WebSocket的原理、作用、API、常见注解和生命周期的简单介绍，附带SpringBoot示例

文章目录

- 原理
- 作用
- 客户端 API
- 服务端 API
- 生命周期
- 常见注解
- SpringBoot示例

WebSocket是一种 通信协议 ，它在 客户端和服务器之间建立了一个双向通信的网络连接 。WebSocket是一种基于TCP连接上进行 全双工通信 的 协议 。

WebSocket允许客户端和服务器在 单个TCP连接上 进行 实时 双向通信，而不是传统的 请求-响应模型 。WebSocket协议允许 任意多的数据包 在 任意方向上 发送，因此可以实现 实时的 、 双向的 、 交互式的 数据传输。

原理

下图是使用轮询或WebSocket两种方式向服务器发起请求的简易流程。
轮询和WebSocket

上图的左边图是 轮询 的方式进行获取信息，可以看出在 一定时间间隔 的情况下客户端向服务端发起请求，如果有数据则返回数据，没有数据则返回空数据。

右边图则是使用WebSocket方式，在 一次握手 之后，两者就可以 创建持久性的连接 ，如果服务端有数据的话，就可以实时返回数据。

下图是使用WebSocket的方式向服务器发起请求的详细流程。
WebSocket的原理图
该图解释了WebSocket连接原理。下面是上图的HTTP协议中的请求和响应数据。

请求数据：

GET ws://localhost/chat HTTP/1.1
Host: localhost
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate

响应数据：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate

作用

实时数据传输：WebSocket允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要 完成一次握手 ，两者之间就可以直接创建 持久性的连接 ，并进行 双向数据传输 。
实时通知：WebSocket可以保持一个 长连接，当服务器端有新的消息时，能够实时地推送到客户端。这使得诸如知乎的点赞通知、评论等实时交互功能得以实现，从而提供更好的用户体验。
数据收集：一些 次优级别的数据 ，如行为日志、trace、异常执行栈收集等，可以通过WebSocket通道进行传输。这增加了信息的集中度，并能及时针对用户的行为进行合适的配置推送。

WebSocket通常用于 实时Web应用程序 ，如聊天室、游戏、股票价格跟踪等，这些应用需要 实时交互 和 数据更新 。

但是在实际使用中仍需注意其安全性。例如，某些工具（如Fiddler、Charles等）能够 捕获WebSocket包 ，但这并不意味着WebSocket本身不安全。在使用WebSocket时，应确保采取适当的安全措施，如加密和认证，以保护数据的传输和存储。

全双工和半双工是什么？

全双工（Full Duplex）和半双工（Half Duplex）是 通讯传输 中的两种不同模式，主要区别在于 数据在通信线路上的传输方向和方式 。

全双工允许数据在 两个方向上同时传输 ，即通信线路可以同时存在 双向信号传输 。这意味着在发送数据的同时，也能接收数据，两者是同步进行的。这种模式类似于我们平时打电话，说话的同时也能听到对方的声音。全双工方式下，通信系统的每一端都设置了 发送器和接收器 ，因此能控制数据同时在两个方向上传送。
半双工模式允许 数据在一个信号载体的两个方向上传输，但不能同时传输 。虽然数据可以沿两个方向传送，但在同一时刻，一个信道只允许单方向传送。若要改变传输方向，需由开关进行切换。半双工通信也被称为 双向交替通信 ，即发送和接收动作是交替进行的，不能同时进行。例如，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当有两辆车对开时，只能一辆先过，另一辆再开。

全双工和半双工的主要区别在于数据传输的同步性和方向性。全双工能实现数据的瞬时同步双向传输，而半双工则只能实现双向交替传输。

客户端 API

let  ws  =  new WebSocket(URL);  // WebSocket对象创建

格式：协议://ip地址/访问路径
协议：协议名称为 ws

WebSocket对象相关事件：

事件	事件处理程序	描述
open	ws.onopen	连接建立时触发
message	ws.onmessage	客户端接收到服务器发送的数据时触发
close	ws.onclose	连接关闭时触发

WebSocket对象提供的方法：

方法名称	描述
send()	通过websocket对象调用该方法发送数据给服务端

前端客户端使用方式：
websocket

服务端 API

Tomcat的7.0.5 版本开始支持WebSocket，并且实现了Java WebSocket规范。Java WebSocket 应用由一系列的Endpoint 组成。Endpoint 是一个java对象，代表WebSocket链接的一端，对于服务端，我们可以视为处理具体WebSocket 消息的接口。

我们可以通过两种方式定义 Endpoint ：

第一种是编程式，即继承类 javax.websocket.Endpoint 并实现其方法。
第二种是注解式，即定义一个POJO，并添加 @ServerEndpoint 相关注解。

Endpoint实例 在 WebSocket 握手 时创建，并在客户端与服务端链接过程中有效，最后在链接关闭时结束。在 Endpoint接口 中明确定义了与其生命周期相关的方法，规范实现者确保生命周期的各个阶段调用实例的相关方法。

生命周期方法如下：

方法	描述	注解
onOpen()	当开启一个新的会话时调用，该方法是客户端与服务端握手成功后调用的方法	@OnOpen
onClose()	当会话关闭时调用	@OnClose
onError()	当连接过程异常时调用	@OnError

服务端如何接收客户端发送的数据呢？

编程式：通过添加 MessageHandler 消息处理器来接收消息
注解式：在定义 Endpoint 时，通过 @OnMessage 注解指定接收消息的方法

服务端如何推送数据给客户端呢？

发送消息则由 RemoteEndpoint 完成，其实例由 Session 维护。发送消息有2种方式发送消息：

通过 session.getBasicRemote 获取同步消息发送的实例，然后调用其 sendXxx() 方法发送消息。
通过 session.getAsyncRemote 获取异步消息发送实例，然后调用其 sendXxx() 方法发送消息。

服务端使用方式：
在这里插入图片描述

生命周期

该图中右上角应为@OnClose。
在这里插入图片描述

常见注解

在 Java 的 WebSocket API 中，常见的注解包括以下几种：

@ServerEndpoint ：该类级别的注解，用于标记一个类并将其声明为WebSocket服务端点。这意味着此类会被部署为WebSocket服务器并在WebSocket实现的URI空间中可用。
@OnOpen ：用于标识一个方法，当WebSocket连接建立时被调用。这个方法可以包含连接建立时需要执行的逻辑。
@OnClose ：用于标识一个方法，当WebSocket连接关闭时被调用。此方法中可以执行与关闭连接相关的操作或资源释放。
@OnMessage ：用于标识一个方法，在接收到客户端消息时被调用。此方法可以接收不同类型的参数，如String或ByteBuffer，用于处理从客户端接收到的消息。
@OnError ：用于标识一个方法，在WebSocket通信过程中发生错误时被调用。此方法可以用于处理错误情况，如连接失败、消息解析错误等。

此外，还有一些其他的注解可以用于指定WebSocket的配置，例如：

encoders ：编码器属性，用于指定将消息从Java对象转换为WebSocket消息格式的编码器。
decoders ：解码器属性，用于指定将WebSocket消息格式解码为Java对象的解码器。
subprotocols ：子协议属性，用于指定WebSocket连接支持的子协议。
configurator ：配置器属性，用于指定WebSocket端点的配置器，可以对端点进行更高级的配置。

以上列出的是基于 Java WebSocket API 的常见注解。如果使用其他编程语言或框架，注解可能会有所不同。

SpringBoot示例

这是一个简单示例，主要了解在SpringBoot中怎么使用WebSocket。

首先，需要在SpringBoot项目中引入依赖

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

注册WebSocket

@Configuration
public class WebsocketConfig {
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}

用来封装http请求的响应数据

@Data
public class Result {
    private boolean flag;
    private String message;
}

用于接收登录请求的数据

@Data
public class User {

    private String userId;
    private String username;
    private String password;
}

用于封装浏览器发送给服务端的消息数据

@Data
public class Message {
    private String toName;
    private String message;
}

用来封装服务端给浏览器发送的消息数据

@Data
public class ResultMessage {
    private boolean isSystem;
    private String fromName;
    private Object message; //如果是系统消息是数组
}

定义ChatEndpoint 类用于处理WebSocket中数据传输的逻辑，生命周期等功能。

@ServerEndpoint(value = "/chat",configurator = GetHttpSessionConfig.class)
@Component
public class ChatEndpoint {
	// 线程安全
    private static final Map<String,Session> onlineUsers = new ConcurrentHashMap<>();
    private HttpSession httpSession;

    // 建立websocket连接后，被调用
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session, EndpointConfig config) {
        //1，将session进行保存
        this.httpSession = (HttpSession) config.getUserProperties().get(HttpSession.class.getName());
        String user = (String) this.httpSession.getAttribute("user");
        onlineUsers.put(user,session);
        //2，广播消息。需要将登陆的所有的用户推送给所有的用户
        String message = MessageUtils.getMessage(true,null,getFriends());
        broadcastAllUsers(message);
    }

    public Set getFriends() {
        Set<String> set = onlineUsers.keySet();
        return set;
    }

    private void broadcastAllUsers(String message) {
        try {
            //遍历map集合
            Set<Map.Entry<String, Session>> entries = onlineUsers.entrySet();
            for (Map.Entry<String, Session> entry : entries) {
                //获取到所有用户对应的session对象
                Session session = entry.getValue();
                //发送消息
                session.getBasicRemote().sendText(message);
            }
        } catch (Exception e) {
            //记录日志
        }
    }

    // 浏览器发送消息到服务端，该方法被调用
    @OnMessage
    public void onMessage(String message) {
        try {
            //将消息推送给指定的用户
            Message msg = JSON.parseObject(message, Message.class);
            //获取 消息接收方的用户名
            String toName = msg.getToName();
            String mess = msg.getMessage();
            //获取消息接收方用户对象的session对象
            Session session = onlineUsers.get(toName);
            String user = (String) this.httpSession.getAttribute("user");
            String msg1 = MessageUtils.getMessage(false, user, mess);
            session.getBasicRemote().sendText(msg1);
        } catch (Exception e) {
            //记录日志
        }
    }

    // 断开 websocket 连接时被调用
    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        // 1,从onlineUsers中剔除当前用户的session对象
        String user = (String) this.httpSession.getAttribute("user");
        onlineUsers.remove(user);
        // 2,通知其他所有的用户，当前用户下线了
        String message = MessageUtils.getMessage(true,null,getFriends());
        broadcastAllUsers(message);
    }
}

由于使用user name作为Map的key，所以要实时保存，用于消息的传递标识。如果使用数据库，建议还是使用userId作为key，保证唯一性。

public class GetHttpSessionConfig extends ServerEndpointConfig.Configurator {

    @Override
    public void modifyHandshake(ServerEndpointConfig sec, HandshakeRequest request, HandshakeResponse response) {
        //获取HttpSession对象
        HttpSession httpSession = (HttpSession) request.getHttpSession();
        //将httpSession对象保存起来
        sec.getUserProperties().put(HttpSession.class.getName(),httpSession);
    }
}

controller请求类

@RestController
@RequestMapping("user")
public class UserController {

    /**
     * 登陆
     * @param user 提交的用户数据，包含用户名和密码
     * @param session
     * @return
     */
    @PostMapping("/login")
    public Result login(@RequestBody User user, HttpSession session) {
        Result result = new Result();
        if(user != null && "123".equals(user.getPassword())) {
            result.setFlag(true);
            //将数据存储到session对象中
            session.setAttribute("user",user.getUsername());
        } else {
            result.setFlag(false);
            result.setMessage("登陆失败");
        }
        return result;
    }

    /**
     * 获取用户名
     * @param session
     * @return
     */
    @GetMapping("/getUsername")
    public String getUsername(HttpSession session) {

        String username = (String) session.getAttribute("user");
        return username;
    }
}