WebSocket的基本概念以及在Spring Boot中的应用

什么是 WebSocket

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议。它解决了传统 HTTP 协议”只能由客户端发起请求”的局限，让服务器可以主动向客户端推送数据。

简单来说：HTTP 是”你问我答”，WebSocket 是”随时都能聊”。

核心特性

1. 双向通信

HTTP 请求只能由客户端发起，服务器无法主动推送。WebSocket 建立连接后，双方可以随时互发消息，非常适合聊天、协同编辑等场景。

2. 实时性强

WebSocket 连接是持久的，数据一旦产生就可以立即发送，无需像 HTTP 那样每次重新建立连接，延迟极低。

3. 开销小

HTTP 每次请求都要携带完整的 Header（Cookie、User-Agent 等），而 WebSocket 在连接建立后，数据帧的头部最小只需 2 字节，非常适合高频、小数据量的场景。

工作原理

握手阶段（HTTP Upgrade）

WebSocket 连接始于一次特殊的 HTTP 请求：

GET /ws HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器同意后返回：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

101 Switching Protocols 表示协议切换成功，之后的通信就走 WebSocket 协议了。

数据传输阶段

握手成功后，TCP 连接保持打开，双方通过数据帧（Frame） 交换消息。WebSocket 支持文本和二进制两种数据类型。

连接关闭阶段

任意一方都可以发送关闭帧来优雅终止连接，另一方回复确认后，TCP 连接关闭。

WebSocket vs HTTP

特性	WebSocket	HTTP
通信方式	全双工，双方随时互发	半双工，客户端请求-服务端响应
连接模型	持久连接（一次握手，长期复用）	短连接（请求-响应后关闭）或 HTTP/2 多路复用
数据开销	连接建立后头部最小 2 字节	每次请求/响应都携带完整 Header
实时性	原生支持，服务端可主动推送	需借助轮询或 SSE 模拟
典型场景	聊天、游戏、行情推送、协同编辑	网页浏览、REST API、表单提交
协议标识	ws://（明文）/ wss://（加密）	http:// / https://

在 Spring Boot 中的应用

下面演示如何在 Spring Boot 项目中集成 WebSocket，实现一个简单的消息广播功能。

1. 引入依赖

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

2. 配置类

启用 WebSocket 支持，并注册处理器和拦截器：

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {

    @Autowired
    private WebSocketDemoHandler webSocketDemoHandler;

    @Autowired
    private WebSocketDemoInterceptor webSocketDemoInterceptor;

    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
        registry.addHandler(webSocketDemoHandler, "/ws")
                .addInterceptors(webSocketDemoInterceptor)
                .setAllowedOrigins("*"); // 生产环境建议指定具体域名
    }
}

3. 拦截器

拦截器在握手前后执行，可用于鉴权、参数提取等：

@Component
public class WebSocketDemoInterceptor implements HandshakeInterceptor {

    @Override
    public boolean beforeHandshake(ServerHttpRequest request,
                                   ServerHttpResponse response,
                                   WebSocketHandler wsHandler,
                                   Map<String, Object> attributes) {
        // 从请求参数或 Header 中提取用户信息
        String username = request.getURI().getQuery(); // 示例：ws://host/ws?username=tom
        if (username == null || username.isBlank()) {
            return false; // 拒绝握手
        }
        attributes.put("username", username);
        return true; // 允许握手
    }

    @Override
    public void afterHandshake(ServerHttpRequest request,
                               ServerHttpResponse response,
                               WebSocketHandler wsHandler,
                               Exception exception) {
        // 握手后的处理逻辑（可选）
    }
}

4. 消息处理器

核心业务逻辑在这里，负责连接管理、消息收发和广播：

@Slf4j
@Component
public class WebSocketDemoHandler extends TextWebSocketHandler {

    /** 存放所有在线连接 */
    private static final Map<String, WebSocketSession> SESSION_MAP = new ConcurrentHashMap<>();

    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) {
        String username = (String) session.getAttributes().get("username");
        SESSION_MAP.put(username, session);
        log.info("用户 [{}] 连接成功，当前在线人数：{}", username, SESSION_MAP.size());
    }

    @Override
    protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
        String payload = message.getPayload();
        log.info("收到消息：{}", payload);

        // 广播消息给所有在线用户
        for (WebSocketSession s : SESSION_MAP.values()) {
            if (s.isOpen()) {
                s.sendMessage(new TextMessage(payload));
            }
        }
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) {
        String username = (String) session.getAttributes().get("username");
        SESSION_MAP.remove(username);
        log.info("用户 [{}] 已断开连接，当前在线人数：{}", username, SESSION_MAP.size());
    }
}

5. 简单前端测试

用浏览器控制台快速测试连接：

const ws = new WebSocket('ws://localhost:8080/ws?username=tom');

ws.onopen = () => console.log('连接成功');
ws.onmessage = (e) => console.log('收到消息：', e.data);
ws.onclose = () => console.log('连接已关闭');

// 发送消息
ws.send('大家好！');

生产环境注意事项

1. 跨域限制：setAllowedOrigins("*") 仅用于开发环境，生产环境应指定具体域名。
2. 心跳检测：长时间无数据传输时，连接可能被中间代理（Nginx、负载均衡器）断开。建议实现 Ping/Pong 心跳机制。
3. 集群部署：多实例部署时，SESSION_MAP 无法跨节点共享。可借助 Redis Pub/Sub 或消息队列（如 RocketMQ）实现消息广播。
4. 连接数上限：单机 WebSocket 连接数受文件描述符限制，需根据业务量调整系统参数。
5. 安全加固：生产环境使用 wss:// 加密传输，并在拦截器中做好鉴权。

总结

• WebSocket 通过一次 HTTP 握手建立持久连接，之后实现全双工、低开销的实时通信。
• Spring Boot 通过 spring-boot-starter-websocket 可以快速集成，核心是实现 WebSocketHandler 和可选的 HandshakeInterceptor。
• 生产环境需要关注心跳保活、集群同步和安全防护等问题。

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参考资料：

• RFC 6455 - The WebSocket Protocol
• Spring Framework - WebSocket Support