Java21 + SpringBoot3集成WebSocket

前言

近日心血来潮想做一个开源项目，目标是做一款可以适配多端、功能完备的模板工程，包含后台管理系统和前台系统，开发者基于此项目进行裁剪和扩展来完成自己的功能开发。
本项目为前后端分离开发，后端基于Java21和SpringBoot3开发，前端提供了vue、angular、react、uniapp、微信小程序等多种脚手架工程。
本文主要介绍项目中如何集成WebSocket实现服务器端与客户端的双向通信。

相关技术简介

什么是WebSocket

WebSocket 是一种网络通信协议。RFC6455 定义了它的通信标准。
http是一种无状态，无连接，单向的应用层协议，它采用了请求/响应模型，通信请求只能由客户端发起，服务端对请求做出应答处理。这样的弊端显然是很大的，只要服务端状态连续变化，客户端就必须实时响应，都是通过javascript与ajax进行轮询，这样显然是非常麻烦的，同时轮询的效率低，非常的浪费资源(http一直打开，一直重复的连接)。
于是就有了WebSocket，它是一种全面双工通讯的网络技术，任意一方都可以建立连接将数据推向另一方，WebSocket只需要建立一次连接，就可以一直保持。

WebSocket的原理

1. WebSocket约定了一个通信的规范，通过一个握手的机制，客户端和服务器之间能建立一个类似tcp的连接，从而方便它们之间的通信
2. 在WebSocket出现之前，web交互一般是基于http协议的短连接或者长连接
3. WebSocket是一种全新的协议，不属于http无状态协议，协议名为"ws"

WebSocket与HTTP协议的关系

WebSocket优点

1. 减少请求费时费资源：是真正的全双工方式，建立连接后，服务器与客户端时完全对等的，可以相互请求，减少了不必要的网络请求时间损耗和网络流量；
2. 更持久：WebSocket协议通过第一个request建立TCP连接后，只要不主动关闭，就能一直保持连接状态交换数据；
3. 服务端可以主动向客户端发送消息；

WebSocket应用场景

社交聊天、弹幕、多玩家游戏、协同编辑、股票基金实时报价、体育实况更新、视频会议/聊天、基于位置的应用、在线教育、智能家居等需要高实时的场景都可以使用WebSocket技术实现。

实现方式

本项目后端基于Java 21和SpringBoot3开发，前端基于Vue3实现。

1. 添加maven依赖

<dependency>
  <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
  <version>3.2.0</version>
</dependency>

2. 添加WebSocket配置类，定义ServerEndpointExporter Bean

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig {
    /**
     * 注入ServerEndpointExporter，
     * 这个bean会自动注册使用了@ServerEndpoint注解声明的WebSocket Endpoint
     */
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}

3. 定义WebSocket Endpoint

/**
 * 消息提醒计数WebSocket
 */
@ServerEndpoint("/ws/test/{userId}")
@Component
@Slf4j
public class TestWebSocketServer {
    /**
     * 与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据
     */
    private Session session;
    /**
     * 用户ID
     */
    private Long userId;
    /**
     * concurrent包的线程安全Set，用来存放每个客户端对应的MyWebSocket对象。
     * 虽然@Component默认是单例模式的，但springboot还是会为每个websocket连接初始化一个bean，所以可以用一个静态set保存起来。
     */
    private static final CopyOnWriteArraySet<MessageCountWebSocketServer> webSockets = new CopyOnWriteArraySet<>();
    /**
     * 用来存在线连接用户信息
     */
    private static final ConcurrentHashMap<Long, Session> sessionPool = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 链接成功调用的方法
     */
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session, @PathParam(value = "userId") Long userId) {
        this.session = session;
        this.userId = userId;
        webSockets.add(this);
        sessionPool.put(userId, session);
        log.info("建立与UserID：{}的消息提醒计数连接", userId);
    }

    /**
     * 链接关闭调用的方法
     */
    @OnClose
    public void onClose() {
        webSockets.remove(this);
        sessionPool.remove(this.userId);
        log.info("关闭与UserID：{}的消息提醒计数连接", userId);
    }

    /**
     * 收到客户端消息后调用的方法
     */
    @OnMessage
    public void onMessage(String message) {
        log.info("接收到UserID：{}的消息{}", userId, message);
    }

    /**
     * 发送错误时的处理
     */
    @OnError
    public void onError(Session session, Throwable error) {
        log.error("发送到UserID：{}的消息传输失败", userId, error);
    }

    /**
     * 广播消息
     *
     * @param message
     */
    public void sendAllMessage(String message) {
        for (MessageCountWebSocketServer socketServer : webSockets) {
            if (socketServer.session.isOpen()) {
                socketServer.session.getAsyncRemote().sendText(message);
            }
        }
    }

    /**
     * 单人单播消息
     *
     * @param userId
     * @param message
     */
    public void sendOneMessage(Long userId, String message) {
        Session session = sessionPool.get(userId);
        if (session != null && session.isOpen()) {
            session.getAsyncRemote().sendText(message);
        }
    }

    /**
     * 多人单播消息
     *
     * @param userIds
     * @param message
     */
    public void sendMoreMessage(Long[] userIds, String message) {
        for (Long userId : userIds) {
            Session session = sessionPool.get(userId);
            if (session != null && session.isOpen()) {
                session.getAsyncRemote().sendText(message);
            }
        }

    }
}

4. 前端创建WebSocket对象

以下代码基于Vue3的组合式API编写。

<script setup>
  import { onMounted, onBeforeMount } from 'vue';

  /**
   * @type {WebSocket}
   */
  let websocket = null;

  onMounted(async () => {
    initTestWebSocket();
  });

  onBeforeMount(async()=>{
    websocket && websocket.close();
  });

  const initTestWebSocket = async () => {
    const userId = '当前用户ID';
    console.log("尝试建立websockect连接");
    websocket = new WebSocket(`/ws/test/${userId}`);
    websocket.onopen = function (event) {
      console.log("建立连接");
    }
    websocket.onclose = function (event) {
      console.log('连接关闭')
      //尝试重连websocket
      reconnectMessageWebSocket();
    }
    //建立通信后，监听到后端的数据传递
    websocket.onmessage = function (event) {
      // 打印后端传来的数据
      console.log(event.data);
      // 调用WebSocket对象的send方法可向后端发送数据
      // websocket.send("test data");
    }
    websocket.onerror = function () {
      console.log("数据发送失败");
    }
    // 窗口关闭前关闭WebSocket连接
    window.onbeforeunload = function () {
      websocket.close();
    }
  };

  // 重连
  const reconnectMessageWebSocket = () => {
    console.log("正在重连");
    // 进行重连
    setTimeout(() => {
      initTestWebSocket();
    }, 1000);
  }
</script>

总结

本文介绍了WebSocket的相关概念，以及如何基于Java21、SpringBoot3和Vue3使用WebSocket，在使用过程中也遇到了一些问题。

• 执行mvn package或mvn test命令时报错

  请参阅 Java21 + SpringBoot3使用spring-websocket时执行mvn package报错。

• 如果后端使用Spring Security、Shiro或Sa-Token等技术，需要考虑使用@ServerEndpoint注解所配置url的权限控制问题。

我也会及时的更新后续实践中所遇到的问题，希望与诸位看官一起进步。
如有错误，还望批评指正。