如何设计一个IM单聊架构
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单聊 一. 功能点拆分 二. 数据结构 三. 架构层级拆分 四. 推拉模式选择 五. 消息流转 小结
单聊
在众多的软件中，聊天功能是不可或缺的一个功能模块，或是用户和用户，或是用户和客服，都需要一个能够即时沟通的功能。
那么一个IM（InstantMessaging）的1对1聊天系统架构和存储应该如何设计呢。
下面来一步步的分析规划。
一. 功能点拆分
首先来看一个IM软件模块包括哪些基本功能
会话列表（需要按照最后一条消息时间的倒序，将会话进行排列） 聊天内容页（单聊双方的消息按时间顺序依次排列） 未读消息计数（发送了但是没有读取的对话，需要在头像旁显示未读数字） 用户头像，昵称（对话的用户资料）
根据上述功能点拆分后，可以确定下来需要哪些数据存储
会话列表 聊天的消息记录 离线消息列表 未读消息数据数量 用户资料
二. 数据结构
实际进行下面几种数据结构存储时，可使用适合自己的场景的组件，例如公司自研的，或熟悉并满足场景要求的。
以下我拿redis或mysql来举例子，提供一个思路，实际生产环境还需要具体设计和选型
1. 会话列表
首先，需要为每一个会话创建一个会话Id进行标识。
再来看，会话列表的特性是新来消息的会话需要排在列表的上面，那么就可以使用一个有序集合SortedSet来存储。
结构如下：
key: prefix_xxx:{uid} value: {会话Id} score: {msgId}
key使用当前用户的uid来标识，集合中的每个item则是会话的Id，item的score为会话的最后一条消息的Id，这样根据score自动形成一个有序集合后，就能够满足我们的应用场景了。
2. 单聊消息列表
场景：聊天的消息列表，是一个按照时间顺序来排列的消息记录，并且需要可以根据offset来进行数据拉取。
同样可以使用redis的有序集合SortedSet来存储会话的消息列表，通过scan拉取消息
key: prefix_session_list:{sessionId} value: {msgId} score: {msgId}
也可以创建一个Mysql数据表来持久化存储消息记录
create table t_msg_record_list (
`id` bigint not null primary key,
`sessionId` bigint not null comment '会话Id',
`msgId` bigint not null comment '消息Id',
`isRead` tinyint not null default 0 commment '已读状态',
`recordStatus` smallint not null default 0 commment '消息状态',
`createTime` datetime not null,
key `sessionId` (`sessionId`)
)engine=innodb;
根据会话Id分页查询时，就可以这样查询出所有msgId，再根据msgId去拉取msg的详情，组合成列表返回给客户端
SELECT msgId FROM t_msg_record_list WHERE sessionId = 1 AND recordStatus = 0 AND msgId > 1 ORDER BY id desc LIMIT 10;
3. 离线消息
离线消息可以分为「索引」和「消息id列表」两部分
离线消息索引需要记录的是，哪些用户给当前用户发送了离线消息，所以我们可以使用redis的集合Set来记录这些信息
key: prefix_xxx:{uid} value: {senderUid}
通过scan离线消息索引拿到了sendUid，再去拿这个会话的具体的离线消息id列表
然后，消息id列表使用redis的一个list链表来存储
key:prefix_offline_msg:{uid}:{senderUid} value:{msgId}
拿到所有msgId以后，去获取msg的实体详情填充即可
4. 未读计数
未读计数= 收到消息总数 - 已读数量
所以我们要存储两个已知数据便于计算出未读数量，即消息总数量和已读数量
由于对话存在双方发消息，所以分别维护对话双方的两个数据项，方便计算各自的未读数
接受消息总数量
key: prefix_session_count:{会话Id}:{uid} value: 总数量
已读数量
key: prefix_session_read_count:{会话Id}:{uid} value: 已读数量
5. 用户资料
使用mysql按需设计即可，变更保存后将数据同步到redis中使用
三. 架构层级拆分
如图所示，我们可以将架构大致分为五层，具体说明如下
1. 客户端层
我们IM服务的client肯定是有多个，web/app等，需要封装多种SDK隐藏底层细节，便于接入方接入。
2. 连接层
即时通讯需要客户端和服务端之间建立一个长链接，一方面维护用户的在线状态，另一方面便于复用连接进行消息的收发。
而维护连接这个动作，它的独立性很强，不需要与业务逻辑耦合，所以我们把链接层单独拆分出来一个。
这样在业务逻辑迭代上线时，业务层进行滚动上线也不会导致用户的链接断开。
连接协议
至于连接协议的选择，有如下几种方式
基于tcp链接，自定义传输协议（开发成本高，需要有一定条件） websocket http chunk （不建议使用，http工作在7层上，且只能服务端单向的向客户端传输数据，心跳连接不好维护）
这里推荐优先使用四层的协议来进行长链接的维护。
因为长链接集群的前方要做负载均衡，使用七层的协议，客户端要先和负载均衡机器建立链接，然后负载均衡机器再和业务层集群交互。
这样在连接数很大的时候，负载均衡的机器容易成为瓶颈。四层的负载均衡可以直接通过修改目标机器ip prot的方式来进行转发，不需要client和负载均衡机器建链接
3. 业务层
业务层可以分为「长链接业务层 」和「短链接业务层 」
具体两者的功能拆分，可根据业务实际情况设计
长链接业务层: 负责会话相关的业务逻辑，比如收发消息/拉取会话列表/未读计数push等业务 短链接业务层: 负责一些临时接口请求，比如用户资料拉取/资料变更等类似业务
两种业务层都通过调用服务层来进行数据读取和写入等擦欧总
4. 服务层
这层属于微服务，来为上层业务层提供基础服务能力，例如敏感消息过滤/会话列表数据读写/消息的落地和发送等功能。
5. 数据层
为上层的服务层来提供数据的实际落地写入，可以使用mysql，redis或其他sql/nosql数据库。
四. 推拉模式选择
那么在消息的发送上，我们应该选用推模式，还是拉模式，抑或是推拉结合呢？
1. 纯推模式
首先，我们假设使用纯推模式 ，来看会存在什么样的问题
场景1: 新设备登陆初始化
用户新登陆一台设备的时候，如果消息记录全都是空的，体验会很不好。
那么就需要服务端推送全量 的消息记录到客户端，历史消息量大的时候，非常浪费服务端资源和带宽。
场景2: 设备间切换
tips：设备A和B都非第一次登陆
如图所示，流程如下
用户1在设备A上登陆，收到了用户2的消息1和2，push到了设备A上。 用户1退出了设备A，用户2又给他发送了消息3和4 用户1登陆了设备B，服务端push消息3和4到了设备B
但是此时，设备B缺少了消息1和2，用户再登陆回设备A的话又缺少了消息3和4，这也就产生了「消息空洞 」
2. 纯拉模式
然后，我们假设使用纯拉模式 ，来看会存在哪些问题
场景1: 收新消息
纯拉模式下，客户端需要和服务端进行一个长轮询，来定时检查是否存在新消息，并进行消息拉取。
这样轮询的时间间隔需要很难确定合适，间隔大了消息不实时，间隔小了无疑对服务器会产生很大的压力，无法支撑大量的在线用户进行聊天。
总结
由于推拉模式分别适用于业务中的不同场景需要，所以我们要使用推拉结合的方式来做。
拉模式适合的场景如下：
设备初始化时：先拉取会话列表，在根据会话的列表来为每个会话拉取一定的消息记录。可以通过控制拉取的数据量，减轻服务端压力。 历史聊天记录：按需拉取一定条数的记录，用户向上翻取记录再拉取固定条数的记录，直到翻到没有记录（就是翻页）。
推模式适合的场景如下：
用户实时接收消息 用户在线，有未读消息做通知栏push时
五. 消息流转
上面确定好推拉模式后，我们来看发消息和收消息都有哪些业务逻辑执行。
发消息
如上图所示，大致可分为三步
1. 消息过滤
首先用户的消息通过客户端的SDK发送出来，通过长链接到达了「逻辑层」，逻辑层接收到该请求后，可以根据定义的拦截过滤规则调用「服务层」的服务接口，来对消息进行处理；
2. 消息补充
处理通过后，来对消息的发送方资料进行填充，简单来说就是senderId标识，接收方接收消息时能够填充到对应的会话中。
3. 派发任务
消息实体处理完成后，将该消息push到「服务层」的「异步任务队列」服务中。
异步队列任务 主要需要做以下四个方面的操作
更新存储端的「聊天记录」 更新会话的「消息总数量」，用来计算未读计数 根据接收方的在线状态来判断，是直接进行push，还是存入到离线列表中，等待用户上线后再进行消息拉取 更新「会话列表」的score值
具体异步队列还可以细化拆分，例如
实时任务队列 延时任务队列 失败重试队列 分别启动不同的线程池来消费任务，按需分配线程数处理
收消息
收消息主要有以下几个场景需要处理
客户端需要将消息append到聊天列表中，并在会话列表中将该会话增加未读消息标识。 如果接收方打开了开聊天窗口，客户端会发送一个消息的ACK给服务端，来标记该消息已读。 服务端收到已读ACK后需要更新「已读计数」相关数据项 如果是拉取离线消息，服务端还需要更新「离线消息」相关数据项
小结
本文从五个方面来对单聊的IM架构进行了设计分析
业务功能拆分 数据结构设计 系统结构设计 推拉模式选择 消息流转分析 讲了基础的结构有哪些，数据结构有哪些要求，以及消息流传的过程是什么样的。
对im单聊场景的开发框架有了大体的一个认识，但是实际落地的时候还有很多细节需要去实现。
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