Java实现WebSocket服务端教程

从现在开始，努力学习吧！本文《Java搭建WebSocket服务端教程》主要讲解了等等相关知识点，我会在golang学习网中持续更新相关的系列文章，欢迎大家关注并积极留言建议。下面就先一起来看一下本篇正文内容吧，希望能帮到你！

要使用Java构建WebSocket服务端实现实时推送，可通过Spring Boot快速搭建，其核心步骤包括添加依赖、配置WebSocket和实现处理器。1. 在pom.xml中添加spring-boot-starter-websocket依赖；2. 创建配置类WebSocketConfig并启用WebSocket支持，注册处理器并设置允许的来源；3. 实现MyTextWebSocketHandler处理器，继承TextWebSocketHandler并重写连接建立、消息处理、连接关闭等方法，使用CopyOnWriteArraySet管理会话实现广播，或使用ConcurrentHashMap实现定向推送；4. WebSocket相较于HTTP轮询和长轮询具有全双工通信、低开销、高实时性等优势；5. 高并发场景下需解决连接管理、I/O瓶颈、跨实例会话管理、认证授权等问题，可采用异步处理、消息队列、Redis共享会话、JWT令牌等方案。

Java构建WebSocket服务端来实现实时推送，说白了，就是建立一个持久化的双向通信通道，让服务器能够主动、即时地把数据推送到客户端，而不是客户端反复去问“有新消息吗？”。这对于聊天应用、股票行情、实时通知或者任何需要即时数据更新的场景来说，几乎是唯一的选择。它避免了传统HTTP轮询的低效和长轮询的复杂性，提供了一种更优雅、更高效的解决方案。

解决方案

在Java生态中，搭建WebSocket服务端，Spring Boot无疑是当下最便捷、功能最完善的选择之一。我们通常会利用spring-boot-starter-websocket这个模块来快速构建。

首先，在你的pom.xml中加入依赖：

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

接着，你需要配置WebSocket。创建一个配置类，启用WebSocket支持：

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 MyTextWebSocketHandler(), "/ws")
                .setAllowedOrigins("*"); // 允许所有来源，生产环境应限制特定域名
    }
}

然后，就是实现你的WebSocket处理器。你可以继承TextWebSocketHandler来处理文本消息，或者BinaryWebSocketHandler来处理二进制消息。这里以文本消息为例：

import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.web.socket.CloseStatus;
import org.springframework.web.socket.TextMessage;
import org.springframework.web.socket.WebSocketSession;
import org.springframework.web.socket.handler.TextWebSocketHandler;

import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;

@Component
public class MyTextWebSocketHandler extends TextWebSocketHandler {

    // 用来存放所有在线的WebSocketSession
    private static final CopyOnWriteArraySet<WebSocketSession> sessions = new CopyOnWriteArraySet<>();

    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
        sessions.add(session);
        System.out.println("新连接建立: " + session.getId() + ", 当前在线人数: " + sessions.size());
        session.sendMessage(new TextMessage("欢迎连接到WebSocket服务！"));
    }

    @Override
    protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
        System.out.println("收到来自 " + session.getId() + " 的消息: " + message.getPayload());
        // 可以将消息广播给所有客户端
        broadcastMessage(message.getPayload());
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {
        sessions.remove(session);
        System.out.println("连接关闭: " + session.getId() + ", 状态: " + status.getCode() + ", 原因: " + status.getReason() + ", 当前在线人数: " + sessions.size());
    }

    @Override
    public void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) throws Exception {
        System.err.println("传输错误: " + session.getId() + ", 错误信息: " + exception.getMessage());
        sessions.remove(session);
    }

    // 广播消息给所有在线客户端
    public static void broadcastMessage(String message) {
        TextMessage textMessage = new TextMessage(message);
        for (WebSocketSession session : sessions) {
            try {
                if (session.isOpen()) {
                    session.sendMessage(textMessage);
                }
            } catch (IOException e) {
                System.err.println("发送消息到 " + session.getId() + " 失败: " + e.getMessage());
                // 考虑移除发送失败的session，或者在afterConnectionClosed中统一处理
            }
        }
    }
}

现在，你的Spring Boot应用启动后，客户端就可以通过ws://localhost:8080/ws（如果你的端口是8080）连接到WebSocket服务了。客户端可以使用JavaScript的WebSocket API来连接和发送接收消息。

WebSocket与传统HTTP轮询/长连接有何优势？

谈到实时推送，很多人会先想到HTTP轮询或长轮询，但WebSocket出来后，它们就显得有点“老旧”了。WebSocket的优势在于它的全双工通信能力和更低的协议开销。

传统HTTP轮询，说白了就是客户端每隔一段时间（比如1秒）就去问服务器“有新数据吗？”。这种方式简单粗暴，但效率极低，服务器大部分时间都在处理“没有新数据”的请求，浪费带宽和服务器资源。而且，消息的实时性取决于你设置的轮询间隔，间隔短了，资源消耗大；间隔长了，消息就不够“实时”。

长轮询稍微好一点，客户端发起请求后，服务器会“hold住”这个请求，直到有新数据或者超时才响应。客户端收到响应后会立即发起新的请求。这减少了空轮询的次数，但本质上还是基于HTTP请求-响应模型，每次通信都需要完整的HTTP头，开销不小。而且，服务器端维护这些“挂起”的请求也需要一定的资源。

WebSocket则完全不同。它在HTTP握手之后，会升级为一个持久化的TCP连接。一旦连接建立，客户端和服务器可以随时互相发送数据，是真正的双向通信。这意味着服务器可以主动“推送”消息给客户端，无需客户端发起请求。这种模式带来的好处显而易见的：

• 实时性极高：数据几乎是即时到达。
• 效率高：一旦连接建立，后续通信只需要很小的帧头，相比每次都带完整HTTP头，开销大大降低。
• 资源占用少：连接是持久的，避免了频繁的连接建立和关闭，减少了服务器和客户端的资源消耗。
• 编程模型更简洁：对于开发者来说，处理WebSocket消息流通常比管理HTTP请求-响应周期更直观。

当然，WebSocket也并非万能药，它更适合需要高实时性、高频率数据交互的场景。对于那些数据更新不频繁，或者只需要单向获取信息的场景，传统的HTTP请求可能依然是更简单的选择。

Java WebSocket服务端如何实现消息的广播和定向推送？

在构建实时推送系统时，仅仅能够接收消息是不够的，核心在于如何将消息准确地送达给一个或多个客户端。这通常涉及到两种模式：广播（给所有连接的客户端）和定向推送（给特定的客户端）。

实现这两种推送模式，关键在于如何管理和访问这些活跃的WebSocketSession对象。在上面给出的示例代码中，我们用了一个CopyOnWriteArraySet来存储所有在线的session。

1. 消息广播：

广播是最直接的方式。当有需要通知所有客户端的事件发生时（比如系统公告、全局更新），你只需要遍历所有当前活跃的WebSocketSession，然后逐一发送消息。

在MyTextWebSocketHandler中，broadcastMessage方法就是实现了这一点：

public static void broadcastMessage(String message) {
    TextMessage textMessage = new TextMessage(message);
    for (WebSocketSession session : sessions) { // 遍历所有session
        try {
            if (session.isOpen()) { // 确保session仍然是打开状态
                session.sendMessage(textMessage);
            }
        } catch (IOException e) {
            // 发送失败通常意味着客户端已断开，但连接状态更新滞后，
            // 可以在这里记录日志，或者更健壮地处理（比如尝试移除这个session）
            System.err.println("发送消息到 " + session.getId() + " 失败: " + e.getMessage());
        }
    }
}

这里需要注意并发问题。CopyOnWriteArraySet在读多写少的场景下表现良好，因为它在写入时会复制底层数组，保证了迭代时的线程安全。但如果连接频繁建立和断开，或者在线人数巨大，它的性能可能会受到影响。

2. 定向推送：

定向推送就复杂一些，因为它需要识别“特定客户端”。这通常意味着你需要维护一个“用户ID”到“WebSocketSession”的映射关系。

例如，当用户登录成功并通过WebSocket连接时，你可以将用户的ID与对应的WebSocketSession关联起来：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.Map;

// ... 其他import

@Component
public class MyTextWebSocketHandler extends TextWebSocketHandler {

    // 存储所有在线session，key可以是用户ID，value是WebSocketSession
    private static final Map<String, WebSocketSession> userSessions = new ConcurrentHashMap<>();

    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
        // 假设你可以从session中获取用户ID，例如通过认证信息或者URL参数
        String userId = extractUserIdFromSession(session); // 这是一个你需要实现的方法
        if (userId != null) {
            userSessions.put(userId, session);
            System.out.println("用户 " + userId + " 连接建立: " + session.getId());
        }
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {
        // 在连接关闭时移除对应的session
        userSessions.entrySet().removeIf(entry -> entry.getValue().equals(session));
        System.out.println("连接关闭: " + session.getId() + ", 当前在线用户数: " + userSessions.size());
    }

    // 定向发送消息给某个用户
    public static void sendMessageToUser(String userId, String message) {
        WebSocketSession session = userSessions.get(userId);
        if (session != null && session.isOpen()) {
            try {
                session.sendMessage(new TextMessage(message));
                System.out.println("向用户 " + userId + " 发送消息: " + message);
            } catch (IOException e) {
                System.err.println("发送消息到用户 " + userId + " 失败: " + e.getMessage());
            }
        } else {
            System.out.println("用户 " + userId + " 不在线或会话已关闭。");
        }
    }

    // 示例：如何从session中获取用户ID（实际情况可能通过认证令牌等）
    private String extractUserIdFromSession(WebSocketSession session) {
        // 实际应用中，这部分会涉及安全认证，例如从Spring Security的Principal中获取
        // 或者从WebSocket握手时的HTTP头、URL参数中解析
        // 简单示例：假设客户端连接时URL是 /ws?userId=xxx
        String query = session.getUri() != null ? session.getUri().getQuery() : null;
        if (query != null && query.contains("userId=")) {
            return query.split("userId=")[1].split("&")[0];
        }
        return null;
    }
}

在实际应用中，extractUserIdFromSession这部分会非常关键，它通常涉及到与你的用户认证系统集成。你可能需要从WebSocket握手请求的HTTP头中获取JWT令牌，然后解析出用户ID。

定向推送的挑战在于，如果一个用户在不同设备或浏览器上建立了多个WebSocket连接，你可能需要一个Map>来存储一个用户ID对应的所有session，以便将消息推送到该用户的所有在线客户端。

WebSocket服务端在高并发场景下可能遇到哪些挑战及解决方案？

当你的WebSocket服务需要支撑成千上万甚至百万级的并发连接时，一些潜在的挑战就会浮出水面，这需要我们在系统设计时就有所考量。

1. 连接管理与内存消耗：

每个WebSocket连接都会占用服务器一定的内存资源，包括会话对象、缓冲区等。在高并发下，这些累积的内存开销可能非常巨大。

• 挑战：内存溢出（OOM）、GC暂停时间过长导致服务响应变慢甚至卡顿。
• 解决方案：
  • 优化Session存储：避免在Session对象中存储过多的业务数据。
  • 使用高效的并发集合：如ConcurrentHashMap，而不是同步锁或CopyOnWriteArraySet（在高写入场景下效率不高）。
  • JVM参数调优：合理配置堆内存大小、GC策略。
  • 连接池/资源回收：确保连接断开时资源能被及时释放。

2. 消息处理与I/O瓶颈：

大量的消息发送和接收会产生大量的I/O操作。如果处理不当，可能导致线程阻塞，影响整体吞吐量。

• 挑战：线程池耗尽、消息积压、发送延迟。
• 解决方案：
  • 异步消息处理：将消息的业务逻辑处理从WebSocket I/O线程中剥离，放到独立的线程池或消息队列中处理。例如，接收到消息后，将其放入一个内部队列，由消费者线程异步处理，避免阻塞WebSocket连接的读写。
  • NIO/AIO框架：Spring WebSocket底层通常会使用Netty或Tomcat的NIO实现，它们本身就是非阻塞的。但业务逻辑层仍需注意避免阻塞。
  • 限流与熔断：防止恶意或过载的客户端导致服务器崩溃。

3. 跨服务器实例的会话管理（集群部署）：

当你的WebSocket服务需要进行水平扩展，部署多个实例时，如何确保消息能够推送到正确的客户端，无论它连接到哪个服务器实例，是一个核心问题。

• 挑战：单个服务器实例无法感知其他实例上的连接，导致定向推送失败或广播不完整。
• 解决方案：
  • 共享会话存储：使用外部的、可共享的存储来管理所有活跃的WebSocket会话信息，例如Redis。当一个实例需要向某个用户发送消息时，它首先查询Redis，找到该用户连接所在的实例IP和端口，然后通过内部RPC或消息队列将消息转发给目标实例。
  • 消息中间件：引入消息队列（如Kafka、RabbitMQ）作为消息总线。所有业务服务将需要推送的消息发送到消息队列的特定Topic。所有WebSocket服务器实例都订阅这个Topic，当它们收到消息时，判断消息是否需要发送给当前实例上的连接，如果是，则进行推送。这是一种非常常见的、可伸缩的实时推送系统架构。
  • Sticky Session (粘性会话)：通过负载均衡器（如Nginx、HAProxy）的配置，确保同一个客户端的WebSocket连接总是路由到同一个服务器实例。这虽然简化了服务器端会话管理，但降低了负载均衡的灵活性，并且如果某个实例宕机，其上的所有连接都会断开，需要客户端重连。通常不推荐作为高可用方案。

4. 认证与授权：

在高并发下，每次连接的认证和后续消息的授权都需要高效执行。

• 挑战：认证过程耗时、授权逻辑复杂。
• 解决方案：
  • JWT令牌：在WebSocket握手阶段，通过HTTP头传递JWT令牌进行认证。服务器解析令牌，获取用户身份信息，并将其关联到WebSocketSession。后续消息处理时，直接使用会话中已认证的身份，避免重复认证。
  • 与现有安全框架集成：例如Spring Security可以与Spring WebSocket很好地集成，利用其认证授权机制。

总的来说，构建高并发的Java WebSocket服务，不仅仅是写几行代码那么简单，它更像是一个系统工程，需要你对网络通信、并发编程、分布式系统有深入的理解，并结合实际业务场景进行权衡和设计。

好了，本文到此结束，带大家了解了《Java实现WebSocket服务端教程》，希望本文对你有所帮助！关注golang学习网公众号，给大家分享更多文章知识！