万字详解,带你彻底掌握 WebSocket 用法(至尊典藏版)

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一、  简介

1.1 什么是WebSocket

WebSocket是一种协议,用于在Web应用程序和服务器之间建立实时、双向的通信连接。它通过一个单一的TCP连接提供了持久化连接,这使得Web应用程序可以更加实时地传递数据。WebSocket协议最初由W3C开发,并于2011年成为标准。

1.2 WebSocket的优势和劣势

WebSocket的优势包括:

  • 实时性: 由于WebSocket的持久化连接,它可以实现实时的数据传输,避免了Web应用程序需要不断地发送请求以获取最新数据的情况。
  • 双向通信: WebSocket协议支持双向通信,这意味着服务器可以主动向客户端发送数据,而不需要客户端发送请求。
  • 减少网络负载: 由于WebSocket的持久化连接,它可以减少HTTP请求的数量,从而减少了网络负载。

WebSocket的劣势包括:

  • 需要浏览器和服务器都支持: WebSocket是一种相对新的技术,需要浏览器和服务器都支持。一些旧的浏览器和服务器可能不支持WebSocket。
  • 需要额外的开销: WebSocket需要在服务器上维护长时间的连接,这需要额外的开销,包括内存和CPU。
  • 安全问题: 由于WebSocket允许服务器主动向客户端发送数据,可能会存在安全问题。服务器必须保证只向合法的客户端发送数据。

二、 WebSocket的基本概念

2.1 WebSocket的协议

WebSocket 协议是一种基于TCP的协议,用于在客户端和服务器之间建立持久连接,并且可以在这个连接上实时地交换数据。WebSocket协议有自己的握手协议,用于建立连接,也有自己的数据传输格式。

当客户端发送一个 WebSocket 请求时,服务器将发送一个协议响应以确认请求。在握手期间,客户端和服务器将协商使用的协议版本、支持的子协议、支持的扩展选项等。一旦握手完成,连接将保持打开状态,客户端和服务器就可以在连接上实时地传递数据。

WebSocket 协议使用的是双向数据传输,即客户端和服务器都可以在任意时间向对方发送数据,而不需要等待对方的请求。它支持二进制数据和文本数据,可以自由地在它们之间进行转换。

总之,WebSocket协议是一种可靠的、高效的、双向的、持久的通信协议,它适用于需要实时通信的Web应用程序,如在线游戏、实时聊天等。

2.2 WebSocket的生命周期

WebSocket 生命周期描述了 WebSocket 连接从创建到关闭的过程。一个 WebSocket 连接包含以下四个主要阶段:

  • 连接建立阶段(Connection Establishment): 在这个阶段,客户端和服务器之间的 WebSocket 连接被建立。客户端发送一个 WebSocket 握手请求,服务器响应一个握手响应,然后连接就被建立了。
  • 连接开放阶段(Connection Open): 在这个阶段,WebSocket 连接已经建立并开放,客户端和服务器可以在连接上互相发送数据。
  • 连接关闭阶段(Connection Closing): 在这个阶段,一个 WebSocket 连接即将被关闭。它可以被客户端或服务器发起,通过发送一个关闭帧来关闭连接。
  • 连接关闭完成阶段(Connection Closed): 在这个阶段,WebSocket 连接已经完全关闭。客户端和服务器之间的任何交互都将无效。

需要注意的是,WebSocket 连接在任何时候都可能关闭,例如网络故障、服务器崩溃等情况都可能导致连接关闭。因此,需要及时处理 WebSocket 连接关闭的事件,以确保应用程序的可靠性和稳定性。

下面是一个简单的 WebSocket 生命周期示意图:

万字详解,带你彻底掌握 WebSocket 用法(至尊典藏版)

在这个示意图中,客户端向服务器发送一个 WebSocket 握手请求,服务器响应一个握手响应,连接就被建立了。一旦连接建立,客户端和服务器就可以在连接上互相发送数据,直到其中一方发送一个关闭帧来关闭连接。在关闭帧被接收后,连接就会被关闭,WebSocket 连接关闭完成。

2.3 WebSocket的消息格式

WebSocket 的消息格式与 HTTP 请求和响应的消息格式有所不同。WebSocket 的消息格式可以是文本或二进制数据,并且 WebSocket 消息的传输是在一个已经建立的连接上进行的,因此不需要再进行 HTTP 请求和响应的握手操作。

WebSocket 消息格式由两个部分组成:消息头和消息体。

消息头包含以下信息:

  • FIN: 表示这是一条完整的消息,一般情况下都是1。
  • RSV1、RSV2、RSV3: 暂时没有使用,一般都是0。
  • Opcode: 表示消息的类型,包括文本消息、二进制消息等。
  • Mask: 表示消息是否加密。
  • Payload length: 表示消息体的长度。
  • Masking key: 仅在消息需要加密时出现,用于对消息进行解密。

消息体就是实际传输的数据,可以是文本或二进制数据。

2.4 WebSocket的API

WebSocket API 是用于在 Web 应用程序中创建和管理 WebSocket 连接的接口集合。WebSocket API 由浏览器原生支持,无需使用额外的 JavaScript 库或框架,可以直接在 JavaScript 中使用。

下面是一些常用的 WebSocket API:

WebSocket 构造函数: WebSocket 构造函数用于创建 WebSocket 对象。它接受一个 URL 作为参数,表示要连接的 WebSocket 服务器的地址。例如:

let ws = new WebSocket('ws://example.com/ws');

WebSocket.send() 方法: WebSocket.send() 方法用于向服务器发送数据。它接受一个参数,表示要发送的数据。数据可以是字符串、Blob 对象或 ArrayBuffer 对象。例如:

ws.send('Hello, server!');

WebSocket.onopen 事件: WebSocket.onopen 事件在 WebSocket 连接成功建立时触发。例如:

ws.onopen = function() {
  console.log('WebSocket 连接已经建立。');
};

WebSocket.onmessage 事件: WebSocket.onmessage 事件在接收到服务器发送的消息时触发。它的 event 对象包含一个 data 属性,表示接收到的数据。例如:

ws.onmessage = function(event) {
  console.log('收到服务器消息:', event.data);
};

WebSocket.onerror 事件: WebSocket.onerror 事件在 WebSocket 连接出现错误时触发。例如:

ws.onerror = function(event) {
  console.error('WebSocket 连接出现错误:', event);
};

WebSocket.onclose 事件: WebSocket.onclose 事件在 WebSocket 连接被关闭时触发。例如:

ws.onclose = function() {
  console.log('WebSocket 连接已经关闭。');
};

以上是一些常用的 WebSocket API。

三、 在Java中使用WebSocket

依赖:

<dependency>
    <groupId>javax.websocket</groupId>
    <artifactId>javax.websocket-api</artifactId>
    <version>1.1</version>
</dependency>

3.1 使用Java WebSocket API编写WebSocket服务端

下面是一个使用 Java WebSocket API 编写 WebSocket 服务端的示例代码:

import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
 
@ServerEndpoint("/echo")
public class EchoServer {
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("WebSocket 连接已经建立。");
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) throws IOException {
        System.out.println("收到客户端消息:" + message);
        session.getBasicRemote().sendText("服务器收到消息:" + message);
    }
 
    @OnClose
    public void onClose() {
        System.out.println("WebSocket 连接已经关闭。");
    }
 
    @OnError
    public void onError(Throwable t) {
        System.out.println("WebSocket 连接出现错误:" + t.getMessage());
    }
}

这个示例代码定义了一个名为 “echo” 的 WebSocket 端点,它会监听客户端发来的消息,并将收到的消息返回给客户端。具体来说,它使用了 @ServerEndpoint 注解来指定 WebSocket 端点的 URL,使用了 @OnOpen@OnMessage@OnClose@OnError 注解来定义 WebSocket 事件处理器。

要使用这个 WebSocket 服务端,我们需要部署它到一个支持 WebSocket 的 Web 容器中。例如,我们可以使用 Tomcat 8 或以上版本来运行它。在部署完成后,我们可以使用任何支持 WebSocket 的客户端来连接这个服务端,发送消息并接收服务器的响应。

例如,下面是一个简单的 HTML/JavaScript 客户端代码:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebSocket Demo</title>
    <script>
        var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080/echo');
        ws.onopen = function({
            console.log('WebSocket 连接已经建立。');
            ws.send('Hello, server!');
        };
        ws.onmessage = function(event{
            console.log('收到服务器消息:', event.data);
        };
        ws.onerror = function(event{
            console.error('WebSocket 连接出现错误:', event);
        };
        ws.onclose = function({
            console.log('WebSocket 连接已经关闭。');
        };
    
</script>
</head>
<body>
    <h1>WebSocket Demo</h1>
</body>
</html>

这个客户端使用了 WebSocket 构造函数来创建一个 WebSocket 对象,并指定连接的 URL 为我们之前部署的服务端的 URL。它使用了 WebSocket 的事件处理器来处理 WebSocket 事件,例如当 WebSocket 连接成功建立时,它会向服务器发送一条消息,并在收到服务器的响应时打印出消息内容。

3.2 使用Java WebSocket API编写WebSocket客户端

下面是一个使用 Java WebSocket API 编写 WebSocket 客户端的示例代码:

import javax.websocket.*;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
 
@ClientEndpoint
public class EchoClient {
 
    private Session session;
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("WebSocket 连接已经建立。");
        this.session = session;
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) {
        System.out.println("收到服务器消息:" + message);
    }
 
    @OnClose
    public void onClose() {
        System.out.println("WebSocket 连接已经关闭。");
    }
 
    @OnError
    public void onError(Throwable t) {
        System.out.println("WebSocket 连接出现错误:" + t.getMessage());
    }
 
    public void connect(String url) throws Exception {
        WebSocketContainer container = ContainerProvider.getWebSocketContainer();
        container.connectToServer(thisnew URI(url));
    }
 
    public void send(String message) throws IOException {
        session.getBasicRemote().sendText(message);
    }
 
    public void close() throws IOException {
        session.close();
    }
}

3.3 使用Spring Boot编写WebSocket服务端

创建Spring Boot项目

首先,您需要创建一个新的Spring Boot项目。可以使用Spring Initializr创建一个新项目,添加依赖项。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
</dependency>

配置WebSocket

应用程序中,需要配置WebSocket。创建一个新的Java类,并添加注释@ServerEndpoint("/websocket")。这将指定WebSocket服务端的端点。

在此类中,需要实现几个方法:

import javax.websocket.OnClose;
import javax.websocket.OnMessage;
import javax.websocket.OnOpen;
import javax.websocket.Session;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
 
@ServerEndpoint("/websocket")
public class WebSocketServer {
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("Connection opened: " + session.getId());
        sessions.add(session);
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(Session session, String message) throws IOException {
        System.out.println("Received message: " + message);
        session.getBasicRemote().sendText("Server received: " + message);
    }
 
    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        System.out.println("Connection closed: " + session.getId());
        sessions.remove(session);
    }
 
    private static final Set<Session> sessions = Collections.synchronizedSet(new HashSet<Session>());
}

处理WebSocket消息

@OnMessage方法中,可以处理WebSocket客户端发送的消息,并向客户端发送响应。下面是一个简单的示例代码:

@OnMessage
public void onMessage(Session session, String message) throws IOException {
    System.out.println("Received message: " + message);
    session.getBasicRemote().sendText("Server received: " + message);
}

在此代码中,我们简单地打印出收到的消息,并向客户端发送响应。

关闭WebSocket连接

@OnClose方法中,可以删除连接并做一些清理工作。下面是一个示例代码:

@OnClose
public void onClose(Session session) {
    System.out.println("Connection closed: " + session.getId());
    sessions.remove(session);
}

在此代码中,我们从连接池中删除连接,并打印出连接已关闭的消息。

配置WebSocket支持

最后,需要配置Spring Boot以支持WebSocket。创建一个新的Java类,并添加注释@Configuration@EnableWebSocket。然后,需要覆盖方法registerWebSocketHandlers(),并指定WebSocket处理程序。下面是一个示例代码:

import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.EnableWebSocket;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketConfigurer;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketHandlerRegistry;
 
@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {
    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
        registry.addHandler(new WebSocketServer(), "/websocket").setAllowedOrigins("*");
    }
}

在此代码中,我们创建了一个新的WebSocketServer对象,并将其添加到WebSocket处理程序中。我们还指定了WebSocket端点(/websocket)和允许的来源(*)。

四、 WebSocket的消息格式

4.1 文本消息和二进制消息

文本消息是普通的Unicode文本字符串。当WebSocket连接建立时,客户端和服务器可以通过发送文本消息来互相交换信息。服务器可以使用Session对象的getBasicRemote()方法来向客户端发送文本消息,客户端可以使用WebSocket的send()方法来向服务器发送文本消息。

下面是向客户端发送文本消息的示例代码:

session.getBasicRemote().sendText("Hello, client!");

二进制消息可以是任意类型的数据,包括图像、音频、视频等。要向客户端发送二进制消息,服务器可以使用Session对象的getBasicRemote()方法,将消息作为ByteBuffer对象发送。客户端可以使用WebSocket的send()方法来向服务器发送二进制消息。

下面是向客户端发送二进制消息的示例代码:

byte[] data = // binary data
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data);
session.getBasicRemote().sendBinary(buffer);

请注意,尽管文本消息和二进制消息在格式上有所不同,但它们都是通过WebSocket发送的消息类型,因此客户端和服务器都需要能够处理这两种类型的消息。

4.2 Ping和Pong消息

WebSocket还支持Ping和Pong消息类型,用于检测WebSocket连接是否仍然处于活动状态。Ping消息由客户端发送到服务器,Pong消息由服务器发送回客户端作为响应。如果客户端在一段时间内没有收到Pong消息,则它可以假定WebSocket连接已断开,并关闭连接。

要发送Ping消息,请使用Session对象的getBasicRemote()方法,并将Ping消息作为ByteBuffer对象发送。客户端可以使用WebSocket的sendPing()方法来向服务器发送Ping消息。

下面是向客户端发送Ping消息的示例代码:

ByteBuffer pingMessage = ByteBuffer.wrap(new byte[] { 8910 });
session.getBasicRemote().sendPing(pingMessage);

要接收Pong消息,请在您的WebSocket处理程序中实现onPong()方法。当您的WebSocket服务器接收到Pong消息时,它将自动调用此方法,并将接收到的Pong消息作为ByteBuffer对象传递给它。

下面是实现onPong()方法的示例代码:

@OnMessage
public void onPong(Session session, ByteBuffer pongMessage) {
    System.out.println("Received Pong message: " + pongMessage);
}

请注意,Ping和Pong消息通常用于WebSocket连接的健康检查。如果您希望在WebSocket连接中使用此功能,则应定期发送Ping消息并等待Pong消息的响应。

4.3 关闭消息

WebSocket还支持关闭消息类型,用于关闭WebSocket连接。关闭消息可以由客户端或服务器发起,并且可以携带一个可选的状态码和关闭原因。当WebSocket连接关闭时,客户端和服务器都应该发送一个关闭消息以结束连接。

要发送关闭消息,请使用Session对象的getBasicRemote()方法,并调用它的sendClose()方法。关闭消息可以携带一个可选的状态码和关闭原因。如果您不希望发送状态码或关闭原因,则可以将它们设置为0和null。

下面是向客户端发送关闭消息的示例代码:

session.close(new CloseReason(CloseReason.CloseCodes.NORMAL_CLOSURE, "Closing from client."));

要处理接收到的关闭消息,请在您的WebSocket处理程序中实现onClose()方法。当您的WebSocket服务器接收到关闭消息时,它将自动调用此方法,并将接收到的状态码和关闭原因传递给它。

下面是实现onClose()方法的示例代码:

@OnClose
public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
    System.out.println("Connection closed: " + closeReason.getCloseCode() + " - " + closeReason.getReasonPhrase());
}

请注意,客户端和服务器都应该发送关闭消息以结束WebSocket连接。如果只有一方发送了关闭消息,则另一方可能无法正确地关闭连接,并且可能需要等待超时才能释放资源。建议客户端和服务器在关闭连接时都发送关闭消息,以确保连接正确地关闭。

五、 WebSocket的性能

5.1 与传统的HTTP请求/响应模型比较

  • 双向通信性能更好: WebSocket协议使用单一的TCP连接,允许客户端和服务器在同一个连接上进行双向通信。这种实时的双向通信可以更快地传输数据,而不需要建立多个HTTP请求/响应连接。
  • 更小的网络流量: 与HTTP相比,WebSocket协议需要更少的网络流量来维护连接,因为它不需要在每个请求/响应交换中发送头部信息。
  • 更低的延迟: WebSocket协议允许服务器主动向客户端推送消息,而不需要客户端先发送请求。这种实时通信可以减少响应延迟,并提高应用程序的性能。
  • 更好的服务器资源管理: 由于WebSocket连接可以保持活动状态,服务器可以更好地管理客户端连接,减少服务器开销和处理时间。

WebSocket协议的性能比传统的HTTP请求/响应模型更好,特别是在实时通信和低延迟方面。WebSocket协议适用于需要实时通信和实时数据更新的应用程序,如在线聊天、多人游戏、实时监控等。

5.2 优化WebSocket的性能

  • 减少消息大小: WebSocket 传输的数据大小对性能有很大影响。尽量减少消息的大小,可以降低网络带宽和服务器负载。例如,可以使用二进制传输协议来代替文本传输,或使用压缩算法对消息进行压缩。
  • 使用CDN加速: 使用 CDN(内容分发网络)可以将静态资源缓存到离用户更近的节点上,提高传输速度和性能。CDN 可以缓存 Websocket 的初始握手请求,避免不必要的网络延迟。
  • 使用负载均衡: WebSocket 服务可以使用负载均衡来分配并平衡多个服务器的负载。负载均衡可以避免单个服务器被过载,并提高整个服务的可伸缩性。
  • 优化服务端代码: WebSocket 服务端代码的性能也是关键因素。使用高效的框架和算法,避免使用过多的内存和 CPU 资源,可以提高服务端的性能和响应速度。
  • 避免网络阻塞: WebSocket 的性能也会受到网络阻塞的影响。当有太多的连接同时请求数据时,服务器的性能会下降。使用合适的线程池和异步 IO 操作可以避免网络阻塞,提高 WebSocket 服务的并发性能。

六、 WebSocket的扩展应用和未来发展方向

  • 更加完善的标准规范: WebSocket 标准规范还有很多可以优化的地方,未来可能会继续完善 WebSocket 的标准规范,以适应更加复杂的应用场景。
  • 更加安全的通信方式: 由于 WebSocket 的开放性,使得它可能会受到一些安全威胁,未来可能会通过加密、身份验证等方式来增强 WebSocket 的安全性。
  • 更好的兼容性: WebSocket 协议需要在 HTTP 协议的基础上建立连接,因此可能会遇到兼容性问题,未来可能会通过技术手段来解决这些问题。
  • 更好的性能和可伸缩性: WebSocket 协议的性能和可伸缩性对于复杂的应用场景非常关键,未来可能会通过技术手段来进一步提高 WebSocket 的性能和可伸缩性。
来源:blog.csdn.net/bairo007/article/details/131779053
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