简介： Apache MINA 2 是一个开发高性能和高可伸缩性网络应用程序的网络应用框架。它提供了一个抽象的事件驱动的异步 API，可以使用 TCP/IP、UDP/IP、串口和虚拟机内部的管道等传输方式。Apache MINA 2 可以作为开发网络应用程序的一个良好基础。本文将介绍 Apache MINA 2 的基本概念和 API，包括 I/O 服务、I/O 会话、I/O 过滤器和 I/O 处理器。另外还将介绍如何使用状态机。本文包含简单的计算器服务和复杂的联机游戏两个示例应用。
Apache MINA 2 是一个开发高性能和高可伸缩性网络应用程序的网络应用框架。它提供了一个抽象的事件驱动的异步 API，可以使用 TCP/IP、UDP/IP、串口和虚拟机内部的管道等传输方式。Apache MINA 2 可以作为开发网络应用程序的一个良好基础。下面将首先简单介绍一下 Apache MINA 2。
Apache MINA 2 介绍
Apache MINA 是 Apache 基金会的一个开源项目，目前最新的版本是 2.0.0-RC1。本文中使用的版本是 2.0.0-M6。从参考资料中可以找到相关的下载信息。下面首先介绍基于 Apache MINA 的网络应用的一般架构。
基于 Apache MINA 的网络应用的架构
基于 Apache MINA 开发的网络应用，有着相似的架构。图 1中给出了架构的示意图。
图 1. 基于 Apache MINA 的网络应用的架构
如图 1所示，基于 Apache MINA 的网络应用有三个层次，分别是 I/O 服务、I/O 过滤器和 I/O 处理器：
_ I/O 服务：I/O 服务用来执行实际的 I/O 操作。Apache MINA 已经提供了一系列支持不同协议的 I/O 服务，如 TCP/IP、UDP/IP、串口和虚拟机内部的管道等。开发人员也可以实现自己的 I/O 服务。
_ I/O 过滤器：I/O 服务能够传输的是字节流，而上层应用需要的是特定的对象与数据结构。I/O 过滤器用来完成这两者之间的转换。I/O 过滤器的另外一个重要作用是对输入输出的数据进行处理，满足横切的需求。多个 I/O 过滤器串联起来，形成 I/O 过滤器链。
_ I/O 处理器：I/O 处理器用来执行具体的业务逻辑。对接收到的消息执行特定的处理。
创建一个完整的基于 Apache MINA 的网络应用，需要分别构建这三个层次。Apache MINA 已经为 I/O 服务和 I/O 过滤器提供了不少的实现，因此这两个层次在大多数情况下可以使用已有的实现。I/O 处理器由于是与具体的业务相关的，一般来说都是需要自己来实现的。
事件驱动的 API
Apache MINA 提供的是事件驱动的 API。它把与网络相关的各种活动抽象成事件。网络应用只需要对其感兴趣的事件进行处理即可。事件驱动的 API 使得基于 Apache MINA 开发网络应用变得比较简单。应用不需要考虑与底层传输相关的具体细节，而只需要处理抽象的 I/O 事件。比如在实现一个服务端应用的时候，如果有新的连接进来，I/O 服务会产生sessionOpened这样一个事件。如果该应用需要在有连接打开的时候，执行某些特定的操作，只需要在 I/O 处理器中此事件处理方法sessionOpened中添加相应的代码即可。
在介绍 Apache MINA 中的基本概念的细节之前，首先通过一个简单的应用来熟悉上面提到的三个层次的具体职责。
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从简单应用开始
在使用 Apache MINA 开发复杂的应用之前，首先将介绍一个简单的应用。通过此应用可以熟悉上面提到的三个层次，即 I/O 服务、I/O 过滤器和 I/O 处理器。该应用是一个简单的计算器服务，客户端发送要计算的表达式给服务器，服务器返回计算结果。比如客户端发送2+2，服务器返回4.0作为结果。
在实现此计算器的时候，首先需要考虑的是 I/O 服务。该计算器使用 TCP/IP 协议，需要在指定端口监听，接受客户端的连接。Apache MINA 提供了基于 Java NIO 的套接字实现，可以直接使用。其次要考虑的是 I/O 过滤器。I/O 过滤器过滤所有的 I/O 事件和请求，可以用来处理横切的需求，如记录日志、压缩等。最后就是 I/O 处理器。I/O 处理器用来处理业务逻辑。具体到该应用来说，就是在接收到消息之后，把该消息作为一个表达式来执行，并把结果发送回去。I/O 处理器需要实现org.apache.mina.core.service.IoHandler接口或者继承自org.apache.mina.core.service.IoHandlerAdapter。该应用的 I/O 处理器的实现如清单 1所示。
清单 1. 计算器服务的 I/O 处理器CalculatorHandler
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public class CalculatorHandler extends IoHandlerAdapter { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory .getLogger(CalculatorHandler.class); private ScriptEngine jsEngine = null; public CalculatorHandler() { ScriptEngineManager sfm = new ScriptEngineManager(); jsEngine = sfm.getEngineByName("JavaScript"); if (jsEngine == null) { throw new RuntimeException("找不到 JavaScript 引擎。"); } } public void exceptionCaught(IoSession session, Throwable cause) throws Exception { LOGGER.warn(cause.getMessage(), cause); } public void messageReceived(IoSession session, Object message) throws Exception { String expression = message.toString(); if ("quit".equalsIgnoreCase(expression.trim())) { session.close(true); return; } try { Object result = jsEngine.eval(expression); session.write(result.toString()); } catch (ScriptException e) { LOGGER.warn(e.getMessage(), e); session.write("Wrong expression, try again."); } } }
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在清单 1中，messageReceived由IoHandler接口声明。当接收到新的消息的时候，该方法就会被调用。此处的逻辑是如果传入了“quit”，则通过session.close关闭当前连接；如果不是的话，就执行该表达式并把结果通过session.write发送回去。此处执行表达式用的是 JDK 6 中提供的 JavaScript 脚本引擎。此处使用到了 I/O 会话相关的方法，会在下面进行说明。
接下来只需要把 I/O 处理器和 I/O 过滤器配置到 I/O 服务上就可以了。具体的实现如清单 2所示。
清单 2. 计算器服务主程序 CalculatorServer
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public class CalculatorServer { private static final int PORT = 10010; private static final Logger LOGGER = LoggerFactory .getLogger(CalculatorServer.class); public static void main(String[] args) throws IOException { IoAcceptor acceptor = new NioSocketAcceptor(); acceptor.getFilterChain().addLast("logger", new LoggingFilter()); acceptor.getFilterChain().addLast( "codec", new ProtocolCodecFilter(new TextLineCodecFactory(Charset .forName("UTF-8")))); acceptor.setHandler(new CalculatorHandler()); acceptor.bind(new InetSocketAddress(PORT)); LOGGER.info("计算器服务已启动，端口是" + PORT); } }
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清单 2中，首先创建一个org.apache.mina.transport.socket.nio.NioSocketAcceptor的实例，由它提供 I/O 服务；接着获得该 I/O 服务的过滤器链，并添加两个新的过滤器，一个用来记录相关日志，另外一个用来在字节流和文本之间进行转换；最后配置 I/O 处理器。完成这些之后，通过bind方法来在特定的端口进行监听，接收连接。服务器启动之后，可以通过操作系统自带的 Telnet 工具来进行测试，如图 2所示。在输入表达式之后，计算结果会出现在下面一行。
图 2. 使用 Telnet 工具测试计算器服务
在介绍了简单的计算器服务这个应用之后，下面说明本文中会使用的复杂的联机游戏应用。
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联机游戏示例说明
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。
图 3. 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
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。
表 1. IoService 中的重要方法
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方法 |
说明 |
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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。 |
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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。 |
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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
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
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。
清单 3. I/O 连接器示例
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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
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。
表 2. IoSession 中的重要方法
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方法 |
说明 |
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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。 |
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getAttribute(Object key) |
从 I/O 会话中获取键为key的用户自定义的属性。 |
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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。 |
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removeAttribute(Object key) |
从 I/O 会话中删除键为key的用户自定义的属性。 |
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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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I/O 过滤器
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 接口详细说明
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。
表 3. IoFilter 中与过滤器的生命周期相关的方法
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方法 |
说明 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。
表 4. IoFilter 中过滤 I/O 事件的方法
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方法 |
说明 |
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filterClose(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session) |
过滤对IoSession的close方法的调用。 |
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filterWrite(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, WriteRequest writeRequest) |
过滤对IoSession的write方法的调用。 |
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exceptionCaught(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, Throwable cause) |
过滤对IoHandler的exceptionCaught方法的调用。 |
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messageReceived(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, Object message) |
过滤对IoHandler的messageReceived方法的调用。 |
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messageSent(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, WriteRequest writeRequest) |
过滤对IoHandler的messageSent方法的调用。 |
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sessionClosed(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session) |
过滤对IoHandler的sessionClosed方法的调用。 |
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sessionCreated(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session) |
过滤对IoHandler的sessionCreated方法的调用。 |
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sessionIdle(IoFilter.NextFilter nextFilter, IoSession session, IdleStatus status) |
过滤对IoHandler的sessionIdle方法的调用。 |
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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
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。
清单 4. 阻止来自特定地址连接的 BlacklistFilter
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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。
使用 ProtocolCodecFilter
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。
图 4. 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。
清单 5. 联机游戏示例应用中的消息 AbstractTetrisCommand
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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。
在介绍完示例应用中的消息格式之后，下面将讨论具体的“编码”和“解码”过程。“编码”过程由编码器来完成，编码器需要实现org.apache.mina.filter.codec.ProtocolEncoder接口，一般来说继承自org.apache.mina.filter.codec.ProtocolEncoderAdapter并覆写所需的方法即可。清单 6中给出了示例应用中消息编码器CommandEncoder的实现。
清单 6. 联机游戏示例应用中消息编码器 CommandEncoder
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public class CommandEncoder extends ProtocolEncoderAdapter { public void encode(IoSession session, Object message, ProtocolEncoderOutput out) throws Exception { AbstractTetrisCommand command = (AbstractTetrisCommand) message; byte[] bytes = command.toBytes(); IoBuffer buf = IoBuffer.allocate(bytes.length, false);
buf.setAutoExpand(true); buf.putInt(bytes.length); buf.put(bytes);
buf.flip(); out.write(buf); } } |
在清单 6中，encode方法封装了编码的逻辑。由于AbstractTetrisCommand的toBytes已经完成了到字节数组的转换，encode方法直接使用即可。首先写入消息主体字节数组的长度，再是字节数组本身，就完成了编码的过程。
与编码过程相比，解码过程要相对复杂一些。具体的实现如清单 7所示。
清单 7. 联机游戏示例应用中消息解码器 CommandDecoder
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public class CommandDecoder extends CumulativeProtocolDecoder { protected boolean doDecode(IoSession session, IoBuffer in, ProtocolDecoderOutput out) throws Exception { if (in.prefixedDataAvailable(4, Constants.MAX_COMMAND_LENGTH)) { int length = in.getInt(); byte[] bytes = new byte[length]; in.get(bytes); int commandNameLength = Constants.COMMAND_NAME_LENGTH; byte[] cmdNameBytes = new byte[commandNameLength]; System.arraycopy(bytes, 0, cmdNameBytes, 0, commandNameLength); String cmdName = StringUtils.trim(new String(cmdNameBytes)); AbstractTetrisCommand command = TetrisCommandFactory .newCommand(cmdName); if (command != null) { byte[] cmdBodyBytes = new byte[length - commandNameLength]; System.arraycopy(bytes, commandNameLength, cmdBodyBytes, 0, length - commandNameLength); command.bodyFromBytes(cmdBodyBytes); out.write(command); } return true; } else { return false; } } } |
在清单 7中可以看到，解码器CommandDecoder继承自CumulativeProtocolDecoder。这是 Apache MINA 提供的一个帮助类，它会自动缓存所有已经接收到的数据，直到编码器认为可以开始进行编码。这样在实现自己的编码器的时候，就只需要考虑如何判断消息的边界即可。如果一条消息的后续数据还没有接收到，CumulativeProtocolDecoder会自动进行缓存。在之前提到过，解码过程的一个重要问题是判断消息的边界。对于固定长度的消息来说，只