快速入门WebSocket

哈撒Ki2026-05-18 10:07

一、WebSocket 概念

  • 协议：建立在 TCP 之上，通过 HTTP 升级握手（Upgrade: websocket）建立持久连接。
  • 特点：全双工、低延迟、服务端可主动推送。
  • 标识 ：ws://（非加密）、wss://（加密，类似 HTTPS）

二、与 HTTP 的核心区别

对比维度 HTTP WebSocket
通信模式 请求-响应（单向，服务端被动响应） 全双工（连接建立后，双方随时主动发消息）
连接特性 短连接（通常每次请求后断开） 长连接（握手后保持持久连接）
协议升级 无法直接支持服务端推送 通过 HTTP 升级握手（101 Switching Protocols）
头部开销 每次请求都携带大量头部 连接建立后，消息帧头部仅 2~10 字节
适用场景 普通网页、REST API 实时通信（聊天、直播弹幕、游戏、金融行情）

三、心跳与保活机制

  • 协议自带 ping/pong 帧：任一端可发送 ping，另一端必须回复 pong（控制帧）。
  • 应用层心跳：为了更快检测假死连接（如中间代理静默切断），通常还会在业务数据中设计自定义 ping/pong 消息，配合超时定时器。
  • TCP KeepAlive 不能替代应用层心跳（间隔太长，且不能传递应用状态）。
javascript 复制代码 
let heartbeatTimeout;
ws.onopen = () => {
  nsole.log('连接成功');
  sendHeartbeat();
};

// 连接成功
function sendHeartbeat() {
    if (this.heartbeatTimer) clearInterval(this.heartbeatTimer);
    // 赋值
    this.heartbeatTimer = setInterval(() => {
      // 链接成功
      if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
        // 发送一个 ping 
        this.ws.send(JSON.stringify({ type: 'ping' }));
        this.pongTimeout = setTimeout(() => {
          console.warn('心跳超时，主动断开');
          this.intentionalClose = false; // 设为false以触发重连
          this.ws.close();// 主动断开、否则会占用内存，并且是半假死状态
        }, 5000);
      }
    }, 30000);
}

// 收到服务端消息
ws.onmessage = (e) => {
   const data = JSON.parse(e.data);
    if (data.type === 'pong') {
      // 收到 pong 关闭上面一次定时器
      clearTimeout(this.pongTimeout);
    }
};

// 上面心跳断开并且主动关闭连接，则会走这里，并进行重新连接
  onClose(event) {
    clearInterval(this.heartbeatTimer);
    clearTimeout(this.pongTimeout);
    if (!this.intentionalClose) {
      this.reconnect();
    }
  }

  reconnect() {
    if (!navigator.onLine) {
      console.log('离线，等待网络恢复');
      return;
    }
    let delay = 1000 * Math.min(30, Math.pow(2, this.reconnectAttempts));
    console.log(`${delay}ms 后重连`);
    setTimeout(() => {
      this.init(); // 重新连接
    }, delay);
    this.reconnectAttempts++;
  }

四、客户端的 API

WebSocket 客户端的 API 如下。

4.1 WebSocket 构造函数

WebSocket 对象作为一个构造函数，用于新建 WebSocket 实例。

ini 复制代码 
var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080');

执行上面语句之后，客户端就会与服务器进行连接。

实例对象的所有属性和方法清单，参见这里。

4.2 webSocket.readyState

readyState属性返回实例对象的当前状态，共有四种。

  • CONNECTING：值为0，表示正在连接。
  • OPEN：值为1，表示连接成功，可以通信了。
  • CLOSING：值为2，表示连接正在关闭。
  • CLOSED：值为3，表示连接已经关闭，或者打开连接失败。

下面是一个示例。

swift 复制代码 
switch (ws.readyState) {
  case WebSocket.CONNECTING:
    // do something
    break;
  case WebSocket.OPEN:
    // do something
    break;
  case WebSocket.CLOSING:
    // do something
    break;
  case WebSocket.CLOSED:
    // do something
    break;
  default:
    // this never happens
    break;
}

4.3 webSocket.onopen

实例对象的onopen属性，用于指定连接成功后的回调函数。

ini 复制代码 
ws.onopen = function () {
  ws.send('Hello Server!');
}

如果要指定多个回调函数，可以使用addEventListener方法。

javascript 复制代码 
ws.addEventListener('open', function (event) {
  ws.send('Hello Server!');
});

4.4 webSocket.onclose

实例对象的onclose属性，用于指定连接关闭后的回调函数。

ini 复制代码 
ws.onclose = function(event) {
  var code = event.code;
  var reason = event.reason;
  var wasClean = event.wasClean;
  // handle close event
};

ws.addEventListener("close", function(event) {
  var code = event.code;
  var reason = event.reason;
  var wasClean = event.wasClean;
  // handle close event
});

4.5 webSocket.onmessage

实例对象的onmessage属性，用于指定收到服务器数据后的回调函数。

ini 复制代码 
ws.onmessage = function(event) {
  var data = event.data;
  // 处理数据
};

ws.addEventListener("message", function(event) {
  var data = event.data;
  // 处理数据
});

注意，服务器数据可能是文本，也可能是二进制数据（blob对象或Arraybuffer对象）。

javascript 复制代码 
ws.onmessage = function(event){
  if(typeof event.data === String) {
    console.log("Received data string");
  }

  if(event.data instanceof ArrayBuffer){
    var buffer = event.data;
    console.log("Received arraybuffer");
  }
}

除了动态判断收到的数据类型，也可以使用binaryType属性，显式指定收到的二进制数据类型。

ini 复制代码 
// 收到的是 blob 数据
ws.binaryType = "blob";
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.size);
};

// 收到的是 ArrayBuffer 数据
ws.binaryType = "arraybuffer";
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.byteLength);
};

4.6 webSocket.send()

实例对象的send()方法用于向服务器发送数据。

发送文本的例子。

arduino 复制代码 
ws.send('your message');

发送 Blob 对象的例子。

ini 复制代码 
var file = document
  .querySelector('input[type="file"]')
  .files[0];
ws.send(file);

发送 ArrayBuffer 对象的例子。

css 复制代码 
// Sending canvas ImageData as ArrayBuffer
var img = canvas_context.getImageData(0, 0, 400, 320);
var binary = new Uint8Array(img.data.length);
for (var i = 0; i < img.data.length; i++) {
  binary[i] = img.data[i];
}
ws.send(binary.buffer);

4.7 webSocket.bufferedAmount

实例对象的bufferedAmount属性，表示还有多少字节的二进制数据没有发送出去。它可以用来判断发送是否结束。

ini 复制代码 
var data = new ArrayBuffer(10000000);
socket.send(data);

if (socket.bufferedAmount === 0) {
  // 发送完毕
} else {
  // 发送还没结束
}

4.8 webSocket.onerror

实例对象的onerror属性，用于指定报错时的回调函数。

vbnet 复制代码 
socket.onerror = function(event) {
  // handle error event
};

socket.addEventListener("error", function(event) {
  // handle error event
});

五、最终实战

kotlin 复制代码 
class WebSocketClient {
  constructor(url) {
    this.url = url;
    this.ws = null;
    this.reconnectAttempts = 0;
    this.intentionalClose = false;
    this.init();
  }

  init() {
    this.ws = new WebSocket(this.url);
    this.ws.onopen = this.onOpen.bind(this);
    this.ws.onmessage = this.onMessage.bind(this);
    this.ws.onerror = this.onError.bind(this);
    this.ws.onclose = this.onClose.bind(this);
  }

  onOpen() {
    console.log('连接成功');
    this.reconnectAttempts = 0;
    this.startHeartbeat();
    // 重设网络监听
    window.removeEventListener('online', this.onlineHandler);
    this.onlineHandler = () => this.reconnect();
    window.addEventListener('online', this.onlineHandler);
  }

  startHeartbeat() {
    if (this.heartbeatTimer) clearInterval(this.heartbeatTimer);
    this.heartbeatTimer = setInterval(() => {
      if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
        this.ws.send(JSON.stringify({ type: 'ping' }));
        this.pongTimeout = setTimeout(() => {
          console.warn('心跳超时，主动断开');
          this.intentionalClose = false; // 设为false以触发重连
          this.ws.close();
        }, 5000);
      }
    }, 30000);
  }

  onMessage(e) {
    const data = JSON.parse(e.data);
    if (data.type === 'pong') {
      clearTimeout(this.pongTimeout);
    }
    // 其他业务消息...
  }

  onClose(event) {
    clearInterval(this.heartbeatTimer);
    clearTimeout(this.pongTimeout);
    if (!this.intentionalClose) {
      this.reconnect();
    }
  }

  reconnect() {
    if (!navigator.onLine) {
      console.log('离线，等待网络恢复');
      return;
    }
    let delay = 1000 * Math.min(30, Math.pow(2, this.reconnectAttempts));
    console.log(`${delay}ms 后重连`);
    setTimeout(() => {
      this.init();
    }, delay);
    this.reconnectAttempts++;
  }

  close() {
    this.intentionalClose = true;
    this.ws.close();
  }
}

六、常见面试追问与回答

1. 直播弹幕系统设计要点？

  • 连接管理：每个直播间一个房间（roomId），服务端维护 room → Set。
  • 消息广播：收到弹幕时，只广播给同一房间的用户，避免全局广播。
  • 消息存储：异步写入数据库（如 Redis 做热存储 + Kafka 削峰 + 最终落库）。
  • 并发扩展：多节点部署时，使用 Redis Pub/Sub 跨节点广播房间消息。
  • 限流：同一用户发送频率限制（IP/用户ID + 时间窗口）。
  • 敏感词过滤：服务端接入 DFM 或第三方 API。

4. 如何保证消息的可靠到达（不丢消息）？

  • ACK机制 ：客户端每条消息带自增 seqId，服务端回复 ack(seqId)；客户端超时未收到 ack 则重发。
  • 消息队列 + 离线存储 ：用户断线期间的消息存到 Redis/DB，重连后通过 lastSeenSeq 拉取。
  • 心跳保活：及时发现死连接，避免假活。

5. WebSocket 如何做身份认证？

  • 基于 URL 参数 ：ws://server?token=xxx（注意 token 暴露风险，建议 wss）。
  • 基于 HTTP 握手时携带 Cookie：但 Cookie 在不同场景下受限。
  • 基于协议内第一条消息 ：连接成功后立即发送 {type:'auth', token:xxx}，服务端验证后标记该连接为已认证，未认证的连接拒绝后续业务消息。

6. 直播间百万在线，WebSocket 服务如何扩展？

  • 水平扩展：多个 WebSocket 服务节点，每个节点维护一部分用户的连接。
  • 跨节点通信：使用 Redis Pub/Sub。当节点收到一条弹幕，判断房间内用户分布在自己节点和其他节点，将消息发布到 Redis，其它节点订阅后推送给连接在本地的用户。
  • 网关层负载均衡 ：使用 Nginx / HAProxy 做四层负载（stream 模块支持 WebSocket），或使用 LVS + 一致性哈希保证同一用户固定到同一节点（不是必须，因为 Redis 已解耦房间）。

7. 心跳机制为什么需要应用层自己实现，而不是依赖 TCP KeepAlive？

TCP KeepAlive 周期长（默认 2 小时），且不能传递应用层状态。WebSocket 协议本身支持 ping/pong 帧（控制帧），可通过 ws.ping() / ws.pong() 实现。应用层心跳间隔一般 30 秒，可快速检测死连接并清理资源。

问：心跳超时为什么不直接重连，而是先关闭连接？

答：直接重连可能导致旧连接仍在半开状态，服务端资源未释放。主动 close() 会发送关闭帧，让服务端快速释放资源，同时避免新旧连接共存。

问：无网络时，为什么不能一直重试？

答：无网络时每次重连都会立即失败，浪费 CPU 和电量，且可能导致延迟队列爆炸。正确的做法是停止重试，等待 online 事件。

问：VPN 切换后，WebSocket 能否自动恢复？

答：VPN 切换会导致底层 TCP 连接断开，WebSocket 会收到 onclose。前端只需要实现指数退避重连，通常 1-2 次重试即可成功，无需特殊处理。

问：移动端（iOS/Android）后台休眠时 WebSocket 会怎样？

答：系统可能会冻结 App 的网络活动，导致心跳超时。此时应利用后台保活机制（如 WebView 的 Page Visibility API），或在 App 层面使用原生推送。前端重连策略需要结合 visibilitychange 事件，页面恢复可见时主动检查连接状态。

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