WebSocket

1. 什么是 WebSocket？

WebSocket 是一种网络通信协议，它在单个 TCP 连接上提供全双工通信（Full-Duplex Communication）的能力，允许服务器和客户端之间实时传输数据。

协议特点
- 全双工通信：服务器和客户端可以主动发送消息，而不是传统 HTTP 的请求-响应模式。
- 长连接：建立一次连接后，可以持续使用，直到一方主动关闭。
- 低延迟：消息通过帧（Frame）发送，减少了传统 HTTP 头信息带来的开销。
- 高效率：适合实时性要求高的场景。
工作原理
- 握手阶段：客户端通过 HTTP 发起 WebSocket 升级请求，服务端返回 101 Switching Protocols，连接升级为 WebSocket 协议。
- 通信阶段：在连接建立后，数据通过轻量级的帧格式进行传输。
- 关闭阶段：一方主动发送关闭帧，连接断开。

2. WebSocket 的作用

WebSocket 的主要作用是实现实时通信，即当数据在服务器或客户端发生变化时，可以立即推送到对方，而无需轮询（Polling）或长轮询（Long Polling）。

实时数据传输
- WebSocket 可以持续保持连接，无需频繁建立和关闭，适合快速传递实时数据。
服务器主动推送
- 服务器可以主动向客户端发送消息，减少客户端对服务器的频繁请求。
节省带宽和资源
- WebSocket 消息帧中没有冗余的 HTTP 头部信息，减少了带宽占用。
- 对于高频通信，WebSocket 比传统的 HTTP 更高效。

3. WebSocket 与 HTTP 的区别

特性	HTTP（传统）	WebSocket（实时）
通信模型	请求-响应模型，客户端必须发起请求才能获得响应	双向通信，服务端和客户端都可以主动发送消息
连接状态	每次请求建立新的连接	连接建立后保持长连接
协议头开销	每次请求和响应都包含完整的 HTTP 头部信息	初次握手后，数据帧格式简单，无头部冗余
适用场景	低频通信、非实时性场景	高频通信、实时性要求高的场景

4. WebSocket 在 Java 开发中的使用场景

1.实时聊天系统

场景描述：聊天室、私聊、群聊。
实现功能：
- 用户之间实时发送和接收消息。
- 服务器广播消息给多个用户。
优势：相比轮询，WebSocket 的双向通信更高效。

2.实时通知和推送

场景描述：例如实时股票价格更新、系统消息推送、用户活动通知。
实现功能：
- 服务器可以主动向客户端推送数据。
优势：低延迟，用户体验更好。

3.实时数据流

场景描述：例如在线游戏的实时状态同步、物联网设备的数据流传输。
实现功能：
- 客户端和服务器持续同步状态或传输数据。
优势：节省带宽，支持大规模并发。

4.实时协作工具

场景描述：例如多人协作文档编辑、实时白板。
实现功能：
- 服务器实时广播用户的操作给其他参与者。
优势：多用户实时协作，延迟低。

5.在线教育

场景描述：实时课堂互动、学生提问、教师推送消息。
实现功能：
- 服务器推送教学内容或问题答案。
优势：实时互动，提升教学体验。

6.实时监控和仪表盘

场景描述：例如服务器运行状态、日志监控、设备运行状态监控。
实现功能：
- 实时向用户展示系统状态或日志信息。
优势：无需刷新页面即可获得最新状态。

7.在线游戏

场景描述：实时多人游戏的状态同步和交互。
实现功能：
- 玩家操作即时同步到服务器和其他玩家。
优势：低延迟、高效率。

5.WebSocket 在 Java 中的实现与支持工具

技术栈	归属	特点	适用场景	优点	缺点
Socket.IO	前端	- 基于 WebSocket 的封装，支持事件驱动和自动降级机制	浏览器端实时通信，如聊天系统、通知推送、协作工具	- 易用，前端开发体验优秀 - 跨浏览器兼容性强	- 性能一般，依赖 Node.js 环境
javax.websocket	后端	- Java 官方 WebSocket 标准 API，轻量级	简单实时通信，如聊天室、通知推送	- 简单易用，标准化 - 无框架依赖	- 功能基础，缺乏高级特性
Spring WebSocket	后端	- 基于 javax.websocket 增强实现，支持 STOMP 和 SockJS 降级	Spring Boot 项目中的实时通信，支持广播和订阅	- 与 Spring 生态无缝集成 - 功能丰富	- 性能稍逊于底层框架（如 Netty）
Netty	后端	- 高性能网络通信框架，支持多协议（TCP、UDP、HTTP、WebSocket 等）	高并发需求，如在线游戏、实时推送、物联网	- 性能极高 - 灵活性强	- 学习曲线陡峭 - 开发复杂
Netty-socketio	后端	- 基于 Netty 的封装框架，提供与 Socket.IO 类似的事件驱动模型	高并发实时通信，如实时聊天、事件推送	- 性能高 - 开发简单，API 易用	- 灵活性不如 Netty - 功能局限于 WebSocket

6.在 Java 中使用 javax.websocket 实现实时通信

1. WebSocket 的使用步骤

在 Java 中使用 javax.websocket 实现实时通信时，需要完成以下步骤：

引入必要的依赖
WebSocket 的标准 API 是 Java EE 的一部分。需要引入 javax.websocket 和 WebSocket 的实现（如 Tyrus）。
创建 WebSocket 服务端
使用 @ServerEndpoint 注解定义 WebSocket 端点，处理客户端的连接、消息和断开事件。
配置 WebSocket 服务端
在 Spring Boot 中注册 WebSocket 端点，使其能与 Web 应用程序协同运行。
创建 WebSocket 客户端（可选）
使用 @ClientEndpoint 注解定义客户端端点，用于连接服务端并实现双向通信。
启动服务并进行通信
测试服务端与客户端之间的实时消息交换。

2. 引入依赖

在 Spring Boot 项目中，引入以下依赖：

<dependency><groupId>javax.websocket</groupId><artifactId>javax.websocket-api</artifactId><version>1.1</version>
</dependency>
<dependency><groupId>org.glassfish</groupId><artifactId>tyrus-server</artifactId><version>1.17</version>
</dependency>

javax.websocket-api 提供 WebSocket API 接口。
tyrus-server 是 WebSocket 的实现库，用于支持运行。

3. 创建 WebSocket 服务端

在 Java 中，使用 @ServerEndpoint 注解定义服务端。

完整代码示例

import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;@ServerEndpoint("/websocket")
public class WebSocketServer {// 存储所有客户端会话private static final CopyOnWriteArraySet<WebSocketServer> clients = new CopyOnWriteArraySet<>();// 当前会话private Session session;// 当客户端连接成功时触发@OnOpenpublic void onOpen(Session session) {this.session = session; // 保存当前会话clients.add(this); // 添加到客户端集合System.out.println("新的连接已建立，当前连接数：" + clients.size());sendMessage("欢迎加入 WebSocket 通信！");}// 当收到客户端消息时触发@OnMessagepublic void onMessage(String message, Session session) {System.out.println("收到客户端消息：" + message);broadcast("服务器收到消息：" + message); // 广播给所有客户端}// 当连接关闭时触发@OnClosepublic void onClose(Session session) {clients.remove(this); // 从客户端集合中移除System.out.println("连接已关闭，当前连接数：" + clients.size());}// 当发生错误时触发@OnErrorpublic void onError(Session session, Throwable error) {System.err.println("发生错误：" + error.getMessage());}// 向当前客户端发送消息private void sendMessage(String message) {try {this.session.getBasicRemote().sendText(message); // 发送文本消息} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}// 向所有客户端广播消息private void broadcast(String message) {for (WebSocketServer client : clients) {try {client.session.getBasicRemote().sendText(message);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

代码详解

类注解 @ServerEndpoint
- 指定 WebSocket 服务端的路径为 /websocket。
- 客户端通过 ws://localhost:8080/websocket 连接服务端。
@OnOpen 方法
- 在客户端连接成功时调用。
- 参数 Session：表示与客户端的会话，用于发送消息或获取连接信息。
- 将当前会话保存到 clients 集合中，便于广播消息。
@OnMessage 方法
- 在收到客户端消息时调用。
- 参数 message：客户端发送的消息。
- 将消息打印到控制台，并广播给所有已连接的客户端。
@OnClose 方法
- 在客户端关闭连接时调用。
- 从 clients 集合中移除当前会话。
@OnError 方法
- 在通信过程中发生异常时触发。
- 可以记录日志或进行异常处理。
sendMessage(String message) 方法
- 使用 Session 的 getBasicRemote().sendText() 方法发送消息到当前客户端。
broadcast(String message) 方法
- 遍历 clients 集合，将消息广播给所有客户端。

4. 配置 WebSocket 服务端

将 WebSocket 服务注册到 Spring Boot 项目中。

实现代码

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;import javax.websocket.server.ServerEndpointConfig;@Configuration
public class WebSocketConfig {@Beanpublic ServerEndpointConfig.Configurator websocketConfigurator() {return new ServerEndpointConfig.Configurator();}
}

步骤说明：

配置类使用 @Configuration 注解。
将 @ServerEndpoint 标注的类注册为 WebSocket 服务。

5. 创建 WebSocket 客户端

使用 javax.websocket 提供的 API 创建客户端，用于连接服务端并与其通信。

完整代码示例

import javax.websocket.*;
import java.net.URI;@ClientEndpoint
public class WebSocketClient {@OnOpenpublic void onOpen(Session session) {System.out.println("客户端成功连接到服务端");try {session.getBasicRemote().sendText("Hello, WebSocket Server!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}@OnMessagepublic void onMessage(String message) {System.out.println("收到服务端消息：" + message);}@OnClosepublic void onClose() {System.out.println("客户端连接已关闭");}@OnErrorpublic void onError(Throwable error) {System.err.println("客户端发生错误：" + error.getMessage());}public static void main(String[] args) {WebSocketContainer container = ContainerProvider.getWebSocketContainer();String uri = "ws://localhost:8080/websocket";try {container.connectToServer(WebSocketClient.class, URI.create(uri));} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

代码详解

类注解 @ClientEndpoint
- 指定该类为 WebSocket 客户端。
@OnOpen 方法
- 在客户端成功连接到服务端时调用。
- 使用 Session 对象的 getBasicRemote().sendText() 方法向服务端发送消息。
@OnMessage 方法
- 在客户端收到服务端消息时调用。
- 参数 message：服务端发送的消息。
@OnClose 方法
- 在客户端与服务端断开连接时调用。
@OnError 方法
- 在通信过程中发生异常时触发。
main 方法
- 使用 WebSocketContainer 创建客户端连接，连接地址为 ws://localhost:8080/websocket。