npm","start"]

C1000K测试

著名的单机100万连接, 由于项目是第一个版本, 限于各方面原因我们暂时没有完成这个测试。

但在这里简短介绍所需的一些配置, 以备后续使用:

服务器端

修改tcp连接的最小内存为4k, 编辑/etc/sysctl.conf

net.ipv4.tcp_wmem = 4096 87380 4161536
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4161536
net.ipv4.tcp_mem = 786432 2097152 3145728
修改系统最大文件描述符, 编辑/etc/sysctl.conf

fs.file-max = 1000000

修改进程最大文件描述符, 编辑/etc/security/limits.conf

重载下配置(sysctl -p)或者重启,检查下当前的设置 cat /proc/sys/fs/file-nr

客户端

因为每个IP最多可以创建6万多个连接,不可能找很多服务器进行测试。所以客户端除了上述修改,还需要创建多个虚拟IP,这样每个IP可以提供大约6万的连接,如：

ifconfig eth0:0 192.168.77.10 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:1 192.168.77.11 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:2 192.168.77.12 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:3 192.168.77.13 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:4 192.168.77.14 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:5 192.168.77.15 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:6 192.168.77.16 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:7 192.168.77.17 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:8 192.168.77.18 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:9 192.168.77.19 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:10 192.168.77.20 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:11 192.168.77.21 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:12 192.168.77.22 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:13 192.168.77.23 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:14 192.168.77.24 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:15 192.168.77.25 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:16 192.168.77.26 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:17 192.168.77.27 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:18 192.168.77.28 netmask 255.255.255.0 up

修改本地端口范围,编辑/etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535
重载配置或重启开始测试

总结

存在即合理,不要卷入无谓的语言之争,本猿觉得干这行的最重要莫过于学习能力。
写代码之前先理清楚思路和结构,不打没有准备的仗。
良好的代码规范,遵循KISS原则。

本文作者来自 MaxLeap 团队_数据分析组成员：蔡伟伟

原文链接