拿起键盘就是干：跟我一起徒手开发一套分布式IM系统
1、引言
老读者应该还记得我在去年国庆节前分享过一篇《技术干货：从零开始，教你设计一个百万级的消息推送系统》，虽然我在文中有贴一些伪代码，依然有些朋友希望能直接分享一些可以运行的源码。好吧，质疑我穷我无话可说（因为是真穷。。），怀疑我撸码的能力那是绝对不行，所以这次准备拉起键盘大干一场——徒手撸套分布式IM出来！^_^！
本文记录了我开发的一款面向IM学习者的 IM系统——CIM（全称：CROSS-IM），同时提供了一些组件帮助开发者构建一款属于自己可水平扩展的 IM。
通过学习本文和CIM代码，你可以获得以下知识：
1）如何从头开发一套IM（CIM的客户有点弱，见谅见谅）；
2）如何设计分布式的IM架构；
3）如何将你的分布式IM架构用代码和相关技术实现出来。
本文配套的CIM源码地址：
以下文章与本文类似或相关，同样有助于您的IM开发入门：
《自已开发IM有那么难吗？手把手教你自撸一个Andriod版简易IM (有源码)》
《适合新手：从零开发一个IM服务端（基于Netty，有完整源码）》
* 友情提示：阅读本文和CIM源码，需要您具备一定的网络编程、IM理论等知识等，如果您还不具备这些，请先阅读《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》，完全来的及！
学习交流：
- 即时通讯/推送技术开发交流5群：215477170[推荐]
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-2775-1-1.html）
2、关于作者
crossoverJie（陈杰）： 90后，毕业于重庆信息工程学院，现供职于重庆猪八戒网络有限公司。
3、运行演示
本次特地录了两段视频演示（群聊、私聊），点击下方链接可以查看视频版 Demo。
CIM 私聊视频演示：https://www.bilibili.com/video/av39405821
CIM 群聊视频演示：https://www.bilibili.com/video/av39405501
4、架构设计
下面来看看具体的架构设计：
架构说明：
1）CIM 中的各个组件均采用 SpringBoot 构建；
2）采用 Netty + Google Protocol Buffer 构建底层通信；
3）Redis 存放各个客户端的路由信息、账号信息、在线状态等；
4）Zookeeper 用于 IM-server 服务的注册与发现。
整体主要由以下模块组成：
1）cim-server——IM 服务端：用于接收 client 连接、消息透传、消息推送等功能。支持集群部署；
2）cim-forward-route——消息路由服务器：用于处理消息路由、消息转发、用户登录、用户下线以及一些运营工具（获取在线用户数等）；
3）cim-client——IM 客户端：给用户使用的消息终端，一个命令即可启动并向其他人发起通讯（群聊、私聊）；同时内置了一些常用命令方便使用。
5、逻辑流程图
整体的流程也比较简单，流程图如下：
流程解释如下：
1）客户端向 route 发起登录；
2）登录成功从 Zookeeper 中选择可用 IM-server 返回给客户端，并保存登录、路由信息到 Redis；
3）客户端向 IM-server 发起长连接，成功后保持心跳；
4）客户端下线时通过 route 清除状态信息。
所以当我们自己部署时需要以下步骤：
2）部署 cim-server，这是真正的 IM 服务器，为了满足性能需求所以支持水平扩展，只需要注册到同一个 Zookeeper 即可；
3）部署 cim-forward-route，这是路由服务器，所有的消息都需要经过它。由于它是无状态的，所以也可以利用 Nginx 代理提高可用性；
4）cim-client 真正面向用户的客户端；启动之后会自动连接 IM 服务器便可以在控制台收发消息了。
更多使用介绍可以参考快速启动。
接下来各章将重点看看具体的详细设计实现，比如群聊、私聊消息如何流转；IM 服务端负载均衡；服务如何注册发现等等。
6、IM 服务端
先来看看服务端：主要是实现客户端上下线、消息下发等功能。
首先是服务启动：
由于是在 SpringBoot 中搭建的，所以在应用启动时需要启动 Netty 服务。
从 pipline 中可以看出使用了 Protobuf 的编解码（具体报文在客户端中分析，相关知识请见：《Protobuf通信协议详解：代码演示、详细原理介绍等》）。
7、注册发现
需要满足 IM 服务端的水平扩展需求，所以 cim-server 是需要将自身数据发布到注册中心的。这里参考之前分享的《搞定服务注册与发现》有具体介绍。
所以在应用启动成功后需要将自身数据注册到 Zookeeper 中：
最主要的目的就是将当前应用的 ip + cim-server-port+ http-port 注册上去：
上图是我在演示环境中注册的两个 cim-server 实例（由于在一台服务器，所以只是端口不同）。这样在客户端（监听这个 Zookeeper 节点）就能实时的知道目前可用的服务信息。
8、登录
当客户端请求 cim-forward-route 中的登录接口（详见下文）做完业务验证（就相当于日常登录其他网站一样）之后，客户端会向服务端发起一个长连接。
如之前的流程所示：
这时客户端会发送一个特殊报文，表明当前是登录信息。服务端收到后就需要将该客户端的 userID 和当前 Channel 通道关系保存起来。
同时也缓存了用户的信息，也就是 userID 和 用户名。
9、离线消息
当客户端断线后也需要将刚才缓存的信息清除掉。
同时也需要调用 route 接口清除相关信息（具体接口看下文）。
10、IM 路由
从架构图中可以看出，路由层是非常重要的一环；它提供了一系列的 HTTP 服务承接了客户端和服务端。
目前主要是以下几个接口。
10.1 注册接口
由于每一个客户端都是需要登录才能使用的，所以第一步自然是注册。
这里就设计的比较简单，直接利用 Redis 来存储用户信息；用户信息也只有 ID 和 userName 而已。只是为了方便查询在 Redis 中的 KV 又反过来存储了一份 VK，这样 ID 和 userName 都必须唯一。
10.2 登录接口
这里的登录和 cim-server 中的登录不一样，具有业务性质：
具体的流程：
1）登录成功之后需要判断是否是重复登录（一个用户只能运行一个客户端）；
2）登录成功后需要从 Zookeeper 中获取服务列表（cim-server）并根据某种算法选择一台服务返回给客户端；
3）登录成功之后还需要保存路由信息，也就是当前用户分配的服务实例保存到 Redis 中。
为了实现只能一个用户登录，使用了 Redis 中的 set 来保存登录信息；利用 userID 作为 key ，重复的登录就会写入失败。
类似于 Java 中的 HashSet，只能去重保存。
获取一台可用的路由实例也比较简单：
1）先从 Zookeeper 获取所有的服务实例做一个内部缓存；
2）轮询选择一台服务器（目前只有这一种算法，后续会新增）。
当然要获取 Zookeeper 中的服务实例前自然是需要监听 cim-server 之前注册上去的那个节点。
具体代码如下：
也是在应用启动之后监听 Zookeeper 中的路由节点，一旦发生变化就会更新内部缓存。这里使用的是 Guava 的 cache，它基于 ConcurrentHashMap，所以可以保证清除、新增缓存的原子性。
10.3 群聊接口
这是一个真正发消息的接口，实现的效果就是其中一个客户端发消息，其余所有客户端都能收到！流程肯定是客户端发送一条消息到服务端，服务端收到后在上文介绍的 SessionSocketHolder 中遍历所有 Channel（通道）然后下发消息即可。服务端是单机倒也可以，但现在是集群设计。所以所有的客户端会根据之前的轮询算法分配到不同的 cim-server 实例中。
因此就需要路由层来发挥作用了。
路由接口收到消息后首先遍历出所有的客户端和服务实例的关系。
路由关系在 Redis 中的存放如下：
由于 Redis 单线程的特质，当数据量大时；一旦使用 keys 匹配所有 cim-route:* 数据，会导致 Redis 不能处理其他请求。所以这里改为使用 scan 命令来遍历所有的 cim-route:*。
接着会挨个调用每个客户端所在的服务端的 HTTP 接口用于推送消息。
在 cim-server 中的实现如下：
cim-server 收到消息后会在内部缓存中查询该 userID 的通道，接着只需要发消息即可。
10.4 在线用户接口
这是一个辅助接口，可以查询出当前在线用户信息。
实现也很简单，也就是查询之前保存 ”用户登录状态的那个去重 set “即可。
10.5 私聊接口
之所以说获取在线用户是一个辅助接口，其实就是用于辅助私聊使用的。一般我们使用私聊的前提肯定得知道当前哪些用户在线，接着你才会知道你要和谁进行私聊。
类似于这样：
在我们这个场景中，私聊的前提就是需要获得在线用户的 userID：
所以私聊接口在收到消息后需要查询到接收者所在的 cim-server 实例信息，后续的步骤就和群聊一致了。调用接收者所在实例的 HTTP 接口下发信息。只是群聊是遍历所有的在线用户，私聊只发送一个的区别。
10.6 下线接口
一旦客户端下线，我们就需要将之前存放在 Redis 中的一些信息删除掉（路由信息、登录状态）。
11、IM 客户端
客户端中的一些逻辑其实在上文已经谈到一些了。
11.1 登录
第一步也就是登录，需要在启动时调用 route 的登录接口，获得 cim-server 信息再创建连接。
登录过程中 route 接口会判断是否为重复登录，重复登录则会直接退出程序。
接下来是利用 route 接口返回的 cim-server 实例信息（ip+port）创建连接。最后一步就是发送一个登录标志的信息到服务端，让它保持客户端和 Channel 的关系。
11.2 自定义协议
上文提到的一些登录报文、真正的消息报文这些其实都是在我们自定义协议中可以区别出来的。由于是使用 Google Protocol Buffer 编解码，所以先看看原始格式。
其实这个协议中目前一共就三个字段：
1）requestId 可以理解为 userId；
2）reqMsg 就是真正的消息；
3）type 也就是上文提到的消息类别。
目前主要是三种类型，分别对应不同的业务：
11.3 心跳
为了保持客户端和服务端的连接，每隔一段时间没有发送消息都需要自动的发送心跳。
目前的策略是每隔一分钟就是发送一个心跳包到服务端：
这样服务端每隔一分钟没有收到业务消息时就会收到 ping 的心跳包：
11.4 内置命令
客户端也内置了一些基本命令来方便使用。
比如输入 :q 就会退出客户端，同时会关闭一些系统资源。
当输入 ：olu(onlineUser 的简写)就会去调用 route 的获取所有在线用户接口。
11.5 群聊
群聊的使用非常简单，只需要在控制台输入消息回车即可。这时会去调用 route 的群聊接口。
11.6 私聊
私聊也是同理，但前提是需要触发关键字；使用 userId;;消息内容 这样的格式才会给某个用户发送消息，所以一般都需要先使用
lu 命令获取所以在线用户才方便使用。
11.7 消息回调
为了满足一些定制需求，比如消息需要保存之类的。所以在客户端收到消息之后会回调一个接口，在这个接口中可以自定义实现。
因此先创建了一个 caller 的 bean，这个 bean 中包含了一个 CustomMsgHandleListener 接口，需要自行处理只需要实现此接口即可。
11.8 自定义界面
由于我自己不怎么会写界面，但保不准有其他大牛会写。所以客户端中的群聊、私聊、获取在线用户、消息回调等业务(以及之后的业务)都是以接口形式提供。
也方便后面做页面集成，只需要调这些接口就行了；具体实现不用怎么关心。
12、本文小结
cim 目前只是第一版，BUG 多，功能少（只拉了几个群友做了测试）；不过后续还会接着完善，至少这一版会给那些没有相关经验的朋友带来一些思路。
后续计划：
附录：更多IM相关文章
[1] 有关IM代码实践的文章：
《自已开发IM有那么难吗？手把手教你自撸一个Andriod版简易IM (有源码)》
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《手把手教你用Netty实现网络通信程序的心跳机制、断线重连机制》
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《开源IM工程“蘑菇街TeamTalk”2015年5月前未删减版完整代码 [附件下载]》
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