WebSocket 性能优化：从理论到实践

在前四篇文章中,我们深入探讨了 WebSocket 的基础原理、服务端开发、客户端实现和安全实践。今天,让我们把重点放在性能优化上,看看如何构建一个高性能的 WebSocket 应用。我曾在一个直播平台项目中,通过一系列优化措施,将单台服务器的并发连接数从 1 万提升到 10 万。

性能挑战

WebSocket 应用面临的主要性能挑战包括：

1. 连接管理
2. 内存使用
3. CPU 利用率
4. 网络带宽
5. 消息处理

让我们逐一解决这些问题。

连接池管理

实现高效的连接池：

// connection-pool.js
class ConnectionPool {
  constructor(options = {}) {
    this.options = {
      maxConnections: 100000,
      cleanupInterval: 60000,
      ...options
    }

    this.connections = new Map()
    this.groups = new Map()
    this.stats = new Stats()

    this.initialize()
  }

  // 初始化连接池
  initialize() {
    // 启动定期清理
    this.cleanupTimer = setInterval(() => {
      this.cleanup()
    }, this.options.cleanupInterval)

    // 监控连接数
    this.stats.gauge('connections.total', () => this.connections.size)
    this.stats.gauge('connections.active', () => this.getActiveConnections().size)
  }

  // 添加连接
  addConnection(id, connection) {
    // 检查连接数限制
    if (this.connections.size >= this.options.maxConnections) {
      throw new Error('Connection limit reached')
    }

    this.connections.set(id, {
      connection,
      createdAt: Date.now(),
      lastActivity: Date.now(),
      metadata: new Map(),
      groups: new Set()
    })

    this.stats.increment('connections.created')
    this.emit('connection:added', { id })
  }

  // 移除连接
  removeConnection(id) {
    const conn = this.connections.get(id)
    if (!conn) return false

    // 从所有组中移除
    conn.groups.forEach(group => {
      this.removeFromGroup(id, group)
    })

    this.connections.delete(id)
    this.stats.increment('connections.removed')
    this.emit('connection:removed', { id })

    return true
  }

  // 获取连接
  getConnection(id) {
    return this.connections.get(id)
  }

  // 更新连接活动时间
  updateActivity(id) {
    const conn = this.connections.get(id)
    if (conn) {
      conn.lastActivity = Date.now()
    }
  }

  // 添加到组
  addToGroup(connectionId, group) {
    const conn = this.connections.get(connectionId)
    if (!conn) return false

    if (!this.groups.has(group)) {
      this.groups.set(group, new Set())
    }

    this.groups.get(group).add(connectionId)
    conn.groups.add(group)

    this.stats.increment('groups.members.added')
    this.emit('group:member:added', { group, connectionId })

    return true
  }

  // 从组中移除
  removeFromGroup(connectionId, group) {
    const groupSet = this.groups.get(group)
    if (!groupSet) return false

    const conn = this.connections.get(connectionId)
    if (!conn) return false

    groupSet.delete(connectionId)
    conn.groups.delete(group)

    // 如果组为空,删除组
    if (groupSet.size === 0) {
      this.groups.delete(group)
    }

    this.stats.increment('groups.members.removed')
    this.emit('group:member:removed', { group, connectionId })

    return true
  }

  // 广播到组
  broadcastToGroup(group, message, excludeId = null) {
    const groupSet = this.groups.get(group)
    if (!groupSet) return 0

    let count = 0
    groupSet.forEach(id => {
      if (id !== excludeId) {
        const conn = this.connections.get(id)
        if (conn && this.sendMessage(id, message)) {
          count++
        }
      }
    })

    this.stats.in