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Web实时消息推送的解决方案

发布时间 2023-11-14 09:20:14作者: X-Wolf

 

 

什么是消息推送（push）

 

推送的场景比较多，比如有人关注我的公众号，这时我就会收到一条推送消息，以此来吸引我点击打开应用。

 

消息推送（push）通常是指网站的运营工作等人员，通过某种工具对用户当前网页或移动设备APP进行的主动消息推送。


消息推送一般又分为web端消息推送和移动端消息推送。
上边的这种属于移动端消息推送，Web 端消息推送常见的诸如站内信、未读邮件数量、监控报警数量等，应用的也非常广泛。

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在具体实现之前，咱们再来分析一下前边的需求，其实功能很简单，只要触发某个事件（主动分享了资源或者后台主动推送消息），Web 页面的通知小红点就会实时的 +1 就可以了。

 

通常在服务端会有若干张消息推送表，用来记录用户触发不同事件所推送不同类型的消息，前端主动查询（拉）或者被动接收（推）用户所有未读的消息数。

 

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消息推送无非是推（push）和拉（pull）两种形式，下边我们逐个了解下。

 

1、短轮询


轮询 (polling) 应该是实现消息推送方案中最简单的一种，这里我们暂且将轮询分为短轮询和长轮询。
短轮询很好理解，指定的时间间隔，由浏览器向服务器发出 HTTP 请求，服务器实时返回未读消息数据给客户端，浏览器再做渲染显示。
一个简单的 JS 定时器就可以搞定，每秒钟请求一次未读消息数接口，返回的数据展示即可。

setInterval(() => {  // 方法请求  messageCount().then((res) => {      if (res.code === 200) {          this.messageCount = res.data      }  })}, 1000);


 


效果还是可以的，短轮询实现固然简单，缺点也是显而易见，由于推送数据并不会频繁变更，无论后端此时是否有新的消息产生，客户端都会进行请求，势必会对服务端造成很大压力，浪费带宽和服务器资源。


 


图片2、长轮询
长轮询是对上边短轮询的一种改进版本，在尽可能减少对服务器资源浪费的同时，保证消息的相对实时性。长轮询在中间件中应用的很广泛，比如 Nacos 和 Apollo 配置中心，消息队列 Kafka、RocketMQ 中都有用到长轮询。
这次我使用 Apollo 配置中心实现长轮询的方式，应用了一个类 DeferredResult，它是在 Servelet3.0 后经过 Spring 封装提供的一种异步请求机制，直意就是延迟结果。
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DeferredResult 可以允许容器线程快速释放占用的资源，不阻塞请求线程，以此接受更多的请求提升系统的吞吐量，然后启动异步工作线程处理真正的业务逻辑，处理完成调用 DeferredResult。setResult(200) 提交响应结果。
下边我们用长轮询来实现消息推送。


因为一个 ID 可能会被多个长轮询请求监听，所以我采用了 Guava 包提供的 Multimap 结构存放长轮询，一个 key 可以对应多个 value。一旦监听到 key 发生变化，对应的所有长轮询都会响应。前端得到非请求超时的状态码，知晓数据变更，主动查询未读消息数接口，更新页面数据。


 


@Controller@RequestMapping("/polling")public class PollingController {    // 存放监听某个Id的长轮询集合    // 线程同步结构    public static Multimap<String, DeferredResult<String>> watchRequests =        Multimaps.synchronizedMultimap(HashMultimap.create());
    /**     * 公众号：程序员小富     * 设置监听     */    @GetMapping(path = "watch/{id}")    @ResponseBody    public DeferredResult<String> watch(@PathVariable String id) {        // 延迟对象设置超时时间        DeferredResult<String> deferredResult = new DeferredResult<>(TIME_OUT);        // 异步请求完成时移除 key，防止内存溢出        deferredResult.onCompletion(            () -> { watchRequests.remove(id, deferredResult); });        // 注册长轮询请求        watchRequests.put(id, deferredResult);        return deferredResult;    }
    /**     * 公众号：程序员小富     * 变更数据     */    @GetMapping(path = "publish/{id}")    @ResponseBody    public String publish(@PathVariable String id) {        // 数据变更 取出监听ID的所有长轮询请求，并一一响应处理        if (watchRequests.containsKey(id)) {            Collection<DeferredResult<String>> deferredResults =                watchRequests.get(id);            for (DeferredResult<String> deferredResult : deferredResults) {                deferredResult.setResult("我更新了" + new Date());            }        }        return "success";    }}




 


当请求超过设置的超时时间，会抛出 AsyncRequestTimeoutException 异常，这里直接用 @ControllerAdvice 全局捕获统一返回即可，前端获取约定好的状态码后再次发起长轮询请求，如此往复调用。


 


@ControllerAdvicepublic class AsyncRequestTimeoutHandler {    @ResponseStatus(HttpStatus.NOT_MODIFIED)    @ResponseBody    @ExceptionHandler(AsyncRequestTimeoutException.class)    public String asyncRequestTimeoutHandler(AsyncRequestTimeoutException e) {        System.out.println("异步请求超时");        return "304";    }}




 


我们来测试一下，首先页面发起长轮询请求 /polling/watch/10086 监听消息更变，请求被挂起，不变更数据直至超时，再次发起了长轮询请求；紧接着手动变更数据 /polling/publish/10086，长轮询得到响应，前端处理业务逻辑完成后再次发起请求，如此循环往复。


 


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长轮询相比于短轮询在性能上提升了很多，但依然会产生较多的请求，这是它的一点不完美的地方。


 


3、iframe 流


 


iframe 流就是在页面中插入一个隐藏的 <iframe> 标签，通过在 src 中请求消息数量 API 接口，由此在服务端和客户端之间创建一条长连接，服务端持续向 iframe 传输数据。


 


传输的数据通常是 HTML、或是内嵌的 Javascript 脚本，来达到实时更新页面的效果。


 


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这种方式实现简单，前端只要一个 <iframe> 标签搞定了。


 


<iframe src="/iframe/message" style="display:none"></iframe>






服务端直接组装 HTML、js 脚本数据向 response 写入就行了。


 


@Controller@RequestMapping("/iframe")public class IframeController {    @GetMapping(path = "message")    public void message(HttpServletResponse response)        throws IOException, InterruptedException {        while (true) {            response.setHeader("Pragma", "no-cache");            response.setDateHeader("Expires", 0);            response.setHeader("Cache-Control", "no-cache,no-store");            response.setStatus(HttpServletResponse.SC_OK);            response.getWriter().print(" <script type=\"text/javascript\">\n"                + "parent.document.getElementById('clock').innerHTML = \""                + count.get() + "\";"                + "parent.document.getElementById('count').innerHTML = \""                + count.get() + "\";"                + "</script>");        }    }}






但我个人不推荐，因为它在浏览器上会显示请求未加载完，图标会不停旋转，简直是强迫症杀手。


 


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4、Server-sent events (我的方式)


 


很多人可能不知道，服务端向客户端推送消息，其实除了可以用 WebSocket 这种耳熟能详的机制外，还有一种服务器发送事件 (Server-sent events)，简称 SSE。


 


SSE 它是基于 HTTP 协议的，我们知道一般意义上的 HTTP 协议是无法做到服务端主动向客户端推送消息的，但 SSE 是个例外，它变换了一种思路。


 


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SSE 在服务器和客户端之间打开一个单向通道，服务端响应的不再是一次性的数据包而是 text/event-stream 类型的数据流信息，在有数据变更时从服务器流式传输到客户端。


 


整体的实现思路有点类似于在线视频播放，视频流会连续不断的推送到浏览器，你也可以理解成，客户端在完成一次用时很长（网络不畅）的下载。


 


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SSE 与 WebSocket 作用相似，都可以建立服务端与浏览器之间的通信，实现服务端向客户端推送消息，但还是有些许不同：


 


    

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    SSE 是基于 HTTP 协议的，它们不需要特殊的协议或服务器实现即可工作；WebSocket 需单独服务器来处理协议。
    

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    SSE 单向通信，只能由服务端向客户端单向通信；WebSocket 全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息。
    

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    SSE 实现简单开发成本低，无需引入其他组件；WebSocket 传输数据需做二次解析，开发门槛高一些。
    

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    SSE 默认支持断线重连；WebSocket 则需要自己实现。
    

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    SSE 只能传送文本消息，二进制数据需要经过编码后传送；WebSocket 默认支持传送二进制数据。
    

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SSE 与 WebSocket 该如何选择？


 


技术并没有好坏之分，只有哪个更合适。


 


SSE 好像一直不被大家所熟知，一部分原因是出现了 WebSockets，这个提供了更丰富的协议来执行双向、全双工通信。对于游戏、即时通信以及需要双向近乎实时更新的场景，拥有双向通道更具吸引力。


 


但是，在某些情况下，不需要从客户端发送数据。而你只需要一些服务器操作的更新。比如：站内信、未读消息数、状态更新、股票行情、监控数量等场景，SEE 不管是从实现的难易和成本上都更加有优势。此外，SSE 具有 WebSockets 在设计上缺乏的多种功能，例如：自动重新连接、事件 ID 和发送任意事件的能力。


 


前端只需进行一次 HTTP 请求，带上唯一 ID，打开事件流，监听服务端推送的事件就可以了。


 


<script>    let source = null;    let userId = 7777    if (window.EventSource) {        // 建立连接        source = new EventSource('http://localhost:7777/sse/sub/'+userId);        setMessageInnerHTML("连接用户=" + userId);        /**         * 连接一旦建立，就会触发open事件         * 另一种写法：source.onopen = function (event) {}         */        source.addEventListener('open', function (e) {            setMessageInnerHTML("建立连接。。。");        }, false);        /**         * 客户端收到服务器发来的数据         * 另一种写法：source.onmessage = function (event) {}         */        source.addEventListener('message', function (e) {            setMessageInnerHTML(e.data);        });    } else {        setMessageInnerHTML("你的浏览器不支持SSE");    }</script>




服务端的实现更简单，创建一个 SseEmitter 对象放入 sseEmitterMap 进行管理。


 


private static Map<String, SseEmitter> sseEmitterMap =    new ConcurrentHashMap<>();
/** * 创建连接 * * @date: 2022/7/12 14:51 * @auther: 公众号：程序员小富 */public static SseEmitter connect(String userId) {    try {        // 设置超时时间，0表示不过期。默认30秒        SseEmitter sseEmitter = new SseEmitter(0L);        // 注册回调        sseEmitter.onCompletion(completionCallBack(userId));        sseEmitter.onError(errorCallBack(userId));        sseEmitter.onTimeout(timeoutCallBack(userId));        sseEmitterMap.put(userId, sseEmitter);        count.getAndIncrement();        return sseEmitter;    } catch (Exception e) {        log.info("创建新的sse连接异常，当前用户：{}", userId);    }    return null;}
/** * 给指定用户发送消息 * * @date: 2022/7/12 14:51 * @auther: 公众号：程序员小富 */public static void sendMessage(String userId, String message) {    if (sseEmitterMap.containsKey(userId)) {        try {            sseEmitterMap.get(userId).send(message);        } catch (IOException e) {            log.error("用户[{}]推送异常:{}", userId, e.getMessage());            removeUser(userId);        }    }}


 


我们模拟服务端推送消息，看下客户端收到了消息，和我们预期的效果一致。


 


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注意： SSE不支持IE浏览器，对其他主流浏览器兼容性做的还不错。


 


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5、MQTT


 


什么是 MQTT 协议？


 


MQTT 全称 (Message Queue Telemetry Transport)：一种基于发布 / 订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息，是物联网（Internet of Thing）中的一个标准传输协议。


 


该协议将消息的发布者（publisher）与订阅者（subscriber）进行分离，因此可以在不可靠的网络环境中，为远程连接的设备提供可靠的消息服务，使用方式与传统的 MQ 有点类似。


 


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TCP 协议位于传输层，MQTT 协议位于应用层，MQTT 协议构建于 TCP/IP 协议上，也就是说只要支持 TCP/IP 协议栈的地方，都可以使用 MQTT 协议。


 


为什么要用 MQTT 协议？


 


MQTT 协议为什么在物联网（IOT）中如此受偏爱？而不是其它协议，比如我们更为熟悉的 HTTP 协议呢？


 


    

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    首先 HTTP 协议它是一种同步协议，客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网（IOT）环境中，设备会很受制于环境的影响，比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等，显然异步消息协议更为适合 IOT 应用程序。
    

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    HTTP 是单向的，如果要获取消息客户端必须发起连接，而在物联网（IOT）应用程序中，设备或传感器往往都是客户端，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。
    

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    通常需要将一条命令或者消息，发送到网络上的所有设备上。HTTP 要实现这样的功能不但很困难，而且成本极高。
    

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6、Websocket


 


WebSocket 应该是大家都比较熟悉的一种实现消息推送的方式，上边我们在讲 SSE 的时候也和 WebSocket 进行过比较。


 


WebSocket 是一种在 TCP 连接上进行全双工通信的协议，建立客户端和服务器之间的通信渠道。浏览器和服务器仅需一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。


 


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Spring Boot 整合 Websocket，先引入 Websocket 相关的工具包，和 SSE 相比额外的开发成本。


 


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




服务端使用 @ServerEndpoint 注解标注当前类为一个 Websocket 服务器，客户端可以通过 ws://localhost:7777/webSocket/10086 来连接到 WebSocket 服务器端。


 


@Component@Slf4j@ServerEndpoint("/websocket/{userId}")public class WebSocketServer {    //与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据    private Session session;    private static final CopyOnWriteArraySet<WebSocketServer> webSockets =        new CopyOnWriteArraySet<>();    // 用来存在线连接数    private static final Map<String, Session> sessionPool =        new HashMap<String, Session>();    /**     * 公众号：程序员小富     * 链接成功调用的方法     */    @OnOpen    public void onOpen(        Session session, @PathParam(value = "userId") String userId) {        try {            this.session = session;            webSockets.add(this);            sessionPool.put(userId, session);            log.info("websocket消息: 有新的连接，总数为:" + webSockets.size());        } catch (Exception e) {        }    }    /**     * 公众号：程序员小富     * 收到客户端消息后调用的方法     */    @OnMessage    public void onMessage(String message) {        log.info("websocket消息: 收到客户端消息:" + message);    }    /**     * 公众号：程序员小富     * 此为单点消息     */    public void sendOneMessage(String userId, String message) {        Session session = sessionPool.get(userId);        if (session != null && session.isOpen()) {            try {                log.info("websocket消: 单点消息:" + message);                session.getAsyncRemote().sendText(message);            } catch (Exception e) {                e.printStackTrace();            }        }    }}




前端初始化打开 WebSocket 连接，并监听连接状态，接收服务端数据或向服务端发送数据。




 


<script>    var ws = new WebSocket('ws://localhost:7777/webSocket/10086');    // 获取连接状态    console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);    //监听是否连接成功    ws.onopen = function () {        console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);        //连接成功则发送一个数据        ws.send('test1');    }    // 接听服务器发回的信息并处理展示    ws.onmessage = function (data) {        console.log('接收到来自服务器的消息：');        console.log(data);        //完成通信后关闭WebSocket连接        ws.close();    }    // 监听连接关闭事件    ws.onclose = function () {        // 监听整个过程中websocket的状态        console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);    }    // 监听并处理error事件    ws.onerror = function (error) {        console.log(error);    }    function sendMessage() {        var content = $("#message").val();        $.ajax({            url: '/socket/publish?userId=10086&message=' + content,            type: 'GET',            data: { "id": "7777", "content": content },            success: function (data) {                console.log(data)            }        })    }</script>




页面初始化建立 Websocket 连接，之后就可以进行双向通信了，效果还不错。




 


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7、自定义推送


 


上边我们给我出了 6 种方案的原理和代码实现，但在实际业务开发过程中，不能盲目的直接拿过来用，还是要结合自身系统业务的特点和实际场景来选择合适的方案。


 


推送最直接的方式就是使用第三推送平台，毕竟钱能解决的需求都不是问题，无需复杂的开发运维，直接可以使用，省时、省力、省心，像 goEasy、极光推送都是很不错的三方服务商。


 


一般大型公司都有自研的消息推送平台，像我们本次实现的 Web 站内信只是平台上的一个触点而已，短信、邮件、微信公众号、小程序凡是可以触达到用户的渠道都可以接入进来。


 


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消息推送系统内部是相当复杂的，诸如消息内容的维护审核、圈定推送人群、触达过滤拦截（推送的规则频次、时段、数量、黑白名单、关键词等等）、推送失败补偿非常多的模块，技术上涉及到大数据量、高并发的场景也很多。所以我们今天的实现方式在这个庞大的系统面前只是小打小闹。