Spring Boot 使用 WebSocket 实现消息推送 及 WebSocket原理

WebSocket 是什么原理，为什么可以实现持久连接？

一、WebSocket是HTML5出的东西（协议），也就是说HTTP协议没有变化，或者说没关系，但HTTP是不支持持久连接的（长连接，循环连接的不算）

首先HTTP有1.1和1.0之说，也就是所谓的keep-alive，把多个HTTP请求合并为一个，但是Websocket其实是一个新协议，跟HTTP协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已，也就是说它是HTTP协议上的一种补充可以通过这样一张图理解。

有交集，但是并不是全部。
另外Html5是指的一系列新的API，或者说新规范，新技术。Http协议本身只有1.0和1.1，而且跟Html本身没有直接关系。
通俗来说，你可以用HTTP协议传输非Html数据，就是这样。再简单来说，层级不一样。

二、Websocket是什么样的协议，具体有什么优点

首先，Websocket是一个持久化的协议，相对于HTTP这种非持久的协议来说。简单的举个例子吧，用目前应用比较广泛的PHP生命周期来解释。
1) HTTP的生命周期通过Request来界定，也就是一个Request 一个Response，那么在HTTP1.0中，这次HTTP请求就结束了。
在HTTP1.1中进行了改进，使得有一个keep-alive，也就是说，在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。
但是请记住 Request = Response ， 在HTTP中永远是这样，也就是说一个request只能有一个response。而且这个response也是被动的，不能主动发起。
2）首先Websocket是基于HTTP协议的，或者说借用了HTTP的协议来完成一部分握手。在握手阶段是一样的。

GET /chat HTTP/1.1Host: server.example.comUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchatSec-WebSocket-Version: 13Origin: http://example.com

熟悉HTTP的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。

Upgrade: websocketConnection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉Apache、Nginx等服务器：注意啦，窝发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchatSec-WebSocket-Version: 13

首先，Sec-WebSocket-Key 是一个Base64 encode的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：你妹，不要忽悠窝，我要验证你是不是真的是Websocket助理。
然后，Sec_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：今晚我要服务A，别搞错啦~
最后，Sec-WebSocket-Version 是告诉服务器所使用的Websocket Draft（协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 Draft 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。不过现在还好，已经定下来啦~大家都使用的一个东西。
然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求，成功建立Websocket啦！

HTTP/1.1 101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=Sec-WebSocket-Protocol: chat

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocketConnection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是Websocket协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。
然后，Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key。服务器：好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。
后面的，Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。
至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。具体的协议就不在这阐述了。

三、Websocket的作用

在讲Websocket之前，我就顺带着讲下 long poll 和 ajax轮询 的原理。
首先是 ajax轮询 ，ajax轮询 的原理非常简单，让浏览器隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。
场景再现：
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)
服务端：没有（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)
服务端：没有。。（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)
服务端：你好烦啊，没有啊。。（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）
服务端：好啦好啦，有啦给你。（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）
服务端：。。。。。没。。。。没。。。没有（Response） ---- loop

long poll 
long poll 其实原理跟 ajax轮询 差不多，都是采用轮询的方式，不过采取的是阻塞模型（一直打电话，没收到就不挂电话），也就是说，客户端发起连接后，如果没消息，就一直不返回Response给客户端。直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接，周而复始。
场景再现
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request）
服务端：额。。 等待到有消息的时候。。来 给你（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request） -loop

从上面可以看出其实这两种方式，都是在不断地建立HTTP连接，然后等待服务端处理，可以体现HTTP协议的另外一个特点，被动性。
何为被动性呢，其实就是，服务端不能主动联系客户端，只能有客户端发起。
简单地说就是，服务器不会、不能主动发起连接，但是上司有命令，如果有客户来，不管多么累都要好好接待。
说完这个，我们再来说一说上面的缺陷，从上面很容易看出来，不管怎么样，上面这两种都是非常消耗资源的。
ajax轮询 需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）
long poll 需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）
所以ajax轮询 和long poll 都有可能发生这种情况。
客户端：啦啦啦啦，有新信息么？
服务端：线路正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）
客户端：。。。。好吧，啦啦啦，有新信息么？
服务端：线路正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）

通过上面这个例子，我们可以看出，这两种方式都不是最好的方式，需要很多资源。
一种需要更快的速度，一种需要更多的'电话'。这两种都会导致'电话'的需求越来越高。
HTTP还是一个无状态协议。通俗的说就是，服务器因为每天要接待太多客户了，是个健忘鬼，你一挂电话，他就把你的东西全忘光了，把你的东西全丢掉了。你第二次还得再告诉服务器一遍。
所以在这种情况下出现了，Websocket出现了。他解决了HTTP的这几个难题。
首先，被动性，当服务器完成协议升级后（HTTP->Websocket），服务端就可以主动推送信息给客户端啦。所以上面的情景可以做如下修改。
客户端：啦啦啦，我要建立Websocket协议，需要的服务：chat，Websocket协议版本：17（HTTP Request）
服务端：ok，确认，已升级为Websocket协议（HTTP Protocols Switched）
客户端：麻烦你有信息的时候推送给我噢。。
服务端：ok，有的时候会告诉你的。
服务端：balabalabalabala
服务端：balabalabalabala
服务端：哈哈哈哈哈啊哈哈哈哈
服务端：笑死我了哈哈哈哈哈哈哈
就变成了这样，只需要经过一次HTTP请求，就可以做到源源不断的信息传送了。（在程序设计中，这种设计叫做回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你）
这样的协议解决了上面同步有延迟，而且还非常消耗资源的这种情况。
那么为什么他会解决服务器上消耗资源的问题呢？
其实我们所用的程序是要经过两层代理的，即HTTP协议在Nginx等服务器的解析下，然后再传送给相应的Handler（JAVA等）来处理。
简单地说，我们有一个非常快速的接线员（Nginx），他负责把问题转交给相应的客服（Handler）。
本身接线员基本上速度是足够的，但是每次都卡在客服（Handler）了，老有客服处理速度太慢。，导致客服不够。
Websocket就解决了这样一个难题，建立后，可以直接跟接线员建立持久连接，有信息的时候客服想办法通知接线员，然后接线员在统一转交给客户。
这样就可以解决客服处理速度过慢的问题了。
同时，在传统的方式上，要不断的建立，关闭HTTP协议，由于HTTP是非状态性的，每次都要重新传输identity info（鉴别信息），来告诉服务端你是谁。
虽然接线员很快速，但是每次都要听这么一堆，效率也会有所下降的，同时还得不断把这些信息转交给客服，不但浪费客服的处理时间，而且还会在网路传输中消耗过多的流量/时间。
但是Websocket只需要一次HTTP握手，所以说整个通讯过程是建立在一次连接/状态中，也就避免了HTTP的非状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了接线员要反复解析HTTP协议，还要查看identity info的信息。
同时由客户主动询问，转换为服务器（推送）有信息的时候就发送（当然客户端还是等主动发送信息过来的。。），没有信息的时候就交给接线员（Nginx），不需要占用本身速度就慢的客服（Handler）了。

至于怎么在不支持Websocket的客户端上使用Websocket。。答案是：不能。
但是可以通过上面说的 long poll 和 ajax 轮询来模拟出类似的效果。

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下面是具体代码实现：
1、pom
核心是@ServerEndpoint这个注解。这个注解是Javaee标准里的注解，tomcat7以上已经对其进行了实现，如果是用传统方法使用tomcat发布项目，只要在pom文件中引入javaee标准即可使用。

    <dependency>      <groupId>javax</groupId>      <artifactId>javaee-api</artifactId>      <version>7.0</version>      <scope>provided</scope>    </dependency>

但使用springboot的内置tomcat时，就不需要引入javaee-api了，spring-boot已经包含了。使用springboot的websocket功能首先引入springboot组件。

        <dependency>            <groupId>org.springframework.boot</groupId>            <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>            <version>1.3.5.RELEASE</version>        </dependency>

springboot的高级组件会自动引用基础的组件，像spring-boot-starter-websocket就引入了spring-boot-starter-web和spring-boot-starter，所以不要重复引入。

2、使用@ServerEndpoint创立websocket endpoint
首先要注入ServerEndpointExporter，这个bean会自动注册使用了@ServerEndpoint注解声明的Websocket endpoint。要注意，如果使用独立的servlet容器，而不是直接使用springboot的内置容器，就不要注入ServerEndpointExporter，因为它将由容器自己提供和管理。

@Configurationpublic class WebSocketConfig {    @Bean    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {        return new ServerEndpointExporter();    }}

3、接下来就是写websocket的具体实现类，很简单，直接上代码：

package com.bocom.fmp.common.websocket;import java.io.IOException;import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;import javax.websocket.OnClose;import javax.websocket.OnError;import javax.websocket.OnMessage;import javax.websocket.OnOpen;import javax.websocket.Session;import javax.websocket.server.PathParam;import javax.websocket.server.ServerEndpoint;import org.apache.logging.log4j.LogManager;import org.apache.logging.log4j.Logger;import org.springframework.stereotype.Component;@ServerEndpoint(value = "/client/{userId}")@Componentpublic class WarningPushSocket {    private static Logger logger = LogManager.getLogger(WarningPushSocket.class.getName());    //静态变量，用来记录当前在线连接数。应该把它设计成线程安全的。    private static int onlineCount = 0;      //concurrent包的线程安全Set，用来存放每个客户端对应的MyWebSocket对象。    private static CopyOnWriteArraySet<WarningPushSocket> wsClientMap = new CopyOnWriteArraySet<>();        //与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据    private Session session;        /**     * 连接建立成功调用的方法     * @param session 当前会话session     */    @OnOpen    public void onOpen (@PathParam("userId")String userId,Session session){        this.session = session;        wsClientMap.add(this);        addOnlineCount();        logger.info(session.getId()+"有新链接加入，当前链接数为：" + wsClientMap.size());    }      /**     * 连接关闭     */    @OnClose    public void onClose (){    wsClientMap.remove(this);          subOnlineCount();          logger.info("有一链接关闭，当前链接数为：" + wsClientMap.size());    }      /**     * 收到客户端消息     * @param message 客户端发送过来的消息     * @param session 当前会话session     * @throws IOException     */    @OnMessage    public void onMessage (String message, Session session) throws IOException {        logger.info("来终端的警情消息:" + message);        sendMsgToAll(message);     }        /**     * 发生错误     */    @OnError    public void onError(Session session, Throwable error) {    logger.info("wsClientMap发生错误!");        error.printStackTrace();    }        /**     * 给所有客户端群发消息     * @param message 消息内容     * @throws IOException     */    public void sendMsgToAll(String message) throws IOException {    for ( WarningPushSocket item : wsClientMap ){              item.session.getBasicRemote().sendText(message);    }    logger.info("成功群送一条消息:" + wsClientMap.size());    }      public void sendMessage (String message) throws IOException {        this.session.getBasicRemote().sendText(message);          logger.info("成功发送一条消息:" + message);    }      public static synchronized  int getOnlineCount (){        return WarningPushSocket.onlineCount;      }      public static synchronized void addOnlineCount (){    WarningPushSocket.onlineCount++;      }      public static synchronized void subOnlineCount (){    WarningPushSocket.onlineCount--;      }}

使用springboot的唯一区别是要@Component声明下，而使用独立容器是由容器自己管理websocket的，但在springboot中连容器都是spring管理的。
虽然@Component默认是单例模式的，但springboot还是会为每个websocket连接初始化一个bean，所以可以用一个静态set保存起来。

<!DOCTYPE HTML><html><head>    <title>My WebSocket</title></head><body>Welcome<br/><input id="text" type="text" /><button onclick="send()">Send</button>    <button onclick="closeWebSocket()">Close</button><div id="message"></div></body><script type="text/javascript">    var websocket = null;    //判断当前浏览器是否支持WebSocket    if('WebSocket' in window){        websocket = new WebSocket("ws://localhost:9090/client");    }    else{        alert('Not support websocket')    }    //连接发生错误的回调方法    websocket.onerror = function(){        setMessageInnerHTML("error");    };    //连接成功建立的回调方法    websocket.onopen = function(event){        setMessageInnerHTML("open");    }    //接收到消息的回调方法    websocket.onmessage = function(event){        setMessageInnerHTML(event.data);    }    //连接关闭的回调方法    websocket.onclose = function(){        setMessageInnerHTML("close");    }    //监听窗口关闭事件，当窗口关闭时，主动去关闭websocket连接，防止连接还没断开就关闭窗口，server端会抛异常。    window.onbeforeunload = function(){        websocket.close();    }    //将消息显示在网页上    function setMessageInnerHTML(innerHTML){        document.getElementById('message').innerHTML += innerHTML + '<br/>';    }    //关闭连接    function closeWebSocket(){        websocket.close();    }    //发送消息    function send(){        var message = document.getElementById('text').value;        websocket.send(message);    }</script></html>

4、总结
springboot已经做了深度的集成和优化，要注意是否添加了不需要的依赖、配置或声明。由于很多讲解组件使用的文章是和spring集成的，会有一些配置，在使用springboot时，由于springboot已经有了自己的配置，再这些配置有可能导致各种各样的异常。