WebSocket的高性能实现(Go and Netty)
WebSocket是HTML5开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。在WebSocket API中,浏览器和服务器只需要做一个握手的动作,然后,浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求,连接建立以后,客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。当你获取 Web Socket 连接后,你可以通过 send() 方法来向服务器发送数据,并通过 onmessage 事件来接收服务器返回的数据。
WebSocket的优点
- 节省通信开销(HttpRequest中的head很长,占用带宽和资源)
- 服务器可以主动传送数据给客户端
- 实时通信
因为HTTP 协议是一种无状态的、无连接的、单向的应用层协议。它采用了请求/响应模型。通信请求只能由客户端发起,服务端对请求做出应答处理。这种通信模型有一个弊端:HTTP 协议无法实现服务器主动向客户端发起消息。如果服务器有连续的状态变化,客户端要获知就非常麻烦。大多数 Web 应用程序将通过频繁的异步JavaScript和XML(AJAX)请求实现长轮询。轮询的效率低,非常浪费资源(因为必须不停连接,或者 HTTP 连接始终打开)。
WebSocket的生命周期
WebSocket端点生命周期的第一个事件是打开通知,它用来指示到WebSocket会话另一端的连接已经建立。一旦打开通知被WebSocket对话的两端都接收到,参与的任意WebSocket后续就可以发送消息了。在WebSocket对话期间,可能会出现一些消息传递的错误。接受消息的WebSocket端点本身就可能产生错误,或者WebSocket实现本身在某些情况下也会产生错误。要注意对错误的处理。不管在WebSocket对话的哪一端准备结束对话,他都可以初始化关闭事件。下面从Java组件的视角来看看其生命周期如何呈现。
- 打开事件:@OnOpen 此事件发生在端点上建立新连接时并且在任何其他事件发生之前
- 消息事件:@OnMessage 此事件接收WebSocket对话中另一端发送的消息。
- 错误事件:@OnError 此事件在WebSocket连接或者端点发生错误时产生
- 关闭事件:@OnClose 此事件表示WebSocket端点的连接目前部分地关闭,它可以由参与连接的任意一个端点发出
WebSocket的使用场景
- 社交聊天:最著名的就是微信,QQ,这一类社交聊天的app。这一类聊天app的特点是低延迟,高即时。
- 弹幕:说到这里,大家一定里面想到了A站和B站了。确实,他们的弹幕一直是一种特色。而且弹幕对于一个视频来说,很可能弹幕才是精华。发弹幕需要实时显示,也需要和聊天一样,需要即时。
- 多玩家游戏
- 协同编辑:现在很多开源项目都是分散在世界各地的开发者一起协同开发,此时就会用到版本控制系统,比如Git,SVN去合并冲突。但是如果有一份文档,支持多人实时在线协同编辑,那么此时就会用到比如WebSocket了,它可以保证各个编辑者都在编辑同一个文档,此时不需要用到Git,SVN这些版本控制,因为在协同编辑界面就会实时看到对方编辑了什么,谁在修改哪些段落和文字。
- 股票基金实时报价:金融界瞬息万变——几乎是每毫秒都在变化。如果采用的网络架构无法满足实时性,那么就会给客户带来巨大的损失。几毫秒钱股票开始大跌,几秒以后才刷新数据,一秒钟的时间内,很可能用户就已经损失巨大财产了。
- 体育实况更新:全世界的球迷,体育爱好者特别多,当然大家在关心自己喜欢的体育活动的时候,比赛实时的赛况是他们最最关心的事情。这类新闻中最好的体验就是利用Websocket达到实时的更新!
- 视频会议/聊天:视频会议并不能代替和真人相见,但是他能让分布在全球天涯海角的人聚在电脑前一起开会。既能节省大家聚在一起路上花费的时间,讨论聚会地点的纠结,还能随时随地,只要有网络就可以开会。
- 基于位置的应用:越来越多的开发者借用移动设备的GPS功能来实现他们基于位置的网络应用。如果你一直记录用户的位置(比如运行应用来记录运动轨迹),你可以收集到更加细致化的数据。
- 在线教育:在线教育近几年也发展迅速。优点很多,免去了场地的限制,能让名师的资源合理的分配给全国各地想要学习知识的同学手上,Websocket是个不错的选择,可以视频聊天、即时聊天以及其与别人合作一起在网上讨论问题…
- 其它应用场景
WebSocket的高性能实现
我们想实现基于长连接的http来支持高并发,高性能的WebSocket应用,本身就有些鱼与熊掌皆想兼得的的意思。这里分别使用Netty(基于Java的NIO实现)和Go语言(天然支持高并发)提供两种简单的思路实现。
一、基于Go实现的聊天室(WebSocket)(复用beego框架)
参见Github: https://github.com/golang/net/tree/master/websocket
代码详细说明了用Go语言实现了WebSocket协议的客户端与服务端。
二、Netty实现WebSocket
import io.netty.channel.group.ChannelGroup;
import io.netty.channel.group.DefaultChannelGroup;
import io.netty.util.concurrent.GlobalEventExecutor;
/**
* 存储整个工程的全局配置
*/
public class NettyConfig {
//存储每一个客户端接入进来时的channel对象
public static ChannelGroup group = new DefaultChannelGroup(GlobalEventExecutor.INSTANCE);
}
import java.util.Date;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus;
import io.netty.handler.codec.http.HttpVersion;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.CloseWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.PingWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.PongWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerHandshaker;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerHandshakerFactory;
import io.netty.util.CharsetUtil;
/**
* 接收/处理/响应客户端websocket请求的核心业务处理类
*/
public class MyWebSocketHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
private WebSocketServerHandshaker handshaker;
private static final String WEB_SOCKET_URL = "ws://localhost:8888/websocket";
//客户端与服务端创建连接的时候调用
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
NettyConfig.group.add(ctx.channel());
System.out.println("客户端与服务端连接开启...");
}
//客户端与服务端断开连接的时候调用
@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
NettyConfig.group.remove(ctx.channel());
System.out.println("客户端与服务端连接关闭...");
}
//服务端接收客户端发送过来的数据结束之后调用
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.flush();
}
//工程出现异常的时候调用
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
//服务端处理客户端websocket请求的核心方法
@Override
protected void messageReceived(ChannelHandlerContext context, Object msg) throws Exception {
//处理客户端向服务端发起http握手请求的业务
if (msg instanceof FullHttpRequest) {
handHttpRequest(context, (FullHttpRequest)msg);
}else if (msg instanceof WebSocketFrame) { //处理websocket连接业务
handWebsocketFrame(context, (WebSocketFrame)msg);
}
}
// 处理客户端与服务端之前的websocket业务
private void handWebsocketFrame(ChannelHandlerContext ctx, WebSocketFrame frame){
//判断是否是关闭websocket的指令
if (frame instanceof CloseWebSocketFrame) {
handshaker.close(ctx.channel(), (CloseWebSocketFrame)frame.retain());
}
//判断是否是ping消息
if (frame instanceof PingWebSocketFrame) {
ctx.channel().write(new PongWebSocketFrame(frame.content().retain()));
return;
}
//判断是否是二进制消息,如果是二进制消息,抛出异常
if( ! (frame instanceof TextWebSocketFrame) ){
System.out.println("目前我们不支持二进制消息");
throw new RuntimeException("【"+this.getClass().getName()+"】不支持消息");
}
//返回应答消息
//获取客户端向服务端发送的消息
String request = ((TextWebSocketFrame) frame).text();
System.out.println("服务端收到客户端的消息====>>>" + request);
TextWebSocketFrame tws = new TextWebSocketFrame(new Date().toString() + ctx.channel().id() + " ===>>> " + request);
//服务端向每个连接上来的客户端群发消息
NettyConfig.group.writeAndFlush(tws);
}
// 处理客户端向服务端发起http握手请求的业务
private void handHttpRequest(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest req){
if (!req.getDecoderResult().isSuccess()
|| ! ("websocket".equals(req.headers().get("Upgrade")))) {
sendHttpResponse(ctx, req,
new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.BAD_REQUEST));
return;
}
WebSocketServerHandshakerFactory wsFactory = new WebSocketServerHandshakerFactory(
WEB_SOCKET_URL, null, false);
handshaker = wsFactory.newHandshaker(req);
if (handshaker == null) {
WebSocketServerHandshakerFactory.sendUnsupportedWebSocketVersionResponse(ctx.channel());
}else{
handshaker.handshake(ctx.channel(), req);
}
}
// 服务端向客户端响应消息
private void sendHttpResponse(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest req,
DefaultFullHttpResponse res){
if (res.getStatus().code() != 200) {
ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer(res.getStatus().toString(), CharsetUtil.UTF_8);
res.content().writeBytes(buf);
buf.release();
}
//服务端向客户端发送数据
ChannelFuture f = ctx.channel().writeAndFlush(res);
if (res.getStatus().code() != 200) {
f.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
}
}
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;
/**
* 初始化连接时候的各个组件
*/
public class MyWebSocketChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel e) throws Exception {
e.pipeline().addLast("http-codec", new HttpServerCodec());
e.pipeline().addLast("aggregator", new HttpObjectAggregator(65536));
e.pipeline().addLast("http-chunked", new ChunkedWriteHandler());
e.pipeline().addLast("handler", new MyWebSocketHandler());
}
}
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
/**
* 程序的入口,负责启动应用
*/
public class Main {
public static void main(String[] args) {
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workGroup);
b.channel(NioServerSocketChannel.class);
b.childHandler(new MyWebSocketChannelHandler());
System.out.println("服务端开启等待客户端连接....");
Channel ch = b.bind(8888).sync().channel();
ch.closeFuture().sync();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally{
//优雅的退出程序
bossGroup.shutdownGracefully();
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
<html>
<head>
<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset = utf-8"/>
<title>WebSocket客户端</title>
<script type="text/javascript">
var socket;
if(!window.WebSocket){
window.WebSocket = window.MozWebSocket;
}
if(window.WebSocket){
socket = new WebSocket("ws://localhost:8888/websocket");
socket.onmessage = function(event){
var ta = document.getElementById('responseContent');
ta.value += event.data + "\r\n";
};
socket.onopen = function(event){
var ta = document.getElementById('responseContent');
ta.value = "你当前的浏览器支持WebSocket,请进行后续操作\r\n";
};
socket.onclose = function(event){
var ta = document.getElementById('responseContent');
ta.value = "";
ta.value = "WebSocket连接已经关闭\r\n";
};
}else{
alert("您的浏览器不支持WebSocket");
}
function send(message){
if(!window.WebSocket){
return;
}
if(socket.readyState == WebSocket.OPEN){
socket.send(message);
}else{
alert("WebSocket连接没有建立成功!!");
}
}
</script>
</head>
<body>
<form onSubmit="return false;">
<input type = "text" name = "message" value = ""/>
<br/><br/>
<input type = "button" value = "发送WebSocket请求消息" onClick = "send(this.form.message.value)"/>
<hr color="red"/>
<h2>客户端接收到服务端返回的应答消息</h2>
<textarea id = "responseContent" style = "width:1024px; height:300px"></textarea>
</form>
</body>
</html>
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