Spring Boot 二三事：WEB 应用消息推送的那点事

阅读对象：本文适合SpringBoot 初学者及对SpringBoot感兴趣的童鞋阅读。

背景介绍：在企业级 WEB 应用开发中，为了更好的用户体验&提升响应速度，往往会将一些耗时费力的请求 (Excel导入or导出，复杂计算, etc.) 进行异步化处理。 由此带来的一个重要的问题是如何通知用户任务状态，常见的方法大致分为2类4种：

  • HTTP Polling client pull
  • HTTP Long-Polling client pull
  • Server-Sent Events (SSE) server push
  • WebSocket server push

1. Polling 短轮询

是一种非常简单的实现方式。就是client通过定时任务不断得重复请求服务器，从而获取新消息，而server按时间顺序提供自上次请求以后发生的单个或多个消息。

Polling

短轮询的优点非常明显，就是实现简单。当两个方向上的数据都非常少，并且请求间隔不是非常密集时，这种方法就会非常有效。例如，新闻评论信息可以每半分钟更新一次，这对用户来说是可以的。

它得缺点也是非常明显，一旦我们对数据实时性要求非常高时，为了保证消息的及时送达，请求间隔必须缩短，在这种情况下，会加剧服务器资源的浪费，降低服务的可用性。另一个缺点就是在消息的数量较少时，将会有大量的 request做无用功，进而也导致服务器资源的浪费。

2. Long-Polling 长轮询

长轮询的官方定义是：

The server attempts to "hold open" (notimmediately reply to) each HTTP request, responding only when there are events to deliver. In this way, there is always a pending request to which the server can reply for the purpose of delivering events as they occur, thereby minimizing the latency in message delivery.

如果与Polling的方式相比，会发现Long-Polling的优点是通过hold open HTTP request 从而减少了无用的请求。

大致步骤为：

  1. client向server请求并等待响应。
  2. 服务端将请求阻塞，并不断检查是否有新消息。如果在这个期间有新消息产生时就立即返回。否则一直等待至请求超时。
  3. 当client 获取到新消息或请求超时，进行消息处理并发起下一次请求。
Long Polling

Long-Polling的缺点之一也是服务器资源的浪费，因为它和Polling的一样都属于被动获取，都需要不断的向服务器请求。在并发很高的情况下，对服务器性能是个严峻的考验。

Note：因为以上2两种方式的实现都比较简单，所以我们这里就不做代码演示了。接下来我们重点介绍一下Server-Sent Events及WebSocket。

3. Demo概要

下面我们将通过一个下载文件的案例进行演示SSE和WebSocket的消息推送，在这之前，我们先简单说一下我们项目的结构，整个项目基于SpringBoot 构建。

首先我们定义一个供前端访问的APIDownloadController

@RestController
public class DownloadController {
    private static final Logger log = getLogger(DownloadController.class);
    @Autowired
    private MockDownloadComponent downloadComponent;  

    @GetMapping("/api/download/{type}")
    public String download(@PathVariable String type, HttpServletRequest request) {  // (A)
        HttpSession session = request.getSession();
        String sessionid = session.getId();
        log.info("sessionid=[{}]", sessionid);
        downloadComponent.mockDownload(type, sessionid);  // (B)
        return "success"; // (C)
    }
}
  • (A) type参数用于区分使用哪种推送方式，这里为sse,ws,stomp这三种类型。
  • (B) MockDownloadComponent用于异步模拟下载文件的过程。
  • (C) 因为下载过程为异步化，所以该方法不会被阻塞并立即向客户端返回success,用于表明下载开始。

在DownloadController中我们调用MockDownloadComponent的mockDownload()的方法进行模拟真正的下载逻辑。

@Component
public class MockDownloadComponent {
    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(DownloadController.class);

    @Async // (A)
    public void mockDownload(String type, String sessionid) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); // (B)

                int percent = i + 1;
                String content = String.format("{\"username\":\"%s\",\"percent\":%d}", sessionid, percent); // (C)
                log.info("username={}'s file has been finished [{}]% ", sessionid, percent);

                switch (type) { // (D)
                    case "sse":
                        SseNotificationController.usesSsePush(sessionid, content);
                        break;
                    case "ws":
                        WebSocketNotificationHandler.usesWSPush(sessionid, content);
                        break;
                    case "stomp":
                        this.usesStompPush(sessionid, content);
                        break;
                    default:
                        throw new UnsupportedOperationException("");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
  • (A) 我们使用@Async让使其异步化。
  • (B) 模拟下载耗时。
  • (C) 消息的格式为{"username":"abc","percent":1}。
  • (D) 根据不同的type选择消息推送方式。

4. Server-Sent Events

SSE 是W3C定义的一组API规范，这使服务器能够通过HTTP将数据推送到Web页面，它具有如下特点：

  • 单向半双工：只能由server向client推送消息
  • 基于http：数据被编码为“text/event-stream”内容并使用HTTP流机制进行传输
  • 数据格式无限制：消息只是遵循规范定义的一组key-value格式&UTF-8编码的文本数据流，我们可以在消息payload中可以使用JSON或者XML或自定义数据格式。
  • http 长连接: 消息的实际传递是通过一个长期存在的HTTP连接完成的,消耗资源更少
  • 简单易用的API
Server-Sent Events

浏览器支持情况:

support browser

Note：IE 浏览器可通过第三方JS库进行支持SSE

4.1 SpringBoot 中使用SSE

从Spring 4.2开始支持SSE规范，我们只需要在Controller中返回SseEmitter对象即可。

Note：Spring 5 中提供了Spring Webflux 可以更加方便的使用SSE，但是为更贴近我们的实际项目，所以文本仅演示使用Spring MVC SSE。

我们在服务器端定义一个SseNotificationController用于和客户端处理和保存SSE连接. 其endpoint为/api/sse-notification。

@RestController
public class SseNotificationController {

    public static final Map<String, SseEmitter> SSE_HOLDER = new ConcurrentHashMap<>(); // (A)

    @GetMapping("/api/sse-notification")
    public SseEmitter files(HttpServletRequest request) {
        long millis = TimeUnit.SECONDS.toMillis(60);
        SseEmitter sseEmitter = new SseEmitter(millis); // (B)

        HttpSession session = request.getSession();
        String sessionid = session.getId();

        SSE_HOLDER.put(sessionid, sseEmitter); 
        return sseEmitter;
    }

    /**
     * 通过sessionId获取对应的客户端进行推送消息
     */
    public static void usesSsePush(String sessionid, String content) {  // (C)
        SseEmitter emitter = SseNotificationController.SSE_HOLDER.get(sessionid);
        if (Objects.nonNull(emitter)) {
            try {
                emitter.send(content);
            } catch (IOException | IllegalStateException e) {
                log.warn("sse send error", e);
                SseNotificationController.SSE_HOLDER.remove(sessionid);
            }
        }
    }

}
  • (A) SSE_HOLDER保存了所有客户端的SseEmitter,用于后续通知对应客户端。
  • (B) 根据指定超时时间创建一个SseEmitter对象, 它是SpringMVC提供用于操作SSE的类。
  • (C) usesSsePush()提供根据sessionId向对应客户端发送消息。发送只需要调用SseEmitter的send()方法即可。

至此服务端已经完成，我们使用Vue编写客户端Download.html进行测试。核心代码如下：

     usesSSENotification: function () {
                var tt = this;
                var url = "/api/sse-notification";
                var sseClient = new EventSource(url);  // (A)
                sseClient.onopen = function () {...}; // (B)

                sseClient.onmessage = function (msg) {   // (C)
                    var jsonStr = msg.data;
                    console.log('message', jsonStr);
                    var obj = JSON.parse(jsonStr);
                    var percent = obj.percent;
                    tt.sseMsg += 'SSE 通知您:已下载完成' + percent + "%\r\n";
                    if (percent === 100) {
                        sseClient.close();  // (D)
                    }
                };
                sseClient.onerror = function () {
                    console.log("EventSource failed.");
                };
            }
  • (A) 开启一个新的 SSE connection 并访问 /api/sse-notification。
  • (B) 当连接成功时的callback。
  • (C) 当有新消息时的callback。
  • (D) 当下载进度为100%时，关闭连接。

效果演示：

SSE DEMO

4. WebSocket

WebSocket 类似于标准的TCP连接，它是IETF（RFC 6455）定义的通过TCP进行实时全双工通信一种通信方式，这意味这它的功能更强大，常用于如股票报价器，聊天应用。

相比于SSE，它不仅可以双向通信，而且甚至还能处理音频/视频等二进制内容。

Note：使用WebSocket，在高并发情况下，服务器将拥有许多长连接。这对网络代理层组件及WebSocket服务器都是一个不小的性能挑战，我们需要考虑其负载均衡方案。同时连接安全等问题也不容忽视。

4.1 Spring WebSocket （低级API）

Spring 4提供了一个新的Spring-WebSocket模块，用于适应各种WebSocket引擎，它与Java WebSocket API标准(JSR-356)兼容，并且提供了额外的增强功能。

Note: 对于应用程序来说，直接使用WebSocket API会大大增加开发难度,所以Spring为我们提供了 STOMP over WebSocket 更高级别的API使用WebSocket。在本文中将会分别演示通过low level API及higher level API进行演示。

如果想在SpringBoot中使用WebSocket，首先需要引入spring-boot-starter-websocket依赖

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

然后就可以配置相关信息，我们先通过low level API进行演示。

首先需要自定义一个WebSocketNotificationHandler用于处理WebSocket 的连接及消息处理。我们只需要实现WebSocketHandler或子类TextWebSocketHandler BinaryWebSocketHandler。

public class WebSocketNotificationHandler extends TextWebSocketHandler {

    private static final Logger log = getLogger(WebSocketNotificationHandler.class);

    public static final Map<String, WebSocketSession> WS_HOLDER= new ConcurrentHashMap<>();  // (A)


    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {   // (B)
        String httpSessionId = (String) session.getAttributes().get(HttpSessionHandshakeInterceptor.HTTP_SESSION_ID_ATTR_NAME);
        WS_HOLDER.put(httpSessionId, session);
    }

    @Override
    protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
        log.info("handleTextMessage={}", message.getPayload()); 
    }

    public static void usesWSPush(String sessionid, String content) {    // (C)
        WebSocketSession wssession = WebSocketNotificationHandler.WS_HOLDER.get(sessionid);
        if (Objects.nonNull(wssession)) {
            TextMessage textMessage = new TextMessage(content);
            try {
                wssession.sendMessage(textMessage);
            } catch (IOException | IllegalStateException e) {
                WebSocketNotificationHandler.SESSIONS.remove(sessionid);
            }
        }
    }
}
  • (A) WS_HOLDER用于保存客户端的WebSocket Session
  • (B) 重写afterConnectionEstablished()方法，当连接建立之后,按sessionId将WebSocket Session保存至WS_HOLDER,用于后续向client推送消息。
  • (C) 根据sessionId获取对应WebSocket Session，并调用WebSocket Session的sendMessage(textMessage)方法向client发送消息。

使用@EnableWebSocket开启WebSocket，并实现WebSocketConfigurer进行配置。

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {

    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {

        WebSocketNotificationHandler notificationHandler = new WebSocketNotificationHandler(); 
        
        registry.addHandler(notificationHandler, "/ws-notification") // (A)
                .addInterceptors(new HttpSessionHandshakeInterceptor())  // (B)
                .withSockJS();  // (C)
    }
}
  • (A) 将我们自定义的WebSocketNotificationHandler注册至WebSocketHandlerRegistry.
  • (B) HttpSessionHandshakeInterceptor是一个内置的拦截器，用于传递HTTP会话属性到WebSocket会话。当然你也可以通过HandshakeInterceptor接口实现自己的拦截器。
  • (C) 开启SockJS的支持，SockJS的目标是让应用程序使用WebSocket API时,当发现浏览器不支持时，无需要更改任何代码，即可使用非WebSocket替代方案，尽可能的模拟WebSocket。关于SockJS的更多资料，可参考https://github.com/sockjs/sockjs-client

server端至此就基本大功告成，接下来我们来完善一下client端Download.html,其核心方法如下：

usesWSNotification: function () {
                var tt = this;
                var url = "http://localhost:8080/ws-notification";
                var sock = new SockJS(url);   // (A)
                sock.onopen = function () {
                    console.log('open');
                    sock.send('test');
                };

                sock.onmessage = function (msg) {   // (B)
                    var jsonStr = msg.data;

                    console.log('message', jsonStr);

                    var obj = JSON.parse(jsonStr);
                    var percent = obj.percent;
                    tt.wsMsg += 'WS 通知您:已下载完成' + percent + "%\r\n";
                    if (percent === 100) {
                        sock.close();
                    }
                };

                sock.onclose = function () { 
                    console.log('ws  close');
                };
            }
  • (A) 首先需要在项目中引入SockJS Client , 并根据指定URL创建一个SockJS对象。
  • (B) 当有新消息时的callback，我们可以在该方法中处理我们的消息。

效果演示：

WebSocket

4.2 STOMP over WebSocket （高级API）

WebSocket虽然定义了两种类型的消息，文本和二进制，但是针对消息的内容没有定义，为了更方便的处理消息，我们希望Client和Server都需要就某种协议达成一致，以帮助处理消息。那么，有没有已经造好的轮子呢？答案肯定是有的。这就是STOMP。

STOMP是一种简单的面向文本的消息传递协议，它其实是消息队列的一种协议, 和AMQP,JMS是平级的。 只不过由于它的简单性恰巧可以用于定义WS的消息体格式。虽然STOMP是面向文本的协议，但消息的内容也可以是二进制数据。同时STOMP 可已使用任何可靠的双向流网络协议，如TCP和WebSocket，目前很多服务端消息队列都已经支持了STOMP, 比如RabbitMQ, ActiveMQ等。

它结构是一种基于帧的协议，一帧由一个命令，一组可选的Header和一个可选的Body组成。

COMMAND
header1:value1
header2:value2

Body^@

客户端可以使用SEND或SUBSCRIBE命令发送或订阅消息。 通过destination标记述消息应由谁来接收处理，形成了类似于MQ的发布订阅机制。

STOMP的优势也非常明显，即：

  1. 不需要创建自定义消息格式
  2. 我们可以使用现有的stomp.js客户端
  3. 可以实现消息路由及广播
  4. 可以使用第三方成熟的消息代理中间件，如RabbitMQ, ActiveMQ等

最重要的是，Spring STOMP 为我们提供了能够像Spring MVC一样的编程模型，减少了我们的学习成本。

下面将我们的DEMO稍作调整，使用Spring STOMP来实现消息推送，在本例中我们使用SimpleBroker模式，我们的应用将会内置一个STOMP Broker，将所有信息保存至内存中。

具体代码如下：

@Configuration
@EnableWebSocketMessageBroker  // (A)
public class WebSocketBrokerConfig implements WebSocketMessageBrokerConfigurer {

    @Override
    public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {

        registry.addEndpoint("/ws-stomp-notification")
                .addInterceptors(httpSessionHandshakeInterceptor())   // (B)
                .setHandshakeHandler(httpSessionHandshakeHandler())  // (C)
                .withSockJS();
    }

    @Override
    public void configureMessageBroker(MessageBrokerRegistry registry) {
        registry.setApplicationDestinationPrefixes("/app")  // (D)
                .enableSimpleBroker("/topic", "/queue");  // (E)
    }

    @Bean
    public HttpSessionHandshakeInterceptor httpSessionHandshakeInterceptor() {
        return new HttpSessionHandshakeInterceptor();
    }

    @Bean
    public HttpSessionHandshakeHandler httpSessionHandshakeHandler() {
        return new HttpSessionHandshakeHandler();
    }

}
  • (A) 使用@EnableWebSocketMessageBroker注解开启支持STOMP
  • (B) 创建一个拦截器，用于传递HTTP会话属性到WebSocket会话。
  • (C) 配置一个自定义的HttpSessionHandshakeHandler，其主要作用是按sessionId标记识别连接。
  • (D) 设置消息处理器路由前缀,当消息的destination已/app开头时，将会把该消息路由到server端的对应的消息处理方法中。（在本例中无实际意义）
  • (E) 设置客户端订阅消息的路径前缀

HttpSessionHandshakeHandler代码如下:

public class HttpSessionHandshakeHandler extends DefaultHandshakeHandler {

    @Override
    protected Principal determineUser(ServerHttpRequest request, WebSocketHandler wsHandler, Map<String, Object> attributes) {
        String sessionId = (String) attributes.get(HttpSessionHandshakeInterceptor.HTTP_SESSION_ID_ATTR_NAME);
        return new HttpSessionPrincipal(sessionId);

    }
}

当我们需要向client发送消息时，只需要注入SimpMessagingTemplate对象即可，是不是感觉非常熟悉？！ 没错，这种Template模式和我们日常使用的RestTemplate JDBCTemplate是一样的。
我们只需要调用SimpMessagingTemplate的convertAndSendToUser()方法即可向对应用户发送消息了。

  private void usesStompPush(String sessionid, String content) {
        String destination = "/queue/download-notification";
        messagingTemplate.convertAndSendToUser(sessionid, destination, content);
    }

在浏览器端，client可以使用stomp.js和sockjs-client进行如下连接:

usesStompNotification: function () {
                var tt = this;
                var url = "http://localhost:8080/ws-stomp-notification";
                // 公共topic
                // var notificationTopic = "/topic/download-notification";
                // 点对点广播
                var notificationTopic = "/user/queue/download-notification"; // (A)

                var socket = new SockJS(url);
                var stompClient = Stomp.over(socket);

                stompClient.connect({}, function (frame) {
                    console.log("STOMP connection successful");

                    stompClient.subscribe(notificationTopic, function (msg) {   // (B)
                        var jsonStr = msg.body;

                        var obj = JSON.parse(jsonStr);
                        var percent = obj.percent;
                        tt.stompMsg += 'STOMP 通知您:已下载完成' + percent + "%\r\n";
                        if (percent === 100) {
                            stompClient.disconnect()
                        }

                    });

                }, function (error) {
                    console.log("STOMP protocol error " + error)
                })
            }
  • (A) 如果想针对特定用户接收消息，我们需要以/user/为前缀，Spring STOMP会把以/user/为前缀的消息交给UserDestinationMessageHandler进行处理并发给特定的用户，当然这个/user/是可以通过WebSocketBrokerConfig进行个性化配置的，为了简单起见，我们这里就使用默认配置，所以我们的topic url就是/user/queue/download-notification。
  • (B) 设置stompClient消息处理callback进行消息处理。

效果演示：

STOMP

5 总结

在文中为大家简单讲解了几种常用的消息推送方案，并通过一个下载案例重点演示了SSE及WebSocket这两种server push模式的消息推送。当然还有很多细节并没有在文中说明，建议大家下载源码对照参考。

相比较这几种模式，小编认为如果我们的需求仅仅是向客户端推送消息，那么使用SSE的性价比更高一些，Long-Polling次之。使用WebSocket有一种杀鸡用牛刀的感觉，并且给我们系统也带来了更多的复杂性，得不偿失，所以不太推荐。而Polling虽然实现方式最简单且兼容性最强，但是其效率过低，所以不建议使用。当然如果您有其他见解，欢迎留言讨论交流。

文中示例源码：https://github.com/leven-space/SpringBootNotification.git

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    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
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    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
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    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
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