WebSocket的应用

Tornado的异步特性使其非常适合处理高并发的业务，同时也适合那些需要在客户端和服务器之间维持长连接的业务。传统的基于HTTP协议的Web应用，服务器和客户端（浏览器）的通信只能由客户端发起，这种单向请求注定了如果服务器有连续的状态变化，客户端（浏览器）是很难得知的。事实上，今天的很多Web应用都需要服务器主动向客户端（浏览器）发送数据，我们将这种通信方式称之为“推送”。过去很长一段时间，程序员都是用定时轮询（Polling）或长轮询（Long Polling）等方式来实现“推送”，但是这些都不是真正意义上的“推送”，而且浪费资源且效率低下。在HTML5时代，可以通过一种名为WebSocket的技术在服务器和客户端（浏览器）之间维持传输数据的长连接，这种方式可以实现真正的“推送”服务。

WebSocket简介

WebSocket 协议在2008年诞生，2011年成为国际标准（RFC 6455），现在的浏览器都能够支持它，它可以实现浏览器和服务器之间的全双工通信。我们之前学习或了解过Python的Socket编程，通过Socket编程，可以基于TCP或UDP进行数据传输；而WebSocket与之类似，只不过它是基于HTTP来实现通信握手，使用TCP来进行数据传输。WebSocket的出现打破了HTTP请求和响应只能一对一通信的模式，也改变了服务器只能被动接受客户端请求的状况。目前有很多Web应用是需要服务器主动向客户端发送信息的，例如股票信息的网站可能需要向浏览器发送股票涨停通知，社交网站可能需要向用户发送好友上线提醒或聊天信息。

WebSocket的应用 - 图1

WebSocket的特点如下所示：

  1. 建立在TCP协议之上，服务器端的实现比较容易。
  2. 与HTTP协议有着良好的兼容性，默认端口是80（WS）和443（WSS），通信握手阶段采用HTTP协议，能通过各种 HTTP 代理服务器（不容易被防火墙阻拦）。
  3. 数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。
  4. 可以发送文本，也可以发送二进制数据。
  5. 没有同源策略的限制，客户端（浏览器）可以与任意服务器通信。

WebSocket的应用 - 图2

WebSocket服务器端编程

Tornado框架中有一个tornado.websocket.WebSocketHandler类专门用于处理来自WebSocket的请求，通过继承该类并重写open、on_message、on_close 等方法来处理WebSocket通信，下面我们对WebSocketHandler的核心方法做一个简单的介绍。

  1. open(*args, **kwargs)方法：建立新的WebSocket连接后，Tornado框架会调用该方法，该方法的参数与RequestHandler的get方法的参数类似，这也就意味着在open方法中可以执行获取请求参数、读取Cookie信息这样的操作。

  2. on_message(message)方法：建立WebSocket之后，当收到来自客户端的消息时，Tornado框架会调用该方法，这样就可以对收到的消息进行对应的处理，必须重写这个方法。

  3. on_close()方法：当WebSocket被关闭时，Tornado框架会调用该方法，在该方法中可以通过close_code和close_reason了解关闭的原因。

  4. write_message(message, binary=False)方法：将指定的消息通过WebSocket发送给客户端，可以传递utf-8字符序列或者字节序列，如果message是一个字典，将会执行JSON序列化。正常情况下，该方法会返回一个Future对象；如果WebSocket被关闭了，将引发WebSocketClosedError。

  5. set_nodelay(value)方法：默认情况下，因为TCP的Nagle算法会导致短小的消息被延迟发送，在考虑到交互性的情况下就要通过将该方法的参数设置为True来避免延迟。

  6. close(code=None, reason=None)方法：主动关闭WebSocket，可以指定状态码（详见RFC 6455 7.4.1节）和原因。

WebSocket客户端编程

  1. 创建WebSocket对象。

    1. var webSocket = new WebSocket('ws://localhost:8000/ws');

    说明：webSocket对象的readyState属性表示该对象当前状态，取值为CONNECTING-正在连接，OPEN-连接成功可以通信，CLOSING-正在关闭，CLOSED-已经关闭。

  2. 编写回调函数。

    1. webSocket.onopen = function(evt) { webSocket.send('...'); };
    2. webSocket.onmessage = function(evt) { console.log(evt.data); };
    3. webSocket.onclose = function(evt) {};
    4. webSocket.onerror = function(evt) {};

    说明：如果要绑定多个事件回调函数，可以用addEventListener方法。另外，通过事件对象的data属性获得的数据可能是字符串，也有可能是二进制数据，可以通过webSocket对象的binaryType属性（blob、arraybuffer）或者通过typeof、instanceof运算符检查类型进行判定。

项目：Web聊天室

  1. """
  2. handlers.py - 用户登录和聊天的处理器
  3. """
  4. import tornado.web
  5. import tornado.websocket
  7. nicknames = set()
  8. connections = {}
  11. class LoginHandler(tornado.web.RequestHandler):
  13.     def get(self):
  14.         self.render('login.html', hint='')
  16.     def post(self):
  17.         nickname = self.get_argument('nickname')
  18.         if nickname in nicknames:
  19.             self.render('login.html', hint='昵称已被使用，请更换昵称')
  20.         self.set_secure_cookie('nickname', nickname)
  21.         self.render('chat.html')
  24. class ChatHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):
  26.     def open(self):
  27.         nickname = self.get_secure_cookie('nickname').decode()
  28.         nicknames.add(nickname)
  29.         for conn in connections.values():
  30.             conn.write_message(f'~~~{nickname}进入了聊天室~~~')
  31.         connections[nickname] = self
  33.     def on_message(self, message):
  34.         nickname = self.get_secure_cookie('nickname').decode()
  35.         for conn in connections.values():
  36.             if conn is not self:
  37.                 conn.write_message(f'{nickname}说：{message}')
  39.     def on_close(self):
  40.         nickname = self.get_secure_cookie('nickname').decode()
  41.         del connections[nickname]
  42.         nicknames.remove(nickname)
  43.         for conn in connections.values():
  44.             conn.write_message(f'~~~{nickname}离开了聊天室~~~')
  1. """
  2. run_chat_server.py - 聊天服务器
  3. """
  4. import os
  6. import tornado.web
  7. import tornado.ioloop
  9. from handlers import LoginHandler, ChatHandler
  12. if __name__ == '__main__':
  13.     app = tornado.web.Application(
  14.         handlers=[(r'/login', LoginHandler), (r'/chat', ChatHandler)],
  15.         template_path=os.path.join(os.path.dirname(__file__), 'templates'),
  16.         static_path=os.path.join(os.path.dirname(__file__), 'static'),
  17.         cookie_secret='MWM2MzEyOWFlOWRiOWM2MGMzZThhYTk0ZDNlMDA0OTU=',
  18.     )
  19.     app.listen(8888)
  20.     tornado.ioloop.IOLoop.current().start()
  1. <!-- login.html -->
  2. <!DOCTYPE html>
  3. <html lang="en">
  4. <head>
  5.     <meta charset="utf-8">
  6.     <title>Tornado聊天室</title>
  7.     <style>
  8.         .hint { color: red; font-size: 0.8em; }
  9.     </style>
  10. </head>
  11. <body>
  12.     <div>
  13.         <div id="container">
  14.             <h1>进入聊天室</h1>
  15.             <hr>
  16.             <p class="hint">{{hint}}</p>
  17.             <form method="post" action="/login">
  18.                 <label>昵称：</label>
  19.                 <input type="text" placeholder="请输入你的昵称" name="nickname">
  20.                 <button type="submit">登录</button>
  21.             </form>
  22.         </div>
  23.     </div>
  24. </body>
  25. </html>
  1. <!-- chat.html -->
  2. <!DOCTYPE html>
  3. <html lang="en">
  4. <head>
  5.     <meta charset="UTF-8">
  6.     <title>Tornado聊天室</title>
  7. </head>
  8. <body>
  9.     <h1>聊天室</h1>
  10.     <hr>
  11.     <div>
  12.         <textarea id="contents" rows="20" cols="120" readonly></textarea>
  13.     </div>
  14.     <div class="send">
  15.         <input type="text" id="content" size="50">
  16.         <input type="button" id="send" value="发送">
  17.     </div>
  18.     <p>
  19.         <a id="quit" href="javascript:void(0);">退出聊天室</a>
  20.     </p>
  21.     <script src="https://cdn.bootcss.com/jquery/3.3.1/jquery.min.js"></script>
  22.     <script>
  23.         $(function() {
  24.             // 将内容追加到指定的文本区
  25.             function appendContent($ta, message) {
  26.                 var contents = $ta.val();
  27.                 contents += '\n' + message;
  28.                 $ta.val(contents);
  29.                 $ta[0].scrollTop = $ta[0].scrollHeight;
  30.             }
  31.             // 通过WebSocket发送消息
  32.             function sendMessage() {
  33.                 message = $('#content').val().trim();
  34.                 if (message.length > 0) {
  35.                     ws.send(message);
  36.                     appendContent($('#contents'), '我说：' + message);
  37.                     $('#content').val('');
  38.                 }
  39.             }
  40.             // 创建WebSocket对象
  41.             var ws= new WebSocket('ws://localhost:8888/chat');
  42.             // 连接建立后执行的回调函数
  43.             ws.onopen = function(evt) {
  44.                 $('#contents').val('~~~欢迎您进入聊天室~~~');
  45.             };
  46.             // 收到消息后执行的回调函数
  47.             ws.onmessage = function(evt) {
  48.                 appendContent($('#contents'), evt.data);
  49.             };
  50.             // 为发送按钮绑定点击事件回调函数
  51.             $('#send').on('click', sendMessage);
  52.             // 为文本框绑定按下回车事件回调函数
  53.             $('#content').on('keypress', function(evt) {
  54.                 keycode = evt.keyCode || evt.which;
  55.                 if (keycode == 13) {
  56.                     sendMessage();
  57.                 }
  58.             });
  59.             // 为退出聊天室超链接绑定点击事件回调函数
  60.             $('#quit').on('click', function(evt) {
  61.                 ws.close();
  62.                 location.href = '/login';
  63.             });
  64.         });
  65.     </script>
  66. </body>
  67. </html>