1、心跳机制简介

在分布式系统中，分布在不同主机上的节点需要检测其他节点的状态，如服务器节点需要检测从节点是否失效。为了检测对方节点的有效性，每隔固定时间就发送一个固定信息给对方，对方回复一个固定信息，如果长时间没有收到对方的回复，则断开与对方的连接。

发包方既可以是服务端，也可以是客户端，这要看具体实现。因为是每隔固定时间发送一次，类似心跳，所以发送的固定信息称为心跳包。心跳包一般为比较小的包，可根据具体实现。心跳包主要应用于长连接的保持与短线链接。

一般而言，应该客户端主动向服务器发送心跳包，因为服务器向客户端发送心跳包会影响服务器的性能。

实现原理：长连接的维持，是要客户端程序，定时向服务端程序，发送一个维持连接包的。如果，长时间未发送维持连接包，服务端程序将断开连接。

2、心跳机制实现方式

心跳机制有两种实现方式，一种基于TCP自带的心跳包，TCP的SO_KEEPALIVE选项可以，系统默认的默认跳帧频率为2小时，超过2小时后，本地的TCP 实现会发送一个数据包给远程的 Socket. 如果远程Socket 没有发回响应, TCP实现就会持续尝试 11 分钟, 直到接收到响应为止。 否则就会自动断开Socket连接。但TCP自带的心跳包无法检测比较敏感地知道对方的状态，默认2小时的空闲时间，对于大多数的应用而言太长了。可以手工开启KeepAlive功能并设置合理的KeepAlive参数。

另一种在应用层自己进行实现，基本步骤如下：

• 1、Client使用定时器，不断发送心跳；
• 2、Server收到心跳后，回复一个包；
• 3、Server为每个Client启动超时定时器，如果在指定时间内没有收到Client的心跳包，则Client失效。

3、客户端

Client通过持有Socket的对象，可以随时（使用sendObject方法）发送Massage Object(消息)给服务端。

如果keepAliveDelay毫秒（程序中是2秒）内未发送任何数据，则自动发送一个KeepAlive Object(心跳)给服务端，用于维持连接。

由于，我们向服务端，可以发送很多不同的消息对象，服务端也可以返回不同的对象。所以，对于返回对象的处理，要编写具体的ObjectAction实现类进行处理。通过Client.addActionMap方法进行添加。这样，程序会回调处理

4 、服务端

由于客户端会定时（keepAliveDelay毫秒）发送维持连接的信息过来，所以，服务端要有一个检测机制。

即当服务端receiveTimeDelay毫秒（程序中是3秒）内未接收任何数据，则自动断开与客户端的连接。

ActionMapping的原理与客户端相似（相同）。

通过添加相应的ObjectAction实现类，可以实现不同对象的响应、应答过程。

5、代码实现

5.1 KeepAlive.java

package com.zyz.mynative.demo02;/*** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/2/15 11:05* @Description:*/
import java.io.Serializable;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;/**** 维持连接的消息对象（心跳对象）* @author zyz* @version 1.0* @data 2023/2/15 11:05* @Description:*/
public class KeepAlive implements Serializable{private static final long serialVersionUID = -2813120366138988480L;/* 覆盖该方法，仅用于测试使用。* @see java.lang.Object#toString()*/@Overridepublic String toString() {return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())+"\\t维持连接包";}}

5.2 MyClient.java

package com.zyz.mynative.demo02;/*** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/2/15 11:06* @Description:*/import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;/*** C/S架构的客户端对象，持有该对象，可以随时向服务端发送消息。** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/2/15 11:06* @Description:*/
public class MyClient {/*** 处理服务端发回的对象，可实现该接口。*/public static interface ObjectAction {void doAction(Object obj, MyClient client);}public static final class DefaultObjectAction implements ObjectAction {@Overridepublic void doAction(Object obj, MyClient client) {System.out.println("处理：\\t" + obj.toString());}}private String serverIp;private int port;private Socket socket;//连接状态private boolean running = false;/*** 最后一次发送数据的时间*/private long lastSendTime;/*** 用于保存接收消息对象类型及该类型消息处理的对象*/private ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction> actionMapping = new ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction>();public MyClient(String serverIp, int port) {this.serverIp = serverIp;this.port = port;}public void start() throws UnknownHostException, IOException {if (running) {return;}socket = new Socket(serverIp, port);System.out.println("本地端口：" + socket.getLocalPort());lastSendTime = System.currentTimeMillis();running = true;//保持长连接的线程，每隔2秒项服务器发一个一个保持连接的心跳消息new Thread(new KeepAliveWatchDog()).start();//接受消息的线程，处理消息new Thread(new ReceiveWatchDog()).start();}public void stop() {if (running) {running = false;};}/*** 添加接收对象的处理对象。** @param cls    待处理的对象，其所属的类。* @param action 处理过程对象。*/public void addActionMap(Class<Object> cls, ObjectAction action) {actionMapping.put(cls, action);}public void sendObject(Object obj) throws IOException {ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());oos.writeObject(obj);System.out.println("发送：\\t" + obj);oos.flush();}class KeepAliveWatchDog implements Runnable {long checkDelay = 10;//两秒钟检测一次long keepAliveDelay = 2000;@Overridepublic void run() {while (running) {if (System.currentTimeMillis() - lastSendTime > keepAliveDelay) {try {MyClient.this.sendObject(new KeepAlive());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();MyClient.this.stop();}lastSendTime = System.currentTimeMillis();} else {try {Thread.sleep(checkDelay);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();MyClient.this.stop();}}}}}class ReceiveWatchDog implements Runnable {@Overridepublic void run() {while (running) {try {InputStream in = socket.getInputStream();if (in.available() > 0) {ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);Object obj = ois.readObject();System.out.println("接收：\\t" + obj);ObjectAction oa = actionMapping.get(obj.getClass());oa = oa == null ? new DefaultObjectAction() : oa;oa.doAction(obj, MyClient.this);} else {Thread.sleep(10);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();MyClient.this.stop();}}}}public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {String serverIp = "127.0.0.1";int port = 65432;MyClient client = new MyClient(serverIp, port);client.start();}
}

5.3 MyServer

package com.zyz.mynative.demo02;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;/*** C/S架构的服务端对象。** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/2/15 11:08* @Description:*/
public class MyServer {/*** 要处理客户端发来的对象，并返回一个对象，可实现该接口。*/public interface ObjectAction {Object doAction(Object rev, MyServer server);}public static final class DefaultObjectAction implements ObjectAction {@Overridepublic Object doAction(Object rev, MyServer server) {System.out.println("处理并返回：" + rev);return rev;}}private int port;private volatile boolean running = false;private long receiveTimeDelay = 3000;/*** ConcurrentHashMap是线程安全的，ConcurrentHashMap并非锁住整个方法，* 而是通过原子操作和局部加锁的方法保证了多线程的线程安全，且尽可能减少了性能损耗。*/private ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction> actionMapping = new ConcurrentHashMap<Class, ObjectAction>();private Thread connWatchDog;public MyServer(int port) {this.port = port;}/*** 通过继承Runnable ,开启线程*/public void start() {if (running) {return;};running = true;connWatchDog = new Thread(new ConnWatchDog());connWatchDog.start();}@SuppressWarnings("deprecation")public void stop() {if (running) {running = false;};if (connWatchDog != null) {connWatchDog.stop();};}public void addActionMap(Class<Object> cls, ObjectAction action) {actionMapping.put(cls, action);}/*** 继承Runnable 重写run方法、实现线程*/class ConnWatchDog implements Runnable {@Overridepublic void run() {try {ServerSocket ss = new ServerSocket(port, 5);while (running) {Socket s = ss.accept();new Thread(new SocketAction(s)).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();MyServer.this.stop();}}}/*** 继承Runnable 重写run方法、实现线程，通过匿名内部类*/class SocketAction implements Runnable {Socket s;boolean run = true;long lastReceiveTime = System.currentTimeMillis();public SocketAction(Socket s) {this.s = s;}@Overridepublic void run() {while (running && run) {if (System.currentTimeMillis() - lastReceiveTime > receiveTimeDelay) {overThis();} else {try {InputStream in = s.getInputStream();if (in.available() > 0) {ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);Object obj = ois.readObject();lastReceiveTime = System.currentTimeMillis();System.out.println("接收：\\t" + obj);ObjectAction oa = actionMapping.get(obj.getClass());oa = oa == null ? new DefaultObjectAction() : oa;Object out = oa.doAction(obj, MyServer.this);if (out != null) {ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(s.getOutputStream());oos.writeObject(out);oos.flush();}} else {Thread.sleep(10);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();overThis();}}}}private void overThis() {if (run) {run = false;};if (s != null) {try {s.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("关闭：" + s.getRemoteSocketAddress());}}public static void main(String[] args) {int port = 65432;MyServer server = new MyServer(port);server.start();}}

5.4 测试结果

先开启服务端，在开启客户端

参考资料：

• 1、java实现心跳机制
• 2、java实现长连接