心跳机制详解

1. 定时发送心跳包

java

public class HeartbeatClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private static final ByteBuf HEARTBEAT = 
        Unpooled.copiedBuffer("HEARTBEAT", CharsetUtil.UTF_8);
    
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        // 定时发送心跳
        ctx.executor().scheduleAtFixedRate(() -> {
            if (ctx.channel().isActive()) {
                ctx.writeAndFlush(HEARTBEAT.duplicate());
            }
        }, 0, 5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

客户端心跳发送的核心作用

1. 保持连接活跃

java

// 防止中间设备（如NAT、防火墙）断开空闲连接
// 在NAT环境下，长时间无数据会被路由器清除映射表
ctx.writeAndFlush(HEARTBEAT); // 定期发送，保持NAT映射

场景：移动网络、家庭路由器、公司防火墙会主动关闭长时间无数据的连接。

2. 检测服务端是否存活

java

// 客户端发送心跳并等待响应
ctx.writeAndFlush(ping).addListener(future -> {
    if (!future.isSuccess()) {
        // 发送失败，连接可能已断开
        reconnect();
    }
});

双端检测机制：

• 服务端检测客户端：通过 READER_IDLE

• 客户端检测服务端：通过心跳响应

3. 快速发现网络故障

java

public class HeartbeatClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private int timeoutCount = 0;
    
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        if (isPong(msg)) {
            timeoutCount = 0; // 收到响应，重置计数器
        }
    }
    
    // 定时发送心跳
    private void scheduleHeartbeat() {
        ctx.executor().schedule(() -> {
            if (!receivedPong) {
                timeoutCount++;
                if (timeoutCount > 3) {
                    // 连续3次无响应，触发重连
                    reconnect();
                }
            }
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

4. 维持会话状态

java

// 在某些协议中，心跳包可以携带附加信息
HeartbeatMessage heartbeat = HeartbeatMessage.builder()
    .timestamp(System.currentTimeMillis())
    .sessionId(sessionId)
    .load(0.5) // 当前负载
    .build();
ctx.writeAndFlush(heartbeat);

5. 实现重连机制

java

public class AutoReconnectHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private ScheduledFuture<?> reconnectFuture;
    
    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) {
        // 连接断开，启动重连
        reconnectFuture = ctx.executor().scheduleAtFixedRate(
            this::doReconnect,
            1,  // 1秒后开始重连
            5,  // 每5秒重试一次
            TimeUnit.SECONDS
        );
    }
    
    private void doReconnect() {
        if (isConnected()) {
            reconnectFuture.cancel(false);
        } else {
            bootstrap.connect();
        }
    }
}

具体应用场景分析

场景1：移动端APP长连接

java

// 移动网络下连接不稳定
new IdleStateHandler(0, 20, 0, TimeUnit.SECONDS);
// 客户端每20秒发送一次心跳
// 服务端60秒无读事件则断开连接

场景2：微服务间健康检查

java

// 客户端心跳包携带健康状态
HealthCheckHeartbeat heartbeat = new HealthCheckHeartbeat(
    serviceId,
    System.currentTimeMillis(),
    HealthStatus.UP,
    System.currentTimeMillis() - lastRequestTime
);

场景3：游戏客户端

java

// 游戏需要实时检测连接状态
// 心跳频率较高（如每秒1次）
ctx.executor().scheduleAtFixedRate(() -> {
    GameHeartbeat heartbeat = new GameHeartbeat(
        playerId,
        sequence++,
        getPlayerPosition()
    );
    ctx.writeAndFlush(heartbeat);
}, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);

心跳策略建议

1. 智能心跳机制

java

public class AdaptiveHeartbeatHandler {
    private long heartbeatInterval = 5000; // 初始5秒
    
    // 根据网络状况调整心跳间隔
    private void adjustHeartbeatInterval(boolean networkGood) {
        if (networkGood) {
            heartbeatInterval = Math.min(heartbeatInterval * 2, 30000); // 最大30秒
        } else {
            heartbeatInterval = Math.max(heartbeatInterval / 2, 1000); // 最小1秒
        }
    }
}

2. 心跳确认机制

java

// 需要服务端确认的心跳
AtomicLong lastPongTime = new AtomicLong();

// 发送心跳
ctx.writeAndFlush(ping).addListener(future -> {
    if (future.isSuccess()) {
        // 启动超时检测
        ctx.executor().schedule(() -> {
            if (System.currentTimeMillis() - lastPongTime.get() > 10000) {
                // 10秒内未收到pong，认为连接异常
                handleHeartbeatTimeout();
            }
        }, 10, TimeUnit.SECONDS);
    }
});

// 接收pong响应
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    if (isPong(msg)) {
        lastPongTime.set(System.currentTimeMillis());
    }
}

注意事项

1. 心跳频率权衡：

   • 太频繁：浪费流量和CPU

   • 太稀疏：无法及时检测断开

2. 移动网络优化：

   java

   // 在移动网络下可以动态调整
   if (isMobileNetwork()) {
       interval = 15000; // 移动网络15秒
   } else {
       interval = 30000; // WiFi 30秒
   }

3. 省电考虑（移动端）：

   java

   // 应用进入后台时降低频率
   public void onAppBackground() {
       heartbeatInterval = 60000; // 后台模式60秒一次
   }

4. 与TCP Keepalive的区别：

   • TCP Keepalive：操作系统层面，默认2小时，不可控

   • 应用层心跳：应用控制，可携带业务数据，更灵活

客户端心跳发送的本质是：在不可靠的网络环境中，通过主动的、周期性的探针来维持和验证连接的可靠性，为上层业务提供稳定的通信基础。