聊聊分散式下的WebSocket解決方案

Java全能架構師發表於2020-09-24

分散式Web

前言

最近王子自己搭建了個專案，專案本身很簡單，但是裡面有使用WebSocket進行訊息提醒的功能，大體情況是這樣的。

釋出訊息者在系統中傳送訊息，實時的把訊息推送給對應的一個部門下的所有人。

這裡面如果是單機應用的情況時，我們可以通過部門的id和使用者的id組成一個唯一的key，與應用伺服器建立WebSocket長連線，然後就可以接收到釋出訊息者傳送的訊息了。

但是真正把專案應用於生產環境中時，我們是不可能就部署一個單機應用的，而是要部署一個叢集。

所以王子通過Nginx+兩臺Tomcat搭建了一個簡單的負載均衡叢集，作為測試使用，搭建步驟可以看一下這篇文章：Windows下使用Nginx+Tomcat做負載均衡

但是問題出現了，我們的客戶端瀏覽器只會與一臺伺服器建立WebSocket長連線，所以釋出訊息者在傳送訊息時，就沒法保證所有目標部門的人都能接收到訊息（因為這些人連線的可能不是一個伺服器）。

本篇文章就是針對於這麼一個問題展開討論，提出一種解決方案，當然解決方案不止一種，那我們開始吧。

WebSocket單體應用介紹

在介紹分散式叢集之前，我們先來看一下王子的WebSocket程式碼實現，先來看java後端程式碼如下：

import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.PathParam;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.JSONObject;import java.io.IOException;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

@ServerEndpoint("/webSocket/{key}")
public class WebSocket {
    private static int onlineCount = 0;
    /**
     * 儲存連線的客戶端
     */
    private static Map<String, WebSocket> clients = new ConcurrentHashMap<String, WebSocket>();
    private Session session;
    /**
     * 傳送的目標科室code
     */
    private String key;

    @OnOpen
    public void onOpen(@PathParam("key") String key, Session session) throws IOException {
        this.key = key;
        this.session = session;
        if (!clients.containsKey(key)) {
            addOnlineCount();
        }
        clients.put(key, this);
        Log.info(key+"已連線訊息服務！");
    }

    @OnClose
    public void onClose() throws IOException {
        clients.remove(key);
        subOnlineCount();
    }

    @OnMessage
    public void onMessage(String message) throws IOException {
        if(message.equals("ping")){
            return ;
        }
        JSONObject jsonTo = JSON.parseObject(message);
        String mes = (String) jsonTo.get("message");
        if (!jsonTo.get("to").equals("All")){
            sendMessageTo(mes, jsonTo.get("to").toString());
        }else{
            sendMessageAll(mes);
        }
    }

    @OnError
    public void onError(Session session, Throwable error) {
        error.printStackTrace();
    }

    private void sendMessageTo(String message, String To) throws IOException {
        for (WebSocket item : clients.values()) {
            if (item.key.contains(To) )
                item.session.getAsyncRemote().sendText(message);
        }
    }

    private void sendMessageAll(String message) throws IOException {
        for (WebSocket item : clients.values()) {
            item.session.getAsyncRemote().sendText(message);
        }
    }

    public static synchronized int getOnlineCount() {
        return onlineCount;
    }

    public static synchronized void addOnlineCount() {
        WebSocket.onlineCount++;
    }

    public static synchronized void subOnlineCount() {
        WebSocket.onlineCount--;
    }

    public static synchronized Map<String, WebSocket> getClients() {
        return clients;
    }
}

示例程式碼中並沒有使用Spring，用的是原生的java web編寫的，簡單和大家介紹一下里面的方法。

onOpen：在客戶端與WebSocket服務連線時觸發方法執行

onClose：在客戶端與WebSocket連線斷開的時候觸發執行

onMessage：在接收到客戶端傳送的訊息時觸發執行

onError：在發生錯誤時觸發執行

可以看到，在onMessage方法中，我們直接根據客戶端傳送的訊息，進行訊息的轉發功能，這樣在單體訊息服務中是沒有問題的。

再來看一下js程式碼

var host = document.location.host;

    // 獲得當前登入科室
    var deptCodes='${sessionScope.$UserContext.departmentID}';
    deptCodes=deptCodes.replace(/[\[|\]|\s]+/g, "");
    var key = '${sessionScope.$UserContext.userID}'+deptCodes;
    var lockReconnect = false;  //避免ws重複連線
    var ws = null;          // 判斷當前瀏覽器是否支援WebSocket
    var wsUrl = 'ws://' + host + '/webSocket/'+ key;
    createWebSocket(wsUrl);   //連線ws

    function createWebSocket(url) {
        try{
            if('WebSocket' in window){
                ws = new WebSocket(url);
            }else if('MozWebSocket' in window){  
                ws = new MozWebSocket(url);
            }else{
                  layer.alert("您的瀏覽器不支援websocket協議,建議使用新版谷歌、火狐等瀏覽器，請勿使用IE10以下瀏覽器，360瀏覽器請使用極速模式，不要使用相容模式！"); 
            }
            initEventHandle();
        }catch(e){
            reconnect(url);
            console.log(e);
        }     
    }

    function initEventHandle() {
        ws.onclose = function () {
            reconnect(wsUrl);
            console.log("llws連線關閉!"+new Date().toUTCString());
        };
        ws.onerror = function () {
            reconnect(wsUrl);
            console.log("llws連線錯誤!");
        };
        ws.onopen = function () {
            heartCheck.reset().start();      //心跳檢測重置
            console.log("llws連線成功!"+new Date().toUTCString());
        };
        ws.onmessage = function (event) {    //如果獲取到訊息，心跳檢測重置
            heartCheck.reset().start();      //拿到任何訊息都說明當前連線是正常的//接收到訊息實際業務處理
　　　　　　　 ...
        };
    }
    // 監聽視窗關閉事件，當視窗關閉時，主動去關閉websocket連線，防止連線還沒斷開就關閉視窗，server端會拋異常。
    window.onbeforeunload = function() {
        ws.close();
    }  

    function reconnect(url) {
        if(lockReconnect) return;
        lockReconnect = true;
        setTimeout(function () {     //沒連線上會一直重連，設定延遲避免請求過多
            createWebSocket(url);
            lockReconnect = false;
        }, 2000);
    }

    //心跳檢測
    var heartCheck = {
        timeout: 300000,        //5分鐘發一次心跳
        timeoutObj: null,
        serverTimeoutObj: null,
        reset: function(){
            clearTimeout(this.timeoutObj);
            clearTimeout(this.serverTimeoutObj);
            return this;
        },
        start: function(){
            var self = this;
            this.timeoutObj = setTimeout(function(){
                //這裡傳送一個心跳，後端收到後，返回一個心跳訊息，
                //onmessage拿到返回的心跳就說明連線正常
                ws.send("ping");
                console.log("ping!")
                self.serverTimeoutObj = setTimeout(function(){//如果超過一定時間還沒重置，說明後端主動斷開了
                    ws.close();     //如果onclose會執行reconnect，我們執行ws.close()就行了.如果直接執行reconnect 會觸發onclose導致重連兩次
                }, self.timeout)
            }, this.timeout)
        }
　　}

js部分使用的是原生H5編寫的，如果為了更好的相容瀏覽器，也可以使用SockJS，有興趣小夥伴們可以自行百度。

接下來我們就手動的優化程式碼，實現WebSocket對分散式架構的支援。

解決方案的思考

現在我們已經瞭解單體應用下的程式碼結構，也清楚了WebSocket在分散式環境下面臨的問題，那麼是時候思考一下如何能夠解決這個問題了。

我們先來看一看發生這個問題的根本原因是什麼。

簡單思考一下就能明白，單體應用下只有一臺伺服器，所有的客戶端連線的都是這一臺訊息伺服器，所以當釋出訊息者傳送訊息時，所有的客戶端其實已經全部與這臺伺服器建立了連線，直接群發訊息就可以了。

換成分散式系統後，假如我們有兩臺訊息伺服器，那麼客戶端通過Nginx負載均衡後，就會有一部分連線到其中一臺伺服器，另一部分連線到另一臺伺服器，所以釋出訊息者傳送訊息時，只會傳送到其中的一臺伺服器上，而這臺訊息伺服器就可以執行群發操作，但問題是，另一臺伺服器並不知道這件事，也就無法傳送訊息了。

現在我們知道了根本原因是生產訊息時，只有一臺訊息伺服器能夠感知到，所以我們只要讓另一臺訊息伺服器也能感知到就可以了，這樣感知到之後，它就可以群發訊息給連線到它上邊的客戶端了。

那麼什麼方法可以實現這種功能呢，王子很快想到了引入訊息中介軟體，並使用它的釋出訂閱模式來通知所有訊息伺服器就可以了。

引入RabbitMQ解決分散式下的WebSocket問題

在訊息中介軟體的選擇上，王子選擇了RabbitMQ，原因是它的搭建比較簡單，功能也很強大，而且我們只是用到它群發訊息的功能。

RabbitMQ有一個廣播模式（fanout），我們使用的就是這種模式。

首先我們寫一個RabbitMQ的連線類：

import com.rabbitmq.client.Connection;
import com.rabbitmq.client.ConnectionFactory;

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


public class RabbitMQUtil {
    private static Connection connection;

    /**
     * 與rabbitmq建立連線
     * @return
     */
    public static Connection getConnection() {
        if (connection != null&&connection.isOpen()) {
            return connection;
        }

        ConnectionFactory factory = new ConnectionFactory();
        factory.setVirtualHost("/");
        factory.setHost("192.168.220.110"); // 用的是虛擬IP地址
        factory.setPort(5672);
        factory.setUsername("guest");
        factory.setPassword("guest");

        try {
            connection = factory.newConnection();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (TimeoutException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return connection;
    }
}

這個類沒什麼說的，就是獲取MQ連線的一個工廠類。

然後按照我們的思路，就是每次伺服器啟動的時候，都會建立一個MQ的消費者監聽MQ的訊息，王子這裡測試使用的是Servlet的監聽器，如下：

import javax.servlet.ServletContextEvent;
import javax.servlet.ServletContextListener;


public class InitListener implements ServletContextListener {
    @Override
    public void contextInitialized(ServletContextEvent servletContextEvent) {
        WebSocket.init();
    }

    @Override
    public void contextDestroyed(ServletContextEvent servletContextEvent) {

    }
}

記得要在Web.xml中配置監聽器資訊

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<web-app xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_4_0.xsd"
         version="4.0">
    <listener>
        <listener-class>InitListener</listener-class>
    </listener>
</web-app>

WebSocket中增加init方法，作為MQ消費者部分

public  static void init() {
        try {
            Connection connection = RabbitMQUtil.getConnection();
            Channel channel = connection.createChannel();
            //交換機宣告（引數為：交換機名稱；交換機型別）
            channel.exchangeDeclare("fanoutLogs",BuiltinExchangeType.FANOUT);
            //獲取一個臨時佇列
            String queueName = channel.queueDeclare().getQueue();
            //佇列與交換機繫結（引數為：佇列名稱；交換機名稱；routingKey忽略）
            channel.queueBind(queueName,"fanoutLogs","");


            //這裡重寫了DefaultConsumer的handleDelivery方法，因為傳送的時候對訊息進行了getByte()，在這裡要重新組裝成String
            Consumer consumer = new DefaultConsumer(channel) {
                @Override
                public void handleDelivery(String consumerTag, Envelope envelope, AMQP.BasicProperties properties, byte[] body) throws IOException {
                    super.handleDelivery(consumerTag, envelope, properties, body);
                    String message = new String(body,"UTF-8");
                    System.out.println(message);
　　　　　　　　　　　　//這裡可以使用WebSocket通過訊息內容傳送訊息給對應的客戶端
                }
            };

            //宣告佇列中被消費掉的訊息（引數為：佇列名稱；訊息是否自動確認;consumer主體）
            channel.basicConsume(queueName,true,consumer);
            //這裡不能關閉連線，呼叫了消費方法後，消費者會一直連線著rabbitMQ等待消費
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

同時在接收到訊息時，不是直接通過WebSocket傳送訊息給對應客戶端，而是傳送訊息給MQ，這樣如果訊息伺服器有多個，就都會從MQ中獲得訊息，之後通過獲取的訊息內容再使用WebSocket推送給對應的客戶端就可以了。

WebSocket的onMessage方法增加內容如下：

try {
            //嘗試獲取一個連線
            Connection connection = RabbitMQUtil.getConnection();
            //嘗試建立一個channel
            Channel channel = connection.createChannel();
            //宣告交換機（引數為：交換機名稱; 交換機型別，廣播模式）
            channel.exchangeDeclare("fanoutLogs", BuiltinExchangeType.FANOUT);
            //訊息釋出（引數為：交換機名稱; routingKey，忽略。在廣播模式中，生產者宣告交換機的名稱和型別即可）
            channel.basicPublish("fanoutLogs","", null,msg.getBytes("UTF-8"));
            System.out.println("釋出訊息");
            channel.close();
        } catch (IOException |TimeoutException e) {
            e.printStackTrace();
        }