基于UDP的可用于公网的多线程设计的多人聊天室

一转眼大四上学期也快过去了，最近也在巩固多线程的基础知识。
我的感觉是，多线程和并发编程既需要不断的去接触和思考，不断的去深入挖掘，也需要项目实战的经验积累。
之前在学习Java基础时写过一个简单的单线程局域网的UDP聊天室，现在结合多线程知识，设计一个复杂一点的利用多线程的聊天室。
在设计过程中，也更进一步学习了NAT和路由打洞的一些知识。

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使用时注意修改conf下的chatroom.properties，服务器端在命令行模式下运行，客户端可直接打开运行。

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知识难点

Java编程：

1、线程的唤醒和等待可以使用三种方式：
1）Object自带的wait/notify
2）JUC的Condition中的await/signal
3）while循环中使用Thread.sleep和if判断

2、多线程中保证并发访问的三种方式：
1）Java的关键字synchronized
2）JUC的ReentrantLock
3）CAS无锁算法

3、多线程并发访问下可使用的集合类：
1）ConcurrentHashMap
2）ConcurrentLinkedQueue
3）LinkedBlockingQueue

4、多线程并发访问下的一个特殊关键字：volatile

5、生产者和消费者的模型

计算机网络与通信：

1、心跳机制的实现和意义
2、路由的消息转发和寻路、NAT、打洞
3、心跳机制和路由打洞的联系
4、UDP通信和UDP编程

架构设计

具体的UML类图和时序图、流程图就不画了，需要费很大功夫。

客户端：
png

服务器：
png

其中客户端和服务器都还有一个Register，所需的Service等都注册于其中，方便管理和控制。

客户端和服务器之间的通信所有的数据是存储在Msg中。
发送数据时，Msg会转成Json字符串，进而转成byte数据；
接受数据时，会将byte数据转成Json字符串，进而转成Msg对象。
其中Msg存储的data数据可以是各种类型。

Msg中成员变量有：

Msg.Type即消息类型总共有一下几种：

客户端和服务器的Service的handle方法会根据Msg具体的Type类型进行相应的处理。

测试截图

阿里云公网服务器工作截图：

客户端截图（每个客户端都在不同的主机和不同的网路环境下）：

具体的测试环境：移动4G网，电信4G网，校园宽带网

客户端可以在同一台电脑上运行多个实例，另外即使电脑的网络环境发生变化（比如切换到不同的网络）也能做到不掉线。

这个聊天DEMO没有确保UDP消息一定能做到可靠，没有遗漏，只是为了学习多线程和计算机网络与通信。

总结感悟

自己虽然是通信专业，但是在编程过程中才发现自己的理论的学习只是浮于表面，比如路由的转发，只是学到了一些文字上的IP的替换，路由的寻路方法。在这个知识背景下，开始的做法就是，当客户端发送消息给服务器时，服务器收到了消息，然后根据存储的客户端的IP和Port转发给客户端，却发现在跨网段情况下客户端并不能接收到数据包，局域网下是可以的。路由从内而外很容易，但是由外而内却不能直接访问。这就涉及到了打洞知识，而后也就能顺利的解决了问题，实现了公网下的聊天。心跳机制一方面是为了告诉服务器当前客户端是在线的，另一方面也是为了路由的打洞，及时的更新服务器中存储客户端NAT后的不断变化的IP和Port，便于服务器使用这个新的IP和Port和客户端进行通信。

自己在做一些小项目时，其中最大的感受就是（也是一种软件开发的模式），一定要先想好大致的框架和流程，画好草图，想好模块的大致和软件的分层，然后在具体的实施过程对每一个模块进行细致的设计，这样开发出的软件结构优美，秩序井然，且易于修改和增减功能。

当和实验室的伙伴一起测试可以在公网下进行聊天的服务器时，心里的那个激动，爽哈!