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基于 Kotlin+Netty 开发的 Android Web Server

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一. 开发背景

最近半年来,我一直在从事开发公司的自助手机回收机项目。该项目有点类似于 IoT 项目,通过 Android 系统来操作回收机中的各种传感器,以此来控制回收机中的各种硬件。这涉及到各种通信协议,例如串口的通信,还有 TCP、http 协议等。

在我们的回收机中,Android 上使用的 http 服务来自一个第三方的库,从监控上看最近该库报错有一点多。

我们回收机本身提供的 TCP、WebSocket 服务均由 Netty 开发,而 http 服务它运行在TCP之上,因此也可以使用 Netty 来提供 http 服务,从而可以减少第三方库的依赖。

二. AndroidServer 特性

正是基于上面的开发背景,我最近抽空开发了一个 AndroidServer

github 地址:github.com/fengzhizi71…

它的特性包括:

  • 支持 Http、TCP、WebSocket 服务
  • 支持 Rest 风格的 API
  • Http 的路由表采用字典树(Tried Tree)实现
  • 开发者可以使用自己的日志库
  • core 模块只依赖 netty-all,不依赖其他第三方库

三. AndroidServer 设计原理

3.1 http 服务之 Request、Response

一个完整的 http 服务一定需要 Request、Response

/**
 *
 * @FileName:
 *          com.safframework.server.core.http.Request
 * @author: Tony Shen
 * @date: 2020-03-21 12:31
 * @version: V1.0 <描述当前版本功能>
 */
interface Request {

    fun method(): HttpMethod

    fun url(): String

    fun headers(): MutableMap<String, String>

    fun header(name: String): String?

    fun cookies(): Set<HttpCookie>

    fun params(): MutableMap<String, String>

    fun param(name: String): String?

    fun content(): String
}
复制代码
/**
 *
 * @FileName:
 *          com.safframework.server.core.http.Response
 * @author: Tony Shen
 * @date: 2020-03-21 13:09
 * @version: V1.0 <描述当前版本功能>
 */
interface Response {

    fun setStatus(status: HttpResponseStatus): Response

    fun setBodyJson(any: Any): Response

    fun setBodyHtml(html: String): Response

    fun setBodyData(contentType: String, data: ByteArray): Response

    fun setBodyText(text: String): Response

    fun addHeader(key: CharSequence, value: CharSequence): Response

    fun addHeader(key: AsciiString, value: AsciiString): Response

    fun addCookie(cookie: HttpCookie): Response
}
复制代码

在 AndroidServer 中他们的实现者分别是:HttpRequest、HttpResponse。

其中, HttpRequest 包含了 Netty 的 FullHttpRequest,HttpResponse 包含了 Netty 的 Channel、DefaultFullHttpResponse。

FullHttpRequest 包含了 HttpRequest 和 FullHttpMessage,是一个 HTTP 请求的完全体。

通过 FullHttpRequest 可以从中提取 http 请求方法、请求头、请求体的具体信息,包括 cookie、parameter 等等。

Channel 是 Netty 网络操作抽象类,包括网络的读、写、发起连接、链路关闭等,它是 Netty 网络通信的主体。

Channel代表了一个 Socket 链接。

通过 DefaultFullHttpResponse 来构造完整的 HttpResponse。

    fun buildFullH1Response(): FullHttpResponse {
        var status = this.status
        val response = DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, status?:HttpResponseStatus.OK, buildBodyData())
        response.headers().set(HttpHeaderNames.SERVER, SERVER_VALUE)
        headers.forEach { (key, value) -> response.headers().set(key, value) }
        response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, buildBodyData().readableBytes())
        return response
    }
复制代码

因此,最终通过如下的配置完成简单的 http 服务:

        pipeline
            .addLast("http-codec", HttpServerCodec())
            .addLast("aggregator", HttpObjectAggregator(builder.maxContentLength))
            .addLast("request-handler", H1BrokerHandler(routeRegistry))
复制代码
class H1BrokerHandler(private val routeRegistry: RouteTable): ChannelInboundHandlerAdapter() {

    @Throws(Exception::class)
    override fun channelRead(ctx: ChannelHandlerContext, msg: Any) {
        if (msg is FullHttpRequest) {

            val request = HttpRequest(msg)
            val response = routeRegistry.getHandler(request)?.let {
                val impl = it.invoke(request, HttpResponse(ctx.channel())) as HttpResponse
                impl.buildFullH1Response()
            }
            ctx.channel().writeAndFlush(response).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE)
        } else {
            LogManager.w("H1BrokerHandler","unknown message type ${msg}")
        }
        ctx.fireChannelRead(msg)
    }
}
复制代码

3.2 字典树

在 H1BrokerHandler 中,request 请求通过查找路由表来找到对应的 RequestHandler。

typealias RequestHandler = (Request, Response) -> Response
复制代码

路由表中定义了多个字典树

/**
 *
 * @FileName:
 *          com.safframework.server.core.router.RouteTable
 * @author: Tony Shen
 * @date: 2020-03-21 21:28
 * @version: V1.0 <描述当前版本功能>
 */
object RouteTable {

    private val getTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val postTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val putTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val deleteTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val headTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val traceTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val connectTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val optionsTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private val patchTrie: PathTrie<RequestHandler> = PathTrie()
    private var errorController: RequestHandler?=null

    fun registHandler(method: HttpMethod, url: String, handler: RequestHandler) {
        getTable(method).insert(url, handler)
    }

    private fun getTable(method: HttpMethod): PathTrie<RequestHandler> =
        when (method) {
            HttpMethod.GET     -> getTrie
            HttpMethod.POST    -> postTrie
            HttpMethod.PUT     -> putTrie
            HttpMethod.DELETE  -> deleteTrie
            HttpMethod.HEAD    -> headTrie
            HttpMethod.TRACE   -> traceTrie
            HttpMethod.CONNECT -> connectTrie
            HttpMethod.OPTIONS -> optionsTrie
            HttpMethod.PATCH   -> patchTrie
        }

    /**
     * 支持自定义错误的
     */
    fun errorController(errorController: RequestHandler) {
        this.errorController = errorController
    }

    fun getHandler(request: Request): RequestHandler = getTable(request.method()).fetch(request.url(),request.params())
        ?: errorController
        ?: NotFound()

    fun isNotEmpty():Boolean = !isEmpty()

    fun isEmpty():Boolean = getTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && postTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && putTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && deleteTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && headTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && traceTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && connectTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && optionsTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
            && patchTrie.getRoot().getChildren().isEmpty()
}
复制代码

在计算机科学中,trie,又称前缀树字典树,是一种有序树,用于保存关联数组,其中的键通常是字符串。与二叉查找树不同,键不是直接保存在节点中,而是由节点在树中的位置决定。一个节点的所有子孙都有相同的前缀,也就是这个节点对应的字符串,而根节点对应空字符串。一般情况下,不是所有的节点都有对应的值,只有叶子节点和部分内部节点所对应的键才有相关的值。

字典树的核心思想是空间换时间,它在搜索字符串时是非常地高效,特别适用于构建文本搜索和词频统计等应用。

在 AndroidServer 中,使用字典树来存储 http 服务的路径和对应的 RequestHandler。正是因为其查找的速度快于正则表达式。

3.3 Socket 服务

可以参考之前的文章Kotlin + Netty 在 Android 上实现 Socket 的服务端

四. AndroidServer 使用

4.1 http 服务

通过使用 Service 来提供一个 http 服务,它的 http 服务本身支持 rest 风格、支持跨域、cookies 等。

class HttpService : Service() {

    private lateinit var androidServer: AndroidServer

    override fun onCreate() {
        super.onCreate()
        startServer()
    }

    // 启动 Http 服务端
    private fun startServer() {

        androidServer = AndroidServer.Builder().converter(GsonConverter()).build()

        androidServer
            .get("/hello")  { _, response: Response ->
                response.setBodyText("hello world")
            }
            .get("/sayHi/{name}") { request,response: Response ->
                val name = request.param("name")
                response.setBodyText("hi $name!")
            }
            .post("/uploadLog") { request,response: Response ->
                val requestBody = request.content()
                response.setBodyText(requestBody)
            }
            .start()
    }

    override fun onStartCommand(intent: Intent?, flags: Int, startId: Int): Int {
        return super.onStartCommand(intent, flags, startId)
    }

    override fun onDestroy() {
        androidServer.close()
        super.onDestroy()
    }


    override fun onBind(intent: Intent): IBinder? {
        return null
    }

}
复制代码

测试:

curl -v 127.0.0.1:8080/hello
*   Trying 127.0.0.1...
* Connected to 127.0.0.1 (127.0.0.1) port 8080 (#0)
> GET /hello HTTP/1.1
> Host: 127.0.0.1:8080
> User-Agent: curl/7.50.1-DEV
> Accept: */*
>
< HTTP/1.1 200 OK
< server: monica
< content-type: text/plain
< content-length: 11
<
* Connection #0 to host 127.0.0.1 left intact
hello world
复制代码
curl -v -d 测试 127.0.0.1:8080/uploadLog
*   Trying 127.0.0.1...
* Connected to 127.0.0.1 (127.0.0.1) port 8080 (#0)
> POST /uploadLog HTTP/1.1
> Host: 127.0.0.1:8080
> User-Agent: curl/7.50.1-DEV
> Accept: */*
> Content-Length: 6
> Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
>
* upload completely sent off: 6 out of 6 bytes
< HTTP/1.1 200 OK
< server: monica
< content-type: text/plain
< content-length: 6
<
* Connection #0 to host 127.0.0.1 left intact
测试
复制代码

4.2 Socket 服务

Socket 服务,AndroidServer 支持同一个端口同时提供 TCP/WebSocket 服务

class SocketService : Service() {

    private lateinit var androidServer: AndroidServer

    override fun onCreate() {
        super.onCreate()
        startServer()
    }

    // 启动 Socket 服务端
    private fun startServer() {
        androidServer = AndroidServer.Builder().converter(GsonConverter()).port(8888).logProxy(LogProxy).build()

        androidServer
            .socket("/ws", object: SocketListener<String> {
                override fun onMessageResponseServer(msg: String, ChannelId: String) {
                    LogManager.d("SocketService","msg = $msg")
                }

                override fun onChannelConnect(channel: Channel) {
                    val insocket = channel.remoteAddress() as InetSocketAddress
                    val clientIP = insocket.address.hostAddress
                    LogManager.d("SocketService","connect client: $clientIP")

                }

                override fun onChannelDisConnect(channel: Channel) {
                    val ip = channel.remoteAddress().toString()
                    LogManager.d("SocketService","disconnect client: $ip")
                }

            })
            .start()
    }

    override fun onStartCommand(intent: Intent?, flags: Int, startId: Int): Int {
        return super.onStartCommand(intent, flags, startId)
    }

    override fun onDestroy() {

        androidServer.close()
        super.onDestroy()
    }


    override fun onBind(intent: Intent): IBinder? {
        return null
    }
}
复制代码

Socket 服务可以使用 :github.com/fengzhizi71… 进行测试

五. 总结

AndroidServer 目前基本满足我们项目的需求。 github 地址:github.com/fengzhizi71…

但是,如果要作为一个通用的 Server,仍有很多不足之处,例如没有支持到 https、HttpSession、HTTP/2 等等。这些是已是下一阶段规划和开发的重点。

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