基于注解方式实现在Tomcat8中实现WebSocket服务器接口的编写

pangyinglong

于 2020-12-06 16:11:31 发布

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分类专栏：物联网 java 文章标签： tomcat websocket

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/pangyinglong/article/details/110737200

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参考资料来源：https://blog.youkuaiyun.com/elinespace/article/details/52879839

前言：

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。

WebSocket优点：

HTML5 定义的 WebSocket 协议，能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯。

前端与后端数据传输过程：

浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求，连接建立以后，客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。当你获取 Web Socket 连接后，你可以通过 send() 方法来向服务器发送数据，并通过 onmessage 事件来接收服务器返回的数据。以下 API 用于创建 WebSocket 对象。

var Socket = new WebSocket(url, [protocol] );

WebSocket技术细节

根据JSR356的规定，Java WebSocket应用由一系列的WebSocket Endpoint组成。Endpoint是一个Java对象，代表WebSocket链接的一端，对于服务端，我们可以视为处理具体WebSocket消息的接口，就像Servlet之于HTTP请求一样（不同之处在于Endpoint每个链接一个实例）。
Endpoint实例在WebSocket握手时创建，并在客户端与服务端链接过程中有效，最后在链接关闭时结束。Endpoint接口明确定义了与其生命周期相关的方法，规范实现者确保在生命周期的各个阶段调用实例的相关方法。
Endpoint的生命周期方法如下：

onOpen：当开启一个新的会话时调用。这是客户端与服务器握手成功后调用的方法。等同于注解@OnOpen。
onClose：当会话关闭时调用。等同于注解@OnClose。
onError：当链接过程中异常时调用。等同于注解@OnError。

当客户端链接到一个Endpoint时，服务器端会为其创建一个唯一的会话（javax.websocket.Session）。会话在WebSocket握手之后创建，并在链接关闭时结束。当生命周期中触发各个事件时，都会将当前会话传给Endpoint。
我们通过为Session添加MessageHandler消息处理器来接收消息。当采用注解方式定义Endpoint时，我们还可以通过@OnMessage指定接收消息的方法。发送消息则由RemoteEndpoint完成，其实例由Session维护，根据使用情况，我们可以通过Session.getBasicRemote获取同步消息发送的实例或者通过Session.getAsyncRemote获取异步消息发送的实例。
WebSocket通过javax.websocket.WebSocketContainer接口维护应用中定义的所有Endpoint。它在每个Web应用中只有一个实例，类似于传统Web应用中的ServletContext。

WebSocket加载

Tomcat提供了一个javax.servlet.ServletContainerInitializer的实现类org.apache.tomcat.websocket.server.WsSci。因此Tomcat的WebSocket加载是通过SCI机制完成的。WsSci可以处理的类型有三种：添加了注解@ServerEndpoint的类、Endpoint的子类以及ServerApplicationConfig的实现类。
Web应用启动时，通过WsSci.onStartup方法完成WebSocket的初始化：

构造WebSocketContainer实例，Tomcat提供的实现类为WsServerContainer。在WsServerContainer构造方法中，Tomcat除了初始化配置外，还会为ServletContext添加一个过滤器org.apache.tomcat.websocket.server.WsFilter，它用于判断当前请求是否为WebSocket请求，以便完成握手。

对于扫描到的Endpoint子类和添加了注解@ServerEndpoint的类，如果当前应用存在ServerApplicationConfig实现，则通过ServerApplicationConfig获取Endpoint子类的配置（ServerEndpointConfig实例，包含了请求路径等信息）和符合条件的注解类，将结果注册到WebSocketContainer上，用于处理WebSocket请求。

通过ServerApplicationConfig接口我们以编程的方式确定只有符合一定规则的Endpoint可以注册到WebSocketContainer，而非所有。规范通过这种方式为我们提供了一种定制化机制。

如果当前应用没有定义ServerApplicationConfig的实现类，那么WsSci默认只将所有扫描到的注解式Endpoint注册到WebSocketContainer。因此，如果采用可编程方式定义Endpoint，那么必须添加ServerApplicationConfig实现。

websocket请求处理

当服务器接收到来自客户端的请求时，首先WsFilter会判断该请求是否是一个WebSocket Upgrade请求（即包含Upgrade: websocket头信息）。如果是，则根据请求路径查找对应的Endpoint处理类，并进行协议Upgrade。
在协议Upgrade过程中，除了检测WebSocket扩展、添加相关的转换外，最主要的是添加WebSocket相关的响应头信息、构造Endpoint实例、构造HTTP Upgrade处理类WsHttpUpgradeHandler。
将WsHttpUpgradeHandler传递给具体的Tomcat协议处理器（ProtocolHandler）进行Upgrade。接收到Upgrade的动作后，Tomcat的协议处理器（HTTP协议）不再使用原有的Processor处理请求，而是替换为专门的Upgrade Processor。
根据I/O的不同，Tomcat提供的Upgrade Processor实现如下：

org.apache.coyote.http11.upgrade.BioProcessor；
org.apache.coyote.http11.upgrade.NioProcessor；
org.apache.coyote.http11.upgrade.Nio2Processor；
org.apache.coyote.http11.upgrade.AprProcessor；

替换成功后，WsHttpUpgradeHandler会对Upgrade Processor进行初始化（按以下顺序）：

创建WebSocket会话。
为Upgrade Processor的输出流添加写监听器。WebSocket向客户端推送消息具体由org.apache.tomcat.websocket.server.WsRemoteEndpointImplServer完成。
构造WebSocket会话，执行当前Endpoint的onOpen方法。
为Upgrade Processor的输入流添加读监听器，完成消息读取。WebSocket读取客户端消息具体由org.apache.tomcat.websocket.server.WsFrameServer完成。

通过这种方式，Tomcat实现了WebSocket请求处理与具体I/O方式的解耦。

1、编程实现——基于Endpoint子类+ServerApplicationConfig类

Endpoint子类

public class ChatEndpoint extends Endpoint {
    private static final Set<ChatEndpoint> connections = new CopyOnWriteArraySet<>();
    private Session session;
    private static class ChatMessageHandler implements
            MessageHandler.Partial<String> {
        private Session session;
        private ChatMessageHandler(Session session){
            this.session = session;
        }
        @Override
        public void onMessage(String message, boolean last) {
            String msg = String.format("%s %s %s", session.getId(), "said:" ,message);
            broadcast(msg);
        }
    };
    @Override
    public void onOpen(Session session, EndpointConfig config) {
        this.session = session;
        connections.add(this);
        this.session.addMessageHandler(new ChatMessageHandler(session));
        String message = String.format("%s %s", session.getId(), "has joined.");
           broadcast(message);
    }
    @Override
    public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
        connections.remove(this);
        String message = String.format("%s %s", session.getId(),
                "has disconnected.");
        broadcast(message);
    }
    @Override
    public void onError(Session session, Throwable throwable) {
    }
    private static void broadcast(String msg) {
        for (ChatEndpoint client : connections) {
            try {
                synchronized (client) {
                    client.session.getBasicRemote().sendText(msg);
                }
            } catch (IOException e) {
                connections.remove(client);
                try {
                    client.session.close();
                } catch (IOException e1) {
                }
                String message = String.format("%s %s",
                        client.session.getId(), "has been disconnected.");
                broadcast(message);
            }
        }
    }
}

ServerApplicationConfig类

public class ChatServerApplicationConfig implements ServerApplicationConfig {
//负责处理注解类型    
    @Override
    public Set<Class<?>> getAnnotatedEndpointClasses(Set<Class<?>> scanned) {
        return scanned;
    }
//负责处理Enpoint类型
    @Override
    public Set<ServerEndpointConfig> getEndpointConfigs(
            Set<Class<? extends Endpoint>> scanned) {
        Set<ServerEndpointConfig> result = new HashSet<>();
        if (scanned.contains(ChatEndpoint.class)) {
            result.add(ServerEndpointConfig.Builder.create(
                    ChatEndpoint.class,
                    "/program/chat").build());
        }
        return result;
    }
}

2、编程实现——基于注解@ServerEndpoint(value = "访问路径")

@ServerEndpoint(value = "/anno/chat")
public class ChatAnnotation {
    private static final Set<ChatAnnotation> connections =
            new CopyOnWriteArraySet<>();
    private Session session;
    @OnOpen
    public void start(Session session) {
        this.session = session;
        connections.add(this);
        String message = String.format("%s %s", session.getId(), "has joined.");
        broadcast(message);
    }
    @OnClose
    public void end() {
        connections.remove(this);
        String message = String.format("%s %s", session.getId(), "has disconnected.");
        broadcast(message);
    }
    @OnMessage
public void incoming(String message) {
    String msg = String.format("%s %s %s", session.getId(), "said:" ,message);
        broadcast(msg);
    }
    @OnError
    public void onError(Throwable t) throws Throwable {
    }
    private static void broadcast(String msg) {
        for (ChatAnnotation client : connections) {
            try {
                synchronized (client) {
                    client.session.getBasicRemote().sendText(msg);
                }
            } catch (IOException e) {
                connections.remove(client);
                try {
                    client.session.close();
                } catch (IOException e1) {}
                String message = String.format("%s %s",client.session.getId(), "has been disconnected.");
                broadcast(message);
            }
        }
    }
}