websocket的源码分析,使用,还有一些常见疑问

websocket是什么?网上已经有太多文章写过了,这里就不介绍了。这篇文章主要分析Java-WebSocket实现原理

先简单介绍下使用方法吧

1.首先实现一个websocket服务类
public class MyWebSocketServer extends WebSocketServer {

    public MyWebSocketServer(int port) {
        super(new InetSocketAddress(port));
    }

    public MyWebSocketServer(InetSocketAddress address) {
        super(address);
    }

    /**
     * 当服务器成功启动时调用
     */
    @Override
    public void onStart() {
        System.out.println("onStart---------->Server Started!");
    }

    /**
     * 在握手完成后调用
     *
     * @param conn      WebSocket实例
     * @param handshake websocket握手实例
     */
    @Override
    public void onOpen(WebSocket conn, ClientHandshake handshake) {
       //当接入新连接时调用
       System.out.println("onOpen------->当前连接数" + getConnections().size());
    }

    /**
     * 在websocket连接关闭后调用。
     *
     * @param conn 
     * @param code
     * @param reason
     * @param remote
     */
    @Override
    public void onClose(WebSocket conn, int code, String reason, boolean remote) {
        //当已接入客户端断开时调用
        System.out.println("onClose------->当前连接数" + getConnections().size());

    }

    /**
     * 回调从远程主机接收的字符串消息
     *
     * @param conn websocket实例(可以利用该接口回调一些消息给客户端)
     * @param message String类型数据
     */
    @Override
    public void onMessage(WebSocket conn, String message) {
        //broadcast(message);//发消息给所有已连接客户端
        System.out.println("onMessage: " + message);

    }

    /**
     * 回调从远程主机接收的二进制消息
     *
     * @param conn
     * @param message
     */
    @Override
    public void onMessage(WebSocket conn, ByteBuffer message) {
   
    }


    /**
     * 这个方法将被调用,主要是因为IO或协议错误
     *
     * @param conn 可以是空,如果有错误不属于一个特定的websocket。例如,服务器端口无法绑定
     * @param ex   异常会导致此错误
     */
    @Override
    public void onError(WebSocket conn, Exception ex) {
        if (conn != null) 
            ex.printStackTrace();
            // some errors like port binding failed may not be assignable to a specific websocket
        }
    }

}
2.启动MyWebsocket服务
public class ServerMain {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {
        int port = 8887; 
        MyWebSocketServer mWebSocketServer = new MyWebSocketServer(port);
        mWebSocketServer.start();//开启服务
        System.out.println("MyWebSocketServer started on port: " + mWebSocketServer.getPort());
}
3.客户端连接websocket服务
public static void main(String[] args) throws URISyntaxException {
        final WebSocketClient webSocketClient = new WebSocketClient(new URI("ws://192.168.1.120:8887")) {
            @Override
            public void onOpen(ServerHandshake handshakedata) {

            }

            @Override
            public void onMessage(String message) {

            }

            @Override
            public void onClose(int code, String reason, boolean remote) {

            }

            @Override
            public void onError(Exception ex) {

            }
        };
        webSocketClient.connect();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int mb=300;
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * mb];//300mb

                for (int i = 0; i < 1024 * 1024 * mb; i++) {
                    bytes[i] = 1;
                }
                System.out.println("发送中...");
                webSocketClient.send(bytes);//发送字节数据
                System.out.println("发送成功...");

            }
        }).start();
    }

接下来从源码分析下原理

1.先看看服务类WebSocketServer

从刚刚服务使用中我们可以看到先调用了一个 mWebSocketServer.start();

public abstract class WebSocketServer extends AbstractWebSocket implements   Runnable {

    public void start() {
        if( selectorthread != null )
            throw new IllegalStateException( getClass().getName() + " can only be started once." );
        new Thread( this ).start();
    }

    public void run() {
        if (!doEnsureSingleThread()) {
            return;
        }
        if (!doSetupSelectorAndServerThread()) {//这里做一些信道的配置并启动socket服务
            return;
        }
        try {
            int iShutdownCount = 5;
            int selectTimeout = 0;
           // 这里是个死循环
            while ( !selectorthread.isInterrupted() && iShutdownCount != 0) {
                SelectionKey key = null;
                try {
                    if (isclosed.get()) {
                        selectTimeout = 5;
                    }
                    int keyCount = selector.select( selectTimeout );
                    if (keyCount == 0 && isclosed.get()) {
                        iShutdownCount--;
                    }
                    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> i = keys.iterator();

                    while ( i.hasNext() ) {
                        key = i.next();
                        
                        if( !key.isValid() ) {
                            continue;
                        }

                        if( key.isAcceptable() ) {
                            //当有新的连接请求时,doAccept里面会产生一个新的socket信道,并在selector中注册OP_READ事件
                            doAccept(key, i);
                            continue;
                        }
                        // doRead这里主要会把收到的数据添加到阻塞队列中,然后会分配一个WebSocketWorker工作线程处理队列中的消息,再经过一系列处理最终会回调到onMessage,onError这些方法(WebSocketWorker这个线程是在doSetupSelectorAndServerThread启动的)
                        if( key.isReadable() && !doRead(key, i)) {
                            continue;
                        }
                        //这里主要处理写数据请求
                        if( key.isWritable() ) {
                            doWrite(key);
                        }
                    }
                    doAdditionalRead();
                } catch ( CancelledKeyException e ) {
                    // an other thread may cancel the key
                } catch ( ClosedByInterruptException e ) {
                    return; // do the same stuff as when InterruptedException is thrown
                } catch ( WrappedIOException ex) {
                    handleIOException( key, ex.getConnection(), ex.getIOException());
                } catch ( IOException ex ) {
                    handleIOException( key, null, ex );
                } catch ( InterruptedException e ) {
                    // FIXME controlled shutdown (e.g. take care of buffermanagement)
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        } catch ( RuntimeException e ) {
            // should hopefully never occur
            handleFatal( null, e );
        } finally {
            doServerShutdown();
        }
    }

    private boolean doSetupSelectorAndServerThread() {
        selectorthread.setName( "WebSocketSelector-" + selectorthread.getId() );
        try {
            server = ServerSocketChannel.open();// 打开监听信道
            server.configureBlocking( false );// 设置为非阻塞模式
            ServerSocket socket = server.socket();
            socket.setReceiveBufferSize( WebSocketImpl.RCVBUF );
            socket.setReuseAddress( isReuseAddr() );
            socket.bind( address, getMaxPendingConnections() );//与本地端口绑定
            selector = Selector.open();//创建选择器
       /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector),并为该通道注册selectionKey.OP_ACCEPT事件
         * 注册该事件后,当事件到达的时候,selector.select()会返回,
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
            server.register( selector, server.validOps() );
            startConnectionLostTimer();
            for( WebSocketWorker ex : decoders ){
                ex.start();
            }
            onStart();
        } catch ( IOException ex ) {
            handleFatal( null, ex );
            return false;
        }
        return true;
    }
}

总结:WebSocketServer利用了selector信道选择器处理了读,写,连接请求,同时启用了多个WebSocketWorker工作线程,让每个线程负责维护多个客户端(所有客户端平均分配),处理各自所维护的客户端们发来的请求。

2.再看看客户端WebSocketClient
public abstract class WebSocketClient extends AbstractWebSocket implements Runnable, WebSocket {
    //刚刚WebSocketClient实例化之后首先调用了connect()
    public void connect() {
        if( connectReadThread != null )
            throw new IllegalStateException( "WebSocketClient objects are not reuseable" );
        connectReadThread = new Thread( this );
        connectReadThread.setName( "WebSocketConnectReadThread-" + connectReadThread.getId() );
        connectReadThread.start();
    }
    public void run() {
        InputStream istream;
        try {
            boolean isNewSocket = false;
            if (socketFactory != null) {
                socket = socketFactory.createSocket();//创建socket
            } else if( socket == null ) {
                socket = new Socket( proxy );
                isNewSocket = true;
            } else if( socket.isClosed() ) {
                throw new IOException();
            }

            socket.setTcpNoDelay( isTcpNoDelay() );
            socket.setReuseAddress( isReuseAddr() );

            if (!socket.isConnected()) {
                InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(dnsResolver.resolve(uri), this.getPort());
                socket.connect(addr, connectTimeout);//socket连接服务端
            }

            // if the socket is set by others we don't apply any TLS wrapper
            if (isNewSocket && "wss".equals( uri.getScheme())) {
                SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLSv1.2");
                sslContext.init(null, null, null);
                SSLSocketFactory factory = sslContext.getSocketFactory();
                socket = factory.createSocket(socket, uri.getHost(), getPort(), true);
            }

            if (socket instanceof SSLSocket) {
                SSLSocket sslSocket = (SSLSocket)socket;
                SSLParameters sslParameters = sslSocket.getSSLParameters();
                onSetSSLParameters(sslParameters);
                sslSocket.setSSLParameters(sslParameters);
            }

            istream = socket.getInputStream();
            ostream = socket.getOutputStream();

            sendHandshake();
        } catch ( /*IOException | SecurityException | UnresolvedAddressException | InvalidHandshakeException | ClosedByInterruptException | SocketTimeoutException */Exception e ) {
            onWebsocketError( engine, e );
            engine.closeConnection( CloseFrame.NEVER_CONNECTED, e.getMessage() );
            return;
        } catch (InternalError e) {
            // https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8173620
            if (e.getCause() instanceof InvocationTargetException && e.getCause().getCause() instanceof IOException) {
                IOException cause = (IOException) e.getCause().getCause();
                onWebsocketError(engine, cause);
                engine.closeConnection(CloseFrame.NEVER_CONNECTED, cause.getMessage());
                return;
            }
            throw e;
        }

        writeThread = new Thread( new WebsocketWriteThread(this) );
        writeThread.start();//启动一个写数据的线程(该线程做了啥,下方写了)

        byte[] rawbuffer = new byte[ WebSocketImpl.RCVBUF ];
        int readBytes;

        try {//这里通过一个死循环,不断读数据
            while ( !isClosing() && !isClosed() && ( readBytes = istream.read( rawbuffer ) ) != -1 ) {
                engine.decode( ByteBuffer.wrap( rawbuffer, 0, readBytes ) );//这里经过一系列处理,最终还是会调用onMessage(),onError()这些方法
            }
            engine.eot();
        } catch ( IOException e ) {
            handleIOException(e);
        } catch ( RuntimeException e ) {
            onError( e );
            engine.closeConnection( CloseFrame.ABNORMAL_CLOSE, e.getMessage() );
        }
        connectReadThread = null;
    }

    private class WebsocketWriteThread implements Runnable {

        private final WebSocketClient webSocketClient;

        WebsocketWriteThread(WebSocketClient webSocketClient) {
            this.webSocketClient = webSocketClient;
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread.currentThread().setName( "WebSocketWriteThread-" + Thread.currentThread().getId() );
            try {
                runWriteData();//调用了个写数据的方法
            } catch ( IOException e ) {
                handleIOException( e );
            } finally {
                closeSocket();
                writeThread = null;
            }
        }

        
        private void runWriteData() throws IOException {
            try {
                while( !Thread.interrupted() ) {//这用了个死循环
                    ByteBuffer buffer = engine.outQueue.take();//再这里利用阻塞队列取队列数据,添加新数据并唤醒,他才会继续执行
                    ostream.write( buffer.array(), 0, buffer.limit() );//这里写数据给服务端
                    ostream.flush();
                }
            } catch ( InterruptedException e ) {
                for (ByteBuffer buffer : engine.outQueue) {
                    ostream.write( buffer.array(), 0, buffer.limit() );
                    ostream.flush();
                }
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }

        private void closeSocket() {
            try {
                if( socket != null ) {
                    socket.close();
                }
            } catch ( IOException ex ) {
                onWebsocketError( webSocketClient, ex );
            }
        }
    }

}

总结:WebSocketClient直接用的socket,写数据利用了阻塞队列和一个死循环,不断读取队列中有没有新消息要处理。读数据(istream.read)还是直接用输入流和死循环读的。

关于socket心跳包的一些疑问

socket连接时到底有没有必要通过一个心跳包来维护长连接?
答案是有必要,长时间不交互数据tcp长连接会断开(防火墙,路由器记录消失等因素)。

使用应用层socket心跳包有哪些作用?
当TCP连接的一方突然发生机器断电关机、系统死机、网线松动等情况下,连接的对端进程可能检测不到任何异常,并最后等待“超时”才断开TCP连接。所以此时心跳包的作用就体现出来了,不仅可以检测对方是否在线,还能及时回收资源。
当然socket在传输层也自带心跳探测,不过由于时效性,不方便检测连接是否可用等因素,我们还是实现自己的心跳包比较好。上文的websocket当然也实现了心跳机制不需要我们再实现了。

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