Java - WebSocket

一、WebSocket

1.1、WebSocket概念

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

1.3、WebSocket原理

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

客户端依靠发起HTTP握手，告诉服务端进行WebSocket协议通讯，并告知WebSocket协议版本。服务端确认协议版本，升级为WebSocket协议。之后如果有数据需要推送，会主动推送给客户端

请求头Request Headers

GET /test HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: sehfiowqweuq1psd==
Sec-WebSocket-Protocol: v10.stomp, v11.stomp, v12.stomp
Origin: http://hello.com
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Version: 13

首先客户端（如浏览器）发出带有特殊消息头（Upgrade、Connection）的请求到服务器，服务器判断是否支持升级，支持则返回响应状态码101，表示协议升级成功，对于WebSocket就是握手成功。其中关键的字段就是Upgrade,Connection,告诉 Apache 、 Nginx 等服务器：注意啦，发起的是Websocket协议,不再使用原先的HTTP。其中，Sec-WebSocket-Key当成是请求id就好了。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HaA6EjhHRejpHyuO0yBnY4J4n3A=
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate;client_max_window_bits=15
Sec-WebSocket-Protocol: v12.stomp

Sec-WebSocket-Accept的字段值是由握手请求中的Sec-WebSocket-Key的字段值生成的。成功握手确立WebSocket连接之后，通信时不再使用HTTP的数据帧，而采用WebSocket独立的数据帧

1.4、应用场景

实时聊天：聊天应用需要实时的消息传递，WebSocket 提供了高效的解决方案。

在线游戏：游戏中的实时交互（例如玩家动作和状态更新）可以通过 WebSocket 高效地处理。

股票市场：股票和金融市场应用需要实时更新数据，WebSocket 能够提供实时行情和交易信息。

实时通知：例如社交网络应用中的即时通知和更新。

协作应用：如实时文档编辑和在线协作工具，可以使用 WebSocket 实现多用户之间的同步更新。

WebSocket 协议在许多现代网络应用中扮演了重要角色，特别是在需要高频率数据交换和低延迟响应的场景中

1.5、WebSocket优劣势

WebSocket优势：

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劣势：

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

1.6、http和websocket区别

（1）WebSocket是双向通信协议，模拟Socket协议，可以双向发送或接受信息；HTTP是单向的

（2）WebSocket是需要浏览器和服务器握手进行建立连接的；而HTTP是浏览器发起向服务器的连接，服务器预先并不知道这个连接

二、Java中使用WebSocket

2.1、Java WebSocket API编写WebSocket

2.1.1、WebSocket服务器的搭建方法

在Java中搭建WebSocket服务器的方法如下：

1、首先，需要引入Java WebSocket API库。可以从Maven仓库下载Java WebSocket API依赖，或者直接将相关jar文件添加到项目中。

2、创建一个WebSocket服务器类，实现javax.websocket.Endpoint接口。这个类将作为WebSocket服务器的入口点，并定义了处理WebSocket连接和消息的方法。

3、在服务器类中，重写以下方法：

@OnOpen：注解用于标记一个方法，当WebSocket与客户端成功建立连接时，这个方法将被调用。

@OnMessage：注解标记的方法会在收到客户端发送的消息时被调用。在示例中，收到消息后会打印消息内容，并将响应消息发送回客户端。

@OnClose：注解标记的方法会在WebSocket关闭时被调用。

@OnError：注解标记的方法会在发生错误时被调用。

在类上使用@ServerEndpoint注解，将这个类声明为一个WebSocket端点。/websocket是WebSocket的URI，客户端可以通过这个URI来连接到这个WebSocket端点。

4、使用javax.websocket.server.ServerEndpoint注解标记服务器类，指定WebSocket的URL路径。

5、创建一个WebSocket服务器容器类，用来启动和管理WebSocket服务器。可以使用javax.websocket.server.ServerEndpointConfig的Builder类创建一个服务器配置对象，将服务器类和URL路径关联起来，并配置其他相关信息。

6、使用WebSocket服务器容器类的create方法创建一个WebSocket服务器实例。

7、启动WebSocket服务器，可以使用Server.start()方法

import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
 
@ServerEndpoint("/websocket")
public class WebSocketServer {
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        // 在连接打开时执行的操作
    }
 
    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        // 在连接关闭时执行的操作
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) {
        // 处理收到的消息
    }
}

编写配置类

// 需要注入Bean的话必须声明为配置类
@Configuration
public class WebSocketConfig {
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter(){
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}

调用：

import javax.websocket.server.ServerEndpointConfig;
 
public class WebSocketServerContainer {
 
    public static void main(String[] args) {
        ServerEndpointConfig serverConfig = ServerEndpointConfig.Builder.create(WebSocketServer.class, "/websocket").build();
        WebSocketContainer container = ContainerProvider.getWebSocketContainer();
        try {
            container.connectToServer(serverConfig, new URI("ws://localhost:8080/"));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

注：这里监听的地址不可以是 "ws" 不然会报错，可能这是关键字吧，毕竟我们的协议就叫 ws

2.1.2、Vue + JS 实现客户端

<template>
  <div class="app-container home">
    <el-row :gutter="20">
      <el-col :sm="24" :lg="24">
        <h1>集成websocket测试</h1>
      </el-col>
    </el-row>
    <el-row :gutter="20">
      <el-col :sm="24" :lg="24">
        <div>
          <el-input v-model="url" type="text" style="width: 20%" /> &nbsp;
          &nbsp;
          <el-button @click="join" type="primary">连接</el-button>
          <el-button @click="exit" type="danger">断开</el-button>
          <el-button @click="resetForm" type="success">重置</el-button>
          <br />
          <br />
          <el-input type="textarea" v-model="message" :rows="9" />
          <br />
          <br />
          <el-button type="success" @click="send">发送消息</el-button>
          <br />
          <br />
          返回内容
          <el-input type="textarea" v-model="text_content" :rows="9" />
          <br />
          <br />
        </div>
      </el-col>
    </el-row>
  </div>
</template>
 
 
<script>
import { getToken } from "@/utils/auth";
 
export default {
  name: "Index",
  data() {
    return {
      url: "ws://127.0.0.1:8080/websocket/message",
      message: "",
      text_content: "",
      ws: null,
      headers: {
        Authorization: "Bearer " + getToken(),
      },
    };
  },
  methods: {
    join() {
      const wsuri = this.url;
      // this.ws = new WebSocket(wsuri);
      this.ws = new WebSocket(wsuri, [getToken()]);
      const self = this;
      // 连接成功后调用
      this.ws.onopen = function (event) {
        self.text_content = self.text_content + "WebSocket连接成功!" + "\n";
      };
      this.ws.onerror = function (event) {
        self.text_content = self.text_content + "WebSocket连接发生错误!" + "\n";
      };
      // 接收后端消息
      this.ws.onmessage = function (event) {
        self.text_content = self.text_content + event.data + "\n";
      };
      // 关闭连接时调用
      this.ws.onclose = function (event) {
        self.text_content = self.text_content + "已经关闭连接!" + "\n";
      };
    },
    exit() {
      if (this.ws) {
        this.ws.close();
        this.ws = null;
      }
    },
    send() {
      if (this.ws) {
        this.ws.send(this.message);
      } else {
        alert("未连接到服务器");
      }
    },
    //重置
    resetForm() {
      this.message = "";
      this.text_content = "";
    },
  },
};
</script>

2.2、Spring Boot集成WebSocket

2.2.1、添加依赖

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

2.2.2、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。@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>());
}

2.2.3、处理WebSocket消息

在@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

在@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和@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（*）。