大家好，后端开发领域迅速发展，需要满足今天应用程序多样化需求的协议。默认的HTTP协议设计用于无状态和短生命周期请求，但在需要实时交互的场景中（如实时信令、聊天应用和协同编辑），它显然不够。

为了解决这些局限，开发人员正在探索更好满足现代应用程序动态需求的替代协议。

所有提到的限制都可以通过使用构建在TCP协议之上的WebSocket来克服。让我们深入了解一下它们的一些关键特性。

全双工通信

WebSocket支持同时进行的双向通信，客户端和服务器都可以独立发送消息，无需等待请求-响应周期。

低延迟

WebSocket建立的持久连接显著降低了与传统HTTP连接相比的延迟。这使得WebSocket非常适用于实时应用，如聊天应用、在线游戏、实时通知和协同编辑。

资源有效利用

WebSocket消除了为每次通信重复打开和关闭连接的需要。长寿命的连接减少了建立新连接的开销，提高了资源利用效率。

广泛浏览器支持

现代Web浏览器支持WebSocket，使其成为实时Web应用程序广泛采用的技术。大多数编程语言和Web框架还提供处理WebSocket连接的库或模块。

安全连接

WebSocket可以在安全连接上使用（WebSocket Secure，或WSS），使用与保护HTTPS连接相同的TLS/SSL协议。这确保了通信是加密且安全的。

废话不多说，让我们进入代码。

构建WebSocket通信的最简代码

我使用Tornado，它使我能够轻松实现这一点，只需覆盖现有方法。

服务器端

pip install tornado

让我们首先编写最小的代码。

from typing import Awaitableimport tornado.ioloopimport tornado.webimport tornado.websocketclass WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):"""此处理程序类用于处理WebSocket连接。"""def open(self, *args: str, **kwargs: str) -> Awaitable[None] | None:"""打开WebSocket连接。覆盖此方法以处理WebSocket的打开。当打开新的WebSocket时调用此方法。"""print("WebSocket已打开")return super().open(*args, **kwargs)def on_message(self, message: str | bytes) -> Awaitable[None] | None:"""处理WebSocket上的传入消息。覆盖此方法以处理传入的消息。当收到新的WebSocket消息时调用此方法。"""print(f"收到消息：{message}")self.write_message(f"你说：{message}")def on_close(self) -> None:"""处理WebSocket的关闭。覆盖此方法以处理WebSocket的关闭。当WebSocket关闭时调用此方法。"""print("WebSocket已关闭")return super().on_close()def app() -> tornado.web.Application:return tornado.web.Application([(r"/websocket", WebSocketHandler),])if __name__ == "__main__":application = app()application.listen(8080)print("监听端口8080")tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

代码解析:

  • import tornado.ioloop：tornado.ioloop模块提供了用于管理异步操作的I/O循环。I/O循环是Tornado非阻塞架构的核心。它异步处理事件，如传入请求和响应，而不阻塞其他任务的执行。
  • import tornado.web：tornado.web模块包含用于构建Web应用程序的类和工具。它提供了关键组件，如RequestHandler类，允许您定义如何响应HTTP请求。此模块对于创建Web应用程序的结构、处理路由和处理传入的HTTP请求至关重要。
  • import tornado.websocket：用于处理WebSocket连接的模块。它提供了WebSocketHandler类，允许您定义应用程序如何响应基于WebSocket的通信。
  • tornado.web.Application：入口点，用于将各种处理程序、设置和配置绑定在一起，创建完整的Web应用程序。它接受一个列表，包含**(绑定路径，请求处理程序)**。
  • application.listen(8080)：开始在端口8080上监听传入请求。
  • tornado.ioloop.IOLoop.current().start()：在当前上下文中启动事件循环，以异步处理请求。

运行WebSocket服务器:

python3 websockets.py

客户端

我使用的是Node而不是浏览器控制台，但您也可以使用浏览器控制台。

对于Node，请首先安装支持WebSocket的库。

npm install ws
const WebSocket = require("ws");var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/websocket");socket.on("open", function() {console.log("连接已打开")socket.send("你好，服务器！");})socket.on("message", function(message) { console.log('新消息 ' + message) if (message.data == 'ping') {socket.send('pong'); }})socket.on("close", function() {console.log("连接已关闭...")})
如果您尝试在浏览器控制台中运行，则需要将跨源设置为True。class WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):...def check_origin(self, origin: str) -> bool:return True

在浏览器中运行

var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/websocket");socket.onopen = function(event) {console.log("WebSocket连接已打开");socket.send("你好，服务器！");};socket.onmessage = function(event) {console.log("从服务器接收到消息:", event.data);};socket.onclose = function(event) {console.log("WebSocket连接已关闭");};
WebSocket连接已打开VM53:9 从服务器接收到消息：你好，服务器！

第一次翻译：

应用: 基于房间的聊天系统

让我们添加一些代码，实现用户房间和用户名功能。

服务器端代码

from typing import Awaitableimport tornado.ioloopimport tornado.webimport tornado.websocketclass ChatRoom:def __init__(self):self.clients = set()def add_client(self, client):self.clients.add(client)def remove_client(self, client):self.clients.remove(client)def broadcast(self, message, sender=None):for client in self.clients:if client.user_name != sender.user_name:client.write_message(f"{sender.user_name}: {message}")else:client.write_message("")class WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):room_id = Noneuser_name = Nonedef open(self, room_id, user_name) -> Awaitable[None] | None:self.room_id = room_idself.user_name = user_nameroom = self.application.get_or_create_room(self.room_id)room.add_client(self)print(f"WebSocket为 {self.user_name} 在房间 {self.room_id} 中打开")def on_message(self, message: str | bytes) -> Awaitable[None] | None:print(f"从 {self.user_name} 收到消息：{message}")room = self.application.get_or_create_room(self.room_id)room.broadcast(message, sender=self)def on_close(self) -> None:print(f"WebSocket为 {self.user_name} 关闭")self.application.get_or_create_room(self.room_id).remove_client(self)return super().on_close()def check_origin(self, origin: str) -> bool:return Trueclass ApplicationWithRooms(tornado.web.Application):def __init__(self, *args, **kwargs):super().__init__(*args, **kwargs)self.rooms = {}def get_or_create_room(self, room_id):if room_id not in self.rooms:self.rooms[room_id] = ChatRoom()return self.rooms[room_id]def app() -> ApplicationWithRooms:return ApplicationWithRooms([(r"/websocket/(\w+)/(\w+)", WebSocketHandler),])if __name__ == "__main__":application = app()application.listen(8080)print("监听端口8080")tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

代码解析:

  • ChatRoom: 这个类管理客户端。即添加、删除客户端和向同一房间中的所有客户端广播消息。
  • WebSocketHandler: 我们修改了现有的处理程序以将新客户端添加到房间中，在收到新消息时在创建房间之前广播消息。
  • ApplicationWithRooms: 我们用这个类替换了默认的Application，只是为了处理聊天室逻辑。
  • /websocket/(\w+)/(\w+): 处理程序URL也已更改，以在URL中接收聊天室和用户ID。

客户端代码

客户端代码也已更新，以在连接后提示发送消息到网络。

const WebSocket = require("ws");const readline = require("readline");const rl = readline.createInterface({input: process.stdin,output: process.stdout})function generate_random_name() {let name = "";for (let i = 0; i < 5; i++) {name += String.fromCharCode(97 + Math.floor(Math.random() * 26))};return name;}var username = generate_random_name();const room_id = "room1";var socket = new WebSocket(`ws://localhost:8080/websocket/${room_id}/${username}`);socket.on("open", function () {console.log("已连接到房间 " + room_id + "!")rl.setPrompt(`${username} >> `);rl.prompt();rl.on("line", function (line) {if (line === "exit") {socket.close();return;}socket.send(line);})})socket.on("message", function (message) {if (message.length > 0) {console.log('[' + '' + message + ']')}rl.prompt();})socket.on("close", function () {console.log("连接已关闭...")rl.close();})

好了，这就是最小代码实现，你可以上手运行一下，看看实际效果。

总结

虽然提供的示例展示了使用WebSocket的基本功能，但值得注意的是，生产级别的WebSocket应用程序需要更全面的方法。

必须仔细实现强大的授权、安全的身份验证机制和其他重要的考虑因素，以确保您的实时通信解决方案的安全性、可扩展性和可靠性。

始终根据最佳实践和安全标准调整WebSocket实现，以满足生产环境的多样化要求。