P4. 微服务: 匹配系统(上)
P4. 微服务: 匹配系统 上
Tips
- 做任何一个业务，先分析整体的流程，再想怎么用代码实现各部分。
- 对于类似匹配系统这种通信复杂的，最好把系统画出来明确一下。
0 概述
- 观前须知: 整个匹配系统比较复杂，因此分上下章阐述，本章尚未涉及到微服务，只是简单的设计并实现了匹配系统，未考虑到多并发，线程等问题，在下章中会进行改进，开一个微服务进行实现。
- 本章首先介绍了匹配系统和游戏系统的整个流程，需要明确为什么匹配系统要用微服务。
- 另外，本章的关键点在于理解为什么匹配系统要用
websocket协议，websocket协议的原理是什么，如何使用websocket实现通信，前后端分别如何建立websocket连接，前端如何向后端发送消息，后端如何向前端发送消息。 - 在学习完成后思考一下该怎么通过
websocket来实现一个聊天对话功能。
1 匹配系统流程
整个匹配流程如上图所示，匹配系统实际上就是用户的集合，是类似于 MySQL 的单独的程序(微服务)。
(1) 客户端先发送匹配请求给后端
(2) 后端把每个用户信息发送给匹配系统 (把用户扔到匹配池)
(3) 匹配系统根据匹配规则将用户进行匹配，有匹配结果 {user1, user2} 之后立刻返回给后端
(4) 后端根据匹配结果中的 {user1, user2} 根据每个用户对应的 socket 连接向客户端返回匹配成功结果
在介绍完匹配系统的流程后，分析一下以下几个问题:
Q1. 什么时候用微服务？
微服务可以理解成一个额外的程序，实现某个逻辑比较独立的功能。
可以发现，整个匹配流程是异步的，也就是在用户发送匹配请求之后，不知道要过多久才有结果，等待时间未知。
当面对异步或计算量大的操作时，需要维护额外的服务进行操作。
Q2. 为什么用后端用
websocket协议？传统的
http协议的特点是一问一答，中间返回过程的时间很短，像上一节中bot的CRUD操作就是传统的http，而匹配系统的特点是发送请求后不知道过多长时间才有结果，同时也可能返回多次结果，因此不能用
http协议，
websocket协议的特点是客户端和服务端都可以主动发送请求(全双工，两边对称)，因此后端采用websocket协议。介绍一下
websocket的基本原理:每一个前端建立的连接都会在后端进行维护，维护的实际上是一个
WebSocketServer类的实例，每一个连接都开一个线程维护(多线程并发)。每一个连接的独有信息，比如匹配的用户可以用private存下来，而对于所有连接共有的信息，比如匹配池的用户，可以用static静态变量存起来。简单来说就是每来一个连接就开一个线程，每一个线程
new一个WebSocketServer实例来维护这个连接。
2 游戏系统流程
在P1.创建菜单与游戏界面中介绍的游戏都是在本地端实现的，然而对于匹配到的对局需要相同的地图，并且不能把裁判逻辑等放在前端，方便外挂出现。因此需要在后端实现一个 Game 维护整个游戏地图生成和裁判逻辑等。
对于回合制游戏大多把裁判逻辑放在后端，但对于
fps游戏等需要大量实时返回的游戏会把部分逻辑放在前端，否则延迟太高。
(1) 创建游戏地图，并且返回给对局的两个用户 client1, client2 (本章6.2节实现的部分)
(2) 等待两个玩家都输入下一步操作(可以客户端手动输入，也可以通过执行 Bot 代码的微服务发送结果)，如果长时间未获得输入，则判定未输入操作的玩家超时直接判输，否则传给裁判函数进行判断
(3) 判断新局面的情况是否合法，如果有不合法的直接判输赢，合法则继续下一回合直到分出胜负
3 websocket 前后端通信的基础配置
3.1 websocket 的需要的配置
首先要安装2个依赖
spring-boot-starter-websocket,fastjson(前后端以json格式通信)。再创建
config.WebSocketConfig配置类，启用WebSocket支持。
@Configuration
public class WebSocketConfig {
@Bean
public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
return new ServerEndpointExporter();
}
}
- 在
config.SecurityConfig配置中添加如下函数，放行websocket连接。
@Override
public void configure(WebSecurity web) throws Exception {
web.ignoring().antMatchers("/websocket/**");
}
3.2 websocket 连接的建立
- 添加
consumer.WebSocketConfig类，实现后端websocket连接相关功能。
首先说明一下几个函数的作用:
onOpen: 在创建 websocket 连接时触发，获取当前连接对应的 user 并且放到 users 中，users 是用于通过 userId 找到对应的连接，这样在匹配成功时可以找到用户对应的连接。
onClose: 在关闭连接时触发，把 user 从 users 中移除。
onMessage: 后端接收到前端消息时触发。
sendMessage: 后端向当前连接发送消息。
在
websocket连接中，每个连接通过一个Session对象来维护。sendMessage是一个异步通信过程，需要加一个锁维护。
ConCurrentHashMap是一个线程安全的哈希表，把userId映射到WebSocketServer实例。
WebSocketServer中注入userMapper需要setUserMapper特殊注入，和之前的不同。
@Component
@ServerEndpoint("/websocket/{token}") // 注意不要以'/'结尾
public class WebSocketServer {
private Session session = null;
private User user;
private static ConcurrentHashMap<Integer, WebSocketServer> users = new ConcurrentHashMap<>();
private static UserMapper userMapper;
@Autowired
private void setUserMapper(UserMapper userMapper) {
WebSocketServer.userMapper = userMapper;
}
@OnOpen
public void onOpen(Session session, @PathParam("token") String token) {
this.session = session;
System.out.println("connected!");
Integer userId = Integer.parseInt(token);
this.user = userMapper.selectById(userId);
if (this.user != null) {
users.put(userId, this);
} else {
this.session.close();
}
}
@OnClose
public void onClose() {
System.out.println("disconnected!");
if (this.user != null) {
users.remove(this.user.getId());
}
}
@OnMessage
public void onMessage(String message, Session session) {
System.out.println("received!");
}
@OnError
public void onError(Session session, Throwable error) {
error.printStackTrace();
}
public void sendMessage(String message) {
synchronized (this.session) {
try {
this.session.getBasicRemote().sendText(message);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
在前端进行调试，实现前端
websocket连接建立。前端建立
websocket是通过socketUrl和js内置的WebSocket类来实例化WebSocket对象实现，该对象包含的函数和后端websocket包含的类似。onMounted是指组件挂载时触发的函数，可以理解成页面加载完成后触发，简单来说就是在pk页面加载完成后建立一个websocket连接，通过socketUrl和后端连接起来。
export default {
setup() {
const store = useStore();
const socketUrl = `ws://127.0.0.1:3000/websocket/${store.state.user.id}/`;
let socket = null;
onMounted(() => {
socket = new WebSocket(socketUrl);
socket.onopen = () => {
console.log("connected!");
store.commit("updateSocket", socket); // 存到全局变量里
}
socket.onmessage = msg => {
const data = JSON.parse(msg.data);
console.log(data);
}
socket.onclose = () => {
console.log("disconnected!");
}
});
onUnmounted(() => {
socket.close();
});
}
}
3.3 为 websocket 连接添加 jwt 验证
之前实现的 socketUrl 是直接传用户的 id，显然这样很不安全，前端只要更改 socketUrl 就可以用别人的身份进行对局，因此需要把 id 改成 token 进行 jwt 验证。
前端只需要修改 socketUrl，后端需要从 token 中解析出 userId。
consumer.utils.JwtAuthentication
public class JwtAuthentication {
public static Integer getUserId(String token) {
int userId = -1;
try {
Claims claims = JwtUtil.parseJWT(token);
userId = Integer.parseInt(claims.getSubject());
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
return userId;
}
}
consumer.WebSocketServer
@OnOpen
public void onOpen(Session session, @PathParam("token") String token) throws IOException {
this.session = session;
System.out.println("connected!");
Integer userId = JwtAuthentication.getUserId(token);
this.user = userMapper.selectById(userId);
if (this.user != null) {
users.put(userId, this);
} else {
this.session.close(); // 断开连接
}
System.out.println(users);
}
4 实现匹配界面和对战界面的切换
首先模仿
user.js创建pk.js包含所有pk页面所需的全局变量status, opponent_username, opponent_photo, socket，其中status表示当前是匹配界面还是对战界面。在
pk页面通过v-if="$store.state.pk.status === 'xxx'"来实现界面切换。自行设计
MatchGround页面内容，需要提供匹配按钮，让用户进行匹配。
5 匹配系统的客户端和 websocket 后端交互部分
5.1 明确业务逻辑过程
用户在点击匹配按钮之后，(1)向 websocket 后端发送一个请求，(2)后端接收到请求之后把用户放到匹配池之中，(3)在匹配池匹配到两个用户之后将结果给后端，(4)最后返回结果给用户。在用户点击取消匹配之后，应该移出匹配池。
可以发现以上的过程涉及以下几个问题:
- 前端如何通过
websocket连接发送消息给后端，发送消息的格式是什么，后端又如何返回结果给前端 - 如何区分匹配操作和取消操作
5.2 前端通过 socket 向后端发送消息
前端点击按钮之后通过 socket.send() 向后端发送消息，格式为 JSON 格式，通过设置 event 域来区分匹配和取消操作。
const click_match_btn = () => {
if (match_btn_info.value === "开始匹配") {
match_btn_info.value = "取消";
store.state.pk.socket.send(JSON.stringify({
event: "start-matching",
}));
} else {
match_btn_info.value = "开始匹配";
store.state.pk.socket.send(JSON.stringify({
event: "stop-matching",
}));
}
}
后端在 onMessage() 函数中接收到消息，将前端发送回来的 JSON 格式信息进行解析，根据 event 判断接下来的操作，可以发现通常是把 onMessage 当做路由来使用。
先用内存存储匹配池，后面用到微服务再改，这边用的是线程安全的容器。
这边有个常用的小细节，在判断字符串相等的时候通常是
"str".equals(var)的格式，避免出错。
private static CopyOnWriteArrayList<User> matchpool = new CopyOnWriteArrayList<>();
@OnClose
public void onClose() {
System.out.println("disconnected!");
if (this.user != null) {
users.remove(this.user.getId());
matchpool.remove(this.user);
}
}
private void startMatching() {
System.out.println("Start Matching!");
matchpool.add(this.user);
}
private void stopMatching() {
System.out.println("Stop Matching!");
matchpool.remove(this.user);
}
@OnMessage
public void onMessage(String message, Session session) {
System.out.println("received!");
JSONObject data = JSONObject.parseObject(message);
String event = data.getString("event");
if ("start-matching".equals(event)) {
startMatching();
} else if ("stop-matching".equals(event)) {
stopMatching();
}
}
5.3 后端通过 socket 向前端返回结果
先写一个傻瓜式匹配规则，也不考虑并发等问题，因为后面改成微服务还会改，这边只是调试一下用的。
每当匹配池有两个用户可以匹配则进行匹配，结果返回给前端是先通过之前定义的 users 找到匹配用户的 socket 连接，再通过连接调用 sendMessage 向前端发送消息。
private void startMatching() {
System.out.println("Start Matching!");
matchpool.add(this.user);
while (matchpool.size() >= 2) {
Iterator<User> it = matchpool.iterator();
User a = it.next(), b = it.next();
matchpool.remove(a);
matchpool.remove(b);
JSONObject respA = new JSONObject();
respA.put("event", "match_success");
respA.put("opponent_username", b.getUsername());
respA.put("opponent_photo", b.getPhoto());
users.get(a.getId()).sendMessage(respA.toJSONString());
JSONObject respB = new JSONObject();
respB.put("event", "match_success");
respB.put("opponent_username", a.getUsername());
respB.put("opponent_photo", a.getPhoto());
users.get(b.getId()).sendMessage(respB.toJSONString());
}
}
前端同样地，在 onmessage 中接收后端返回过来的结果。
PkIndexView.vue
socket.onmessage = msg => {
const data = JSON.parse(msg.data);
console.log(data);
if (data.event === "match_success") {
store.commit("UpdateOpponent", {
username: data.opponent_username,
photo: data.opponent_photo,
});
setTimeout(() => {
store.commit("UpdateStatus", "playing");
}, 2000);
}
}
6 解决匹配系统其他问题
6.1 页面切换判断问题
在用户匹配成功后，切换到其他页面应该判定为自动放弃，再回到匹配页面。
onUnmounted(() => {
socket.close();
store.commit("UpdateStatus", "matching");
});
6.2 地图同步问题
当两个用户匹配成功之后，由于地图生成逻辑是放在前端生成的，因此两名玩家的地图是不同的，需要解决这个问题。
解决方法是将地图生成的逻辑放到后端统一生成，在 consumer.utils.Game 实现 Game 类统一管理游戏流程。
地图生成的逻辑在P1.创建菜单与游戏界面中介绍，这边只要翻译成 Java 的就行。
在匹配成功之后，将地图生成并返回给前端:
private void startMatching() {
/* ... */
while (matchpool.size() >= 2) {
Game game = new Game(13, 14, 20);
game.createMap();
JSONObject respA = new JSONObject();
respA.put("gamemap", game.getG());
users.get(a.getId()).sendMessage(respA.toJSONString());
}
}
之后在前端将 gamemap 存到全局变量中，并且使用该变量在 gamemap.js 中渲染出来地图。
7 拓展
7.1 聊天功能
思考一下如果希望添加对话框的聊天功能该如何实现？
聊天功能就是用户A发送消息 content，用户B接收到 content。
在匹配过程中我们已经学习过 websocket 的具体使用方法: (1) 客户端向后端发送消息，(2) 后端向客户端发送消息。
因此可以用户A首先向后端发送消息，event 可以设置为 send_message，再添加 content 域记录发送的消息，后端接收到 message 后根据对手用户B的 id 找到对应的 socket 之后发送给用户B的客户端 message 即可。
