如何使用Python实现WebScoket

大家好，后端开发领域迅速发展，需要满足今天应用程序多样化需求的协议。默认的HTTP协议设计用于无状态和短生命周期请求，但在需要实时交互的场景中（如实时信令、聊天应用和协同编辑），它显然不够。

为了解决这些局限，开发人员正在探索更好满足现代应用程序动态需求的替代协议。

所有提到的限制都可以通过使用构建在TCP协议之上的WebSocket来克服。让我们深入了解一下它们的一些关键特性。

全双工通信

WebSocket支持同时进行的双向通信，客户端和服务器都可以独立发送消息，无需等待请求-响应周期。

低延迟

WebSocket建立的持久连接显著降低了与传统HTTP连接相比的延迟。这使得WebSocket非常适用于实时应用，如聊天应用、在线游戏、实时通知和协同编辑。

资源有效利用

WebSocket消除了为每次通信重复打开和关闭连接的需要。长寿命的连接减少了建立新连接的开销，提高了资源利用效率。

广泛浏览器支持

现代Web浏览器支持WebSocket，使其成为实时Web应用程序广泛采用的技术。大多数编程语言和Web框架还提供处理WebSocket连接的库或模块。

安全连接

WebSocket可以在安全连接上使用（WebSocket Secure，或WSS），使用与保护HTTPS连接相同的TLS/SSL协议。这确保了通信是加密且安全的。

废话不多说，让我们进入代码。

构建WebSocket通信的最简代码

我使用Tornado，它使我能够轻松实现这一点，只需覆盖现有方法。

服务器端

python">pip install tornado

让我们首先编写最小的代码。

from typing import Awaitable  
  
import tornado.ioloop  
import tornado.web  
import tornado.websocket  
  
  
class WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):  
  
    """  
    此处理程序类用于处理WebSocket连接。  
    """  
  
    def open(self, *args: str, **kwargs: str) -> Awaitable[None] | None:  
        """  
        打开WebSocket连接。  
        覆盖此方法以处理WebSocket的打开。  
        当打开新的WebSocket时调用此方法。  
        """  
        print("WebSocket已打开")  
        return super().open(*args, **kwargs)  
  
    def on_message(self, message: str | bytes) -> Awaitable[None] | None:  
        """  
        处理WebSocket上的传入消息。  
        覆盖此方法以处理传入的消息。  
        当收到新的WebSocket消息时调用此方法。  
        """  
        print(f"收到消息：{message}")  
        self.write_message(f"你说：{message}")  
  
    def on_close(self) -> None:  
        """  
        处理WebSocket的关闭。  
        覆盖此方法以处理WebSocket的关闭。  
        当WebSocket关闭时调用此方法。  
        """  
        print("WebSocket已关闭")  
        return super().on_close()  
  
  
def app() -> tornado.web.Application:  
    return tornado.web.Application(  
        [  
            (r"/websocket", WebSocketHandler),  
        ]  
    )  
  
  
if __name__ == "__main__":  
    application = app()  
    application.listen(8080)  
    print("监听端口8080")  
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

代码解析:

• import tornado.ioloop：tornado.ioloop模块提供了用于管理异步操作的I/O循环。I/O循环是Tornado非阻塞架构的核心。它异步处理事件，如传入请求和响应，而不阻塞其他任务的执行。
• import tornado.web：tornado.web模块包含用于构建Web应用程序的类和工具。它提供了关键组件，如RequestHandler类，允许您定义如何响应HTTP请求。此模块对于创建Web应用程序的结构、处理路由和处理传入的HTTP请求至关重要。
• import tornado.websocket：用于处理WebSocket连接的模块。它提供了WebSocketHandler类，允许您定义应用程序如何响应基于WebSocket的通信。
• tornado.web.Application：入口点，用于将各种处理程序、设置和配置绑定在一起，创建完整的Web应用程序。它接受一个列表，包含**(绑定路径，请求处理程序)**。
• application.listen(8080)：开始在端口8080上监听传入请求。
• tornado.ioloop.IOLoop.current().start()：在当前上下文中启动事件循环，以异步处理请求。

运行WebSocket服务器:

python3 websockets.py

客户端

我使用的是Node而不是浏览器控制台，但您也可以使用浏览器控制台。

对于Node，请首先安装支持WebSocket的库。

npm install ws

const WebSocket = require("ws");  
  
var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/websocket");  
  
socket.on("open", function() {  
    console.log("连接已打开")  
    socket.send("你好，服务器！");  
})  
  
socket.on("message", function(message) {  
   console.log('新消息 ' + message)  
   if (message.data == 'ping') {  
    socket.send('pong');  
   }  
})  
  
socket.on("close", function() {  
    console.log("连接已关闭...")  
})

如果您尝试在浏览器控制台中运行，则需要将跨源设置为True。

class WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):  
  ...      
  def check_origin(self, origin: str) -> bool:  
        return True

在浏览器中运行

var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/websocket");  
  
socket.onopen = function(event) {  
    console.log("WebSocket连接已打开");  
    socket.send("你好，服务器！");  
};  
  
socket.onmessage = function(event) {  
    console.log("从服务器接收到消息:", event.data);  
};  
  
socket.onclose = function(event) {  
    console.log("WebSocket连接已关闭");  
};

WebSocket连接已打开  
VM53:9 从服务器接收到消息：你好，服务器！

第一次翻译：

应用: 基于房间的聊天系统

让我们添加一些代码，实现用户房间和用户名功能。

服务器端代码

from typing import Awaitable  
  
import tornado.ioloop  
import tornado.web  
import tornado.websocket  
  
  
class ChatRoom:  
    def __init__(self):  
        self.clients = set()  
  
    def add_client(self, client):  
        self.clients.add(client)  
  
    def remove_client(self, client):  
        self.clients.remove(client)  
  
    def broadcast(self, message, sender=None):  
        for client in self.clients:  
            if client.user_name != sender.user_name:  
                client.write_message(f"{sender.user_name}: {message}")  
            else:  
                client.write_message("")  
  
  
class WebSocketHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):  
    room_id = None  
    user_name = None  
  
    def open(self, room_id, user_name) -> Awaitable[None] | None:  
        self.room_id = room_id  
        self.user_name = user_name  
        room = self.application.get_or_create_room(self.room_id)  
        room.add_client(self)  
        print(f"WebSocket为 {self.user_name} 在房间 {self.room_id} 中打开")  
  
    def on_message(self, message: str | bytes) -> Awaitable[None] | None:  
        print(f"从 {self.user_name} 收到消息：{message}")  
        room = self.application.get_or_create_room(self.room_id)  
        room.broadcast(message, sender=self)  
  
    def on_close(self) -> None:  
        print(f"WebSocket为 {self.user_name} 关闭")  
        self.application.get_or_create_room(self.room_id).remove_client(self)  
        return super().on_close()  
  
    def check_origin(self, origin: str) -> bool:  
        return True  
  
  
class ApplicationWithRooms(tornado.web.Application):  
    def __init__(self, *args, **kwargs):  
        super().__init__(*args, **kwargs)  
        self.rooms = {}  
  
    def get_or_create_room(self, room_id):  
        if room_id not in self.rooms:  
            self.rooms[room_id] = ChatRoom()  
        return self.rooms[room_id]  
  
  
def app() -> ApplicationWithRooms:  
    return ApplicationWithRooms(  
        [  
            (r"/websocket/(\w+)/(\w+)", WebSocketHandler),  
        ]  
    )  
  
  
if __name__ == "__main__":  
    application = app()  
    application.listen(8080)  
    print("监听端口8080")  
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

代码解析:

• ChatRoom: 这个类管理客户端。即添加、删除客户端和向同一房间中的所有客户端广播消息。
• WebSocketHandler: 我们修改了现有的处理程序以将新客户端添加到房间中，在收到新消息时在创建房间之前广播消息。
• ApplicationWithRooms: 我们用这个类替换了默认的Application，只是为了处理聊天室逻辑。
• /websocket/(\w+)/(\w+): 处理程序URL也已更改，以在URL中接收聊天室和用户ID。

客户端代码

客户端代码也已更新，以在连接后提示发送消息到网络。

const WebSocket = require("ws");  
const readline = require("readline");  
  
const rl = readline.createInterface({  
    input: process.stdin,  
    output: process.stdout  
})  
  
function generate_random_name() {  
    let name = "";  
    for (let i = 0; i < 5; i++) {  
        name += String.fromCharCode(97 + Math.floor(Math.random() * 26))  
    };  
    return name;  
}  
  
var username = generate_random_name();  
  
const room_id = "room1";  
  
var socket = new WebSocket(`ws://localhost:8080/websocket/${room_id}/${username}`);  
  
socket.on("open", function () {  
    console.log("已连接到房间 " + room_id + "!")  
    rl.setPrompt(`${username} >> `);  
    rl.prompt();  
    rl.on("line", function (line) {  
        if (line === "exit") {  
            socket.close();  
            return;  
        }  
        socket.send(line);  
    })  
})  
  
socket.on("message", function (message) {  
    if (message.length > 0) {  
        console.log('[' + '' + message + ']')  
    }  
    rl.prompt();  
})  
  
socket.on("close", function () {  
    console.log("连接已关闭...")  
    rl.close();  
})

好了，这就是最小代码实现，你可以上手运行一下，看看实际效果。

总结

虽然提供的示例展示了使用WebSocket的基本功能，但值得注意的是，生产级别的WebSocket应用程序需要更全面的方法。

必须仔细实现强大的授权、安全的身份验证机制和其他重要的考虑因素，以确保您的实时通信解决方案的安全性、可扩展性和可靠性。

始终根据最佳实践和安全标准调整WebSocket实现，以满足生产环境的多样化要求。