一、前言

如今，Web 應(yīng)用愈發(fā)復(fù)雜，用戶對(duì)實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)的要求也越來(lái)越高，比如：社媒的即時(shí)通訊、大屏的數(shù)據(jù)更新、實(shí)時(shí)消息的提醒等，這些都表明實(shí)時(shí)交互已成高品質(zhì)應(yīng)用的必備特性。而作為開(kāi)發(fā)者，我們常面對(duì)復(fù)雜的開(kāi)發(fā)環(huán)境，要應(yīng)對(duì)即時(shí)通訊與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的問(wèn)題。那么，該如何精準(zhǔn)高效實(shí)現(xiàn)這些功能呢？我們將共同探討下，輪詢、Web Socket 、SSE（Server-Sent Events） 三種解決方案，最終根據(jù)當(dāng)下場(chǎng)景選出最優(yōu)方案，打造更為出色的產(chǎn)品。

二、方案一：輪詢（Polling）

1. 短輪詢

實(shí)現(xiàn)短輪詢，我們可以采用定時(shí)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，讓客戶端每隔較短固定時(shí)間就向服務(wù)端發(fā)起請(qǐng)求，無(wú)論服務(wù)器有無(wú)新消息，都會(huì)正常給予回應(yīng)。短輪詢的優(yōu)劣勢(shì)一目了然。優(yōu)勢(shì)在于，容易理解、實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)便，同時(shí)兼容性又很好，在幾乎所有支持 HTTP 協(xié)議的瀏覽器及服務(wù)器環(huán)境都能很好的運(yùn)行短輪詢。不過(guò)，缺點(diǎn)也非常顯而易見(jiàn)。當(dāng)按照很短的固定時(shí)間間隔去頻繁請(qǐng)求數(shù)據(jù)，如果此時(shí)的數(shù)據(jù)并未更新，這些請(qǐng)求就成了無(wú)效請(qǐng)求，但是每一個(gè)無(wú)效的請(qǐng)求都得完成 HTTP 建立連接的一系列流程，像三次握手 、 四次揮手 ，這無(wú)疑造成了不必要的資源浪費(fèi)。同時(shí)也是由于按固定間隔請(qǐng)求，數(shù)據(jù)更新也可能會(huì)存在延遲的現(xiàn)象，在要求實(shí)時(shí)性的場(chǎng)景下就不滿足了。

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2. 長(zhǎng)輪詢

相對(duì)于短輪詢，長(zhǎng)輪詢的實(shí)現(xiàn)過(guò)程會(huì)復(fù)雜一些。首先，同樣是由客戶端向服務(wù)端發(fā)送HTTP請(qǐng)求后，不過(guò)與短輪詢的差別在于，服務(wù)器接到請(qǐng)求后并不即刻返回響應(yīng)，而是選擇將該請(qǐng)求暫時(shí)掛起，靜靜等待數(shù)據(jù)更新，或是直至達(dá)到特定的超時(shí)時(shí)間（這個(gè)超時(shí)時(shí)間通常比短輪詢間隔長(zhǎng)）。在等待期間，如果有數(shù)據(jù)更新了，就會(huì)立即將新數(shù)據(jù)返回給客戶端，若一直未等到數(shù)據(jù)更新，直到達(dá)到超時(shí)時(shí)間，服務(wù)器才返回一個(gè)空響應(yīng)或者告知客戶端無(wú)新數(shù)據(jù)?？蛻舳耸盏巾憫?yīng)后，無(wú)論是否有新數(shù)據(jù)，都會(huì)立即再次發(fā)起新的長(zhǎng)輪詢請(qǐng)求，如此循環(huán)往復(fù)。

這種長(zhǎng)輪詢方式相較短輪詢存在一定優(yōu)勢(shì)，首先減少了無(wú)效請(qǐng)求的次數(shù)，因?yàn)橹挥性跀?shù)據(jù)更新的時(shí)候，服務(wù)器才會(huì)響應(yīng)，實(shí)時(shí)性得到了增強(qiáng)，也同時(shí)在一定程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。長(zhǎng)輪詢雖然減少了無(wú)效請(qǐng)求，但是長(zhǎng)時(shí)間掛起的請(qǐng)求仍會(huì)占用服務(wù)器的內(nèi)存、線程等關(guān)鍵資源。若同時(shí)存在大量長(zhǎng)輪詢請(qǐng)求，且長(zhǎng)時(shí)間處于等待數(shù)據(jù)更新?tīng)顟B(tài)，服務(wù)器資源可能會(huì)被大量消耗，同樣可能引發(fā)性能問(wèn)題。

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由此可見(jiàn)， 無(wú)論是運(yùn)用長(zhǎng)輪詢還是短輪詢策略，在對(duì)實(shí)時(shí)性有著嚴(yán)格要求的場(chǎng)景之下這都不是一個(gè)非常好的方案。一方面，頻繁的無(wú)效請(qǐng)求以及長(zhǎng)時(shí)間掛起的連接，極易造成服務(wù)器資源的浪費(fèi)。另一方面，由于輪詢時(shí)間間隔的固定性，一旦設(shè)置的不合理，就可能錯(cuò)失數(shù)據(jù)更新的最佳時(shí)機(jī)，無(wú)法及時(shí)將關(guān)鍵信息推送給客戶端，導(dǎo)致實(shí)時(shí)交互出現(xiàn)延遲。

三、方案二：Web Socket

Web Socket 是一種基于單個(gè) TCP 連接的協(xié)議，擁有實(shí)現(xiàn) 全雙工 通信的能力。它讓客戶端和服務(wù)端可以雙向、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，擺脫了傳統(tǒng) HTTP 請(qǐng)求那種請(qǐng)求 - 響應(yīng)模式的限制。有了 Web Socket，服務(wù)器能隨時(shí)主動(dòng)給客戶端推送消息，客戶端也能馬上向服務(wù)器發(fā)數(shù)據(jù)，就如同構(gòu)建起了一條實(shí)時(shí)雙向通道。

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1.Web Socket通信原理

1）握手階段

• 初始請(qǐng)求階段

a.首先，我們可以從下圖實(shí)現(xiàn)效果中看出來(lái)，起始于客戶端向服務(wù)端發(fā)送了一個(gè)HTTP請(qǐng)求，但這個(gè)請(qǐng)求和常規(guī)的HTTP請(qǐng)求又不太一致，他包含了兩個(gè)特殊的請(qǐng)求頭， Upgrade: websocket  和  Connection: Upgrade。

b.Upgrade: websocket 像是一個(gè)信號(hào)，它的作用就是用來(lái)告知服務(wù)器，客戶端希望將當(dāng)前的通信協(xié)議從 HTTP升級(jí)為Web Socket協(xié)議。

c.Connection: Upgrade 是與Upgrade: websocket 進(jìn)行配合使用的，它的作用是告訴服務(wù)器，不要把這個(gè)請(qǐng)求當(dāng)作普通的 HTTP 請(qǐng)求來(lái)處理，而是要關(guān)注 “Upgrade” 請(qǐng)求頭中的內(nèi)容，按照要求進(jìn)行協(xié)議的升級(jí)。

• 服務(wù)器響應(yīng)階段
• 服務(wù)器收到客戶端的升級(jí)請(qǐng)求后，如果支持 Web Socket 協(xié)議，就會(huì)返回一個(gè)響應(yīng)來(lái)完成握手過(guò)程。響應(yīng)狀態(tài)碼通常是 101，表示 協(xié)議切換。響應(yīng)頭也會(huì)包含和客戶端請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的 Upgrade 和 Connection 字段，確認(rèn)連接升級(jí)。Sec - WebSocket - Accept ，它是根據(jù)客戶端請(qǐng)求中的 Sec - WebSocket - Key 生成的，用于安全驗(yàn)證。通過(guò)這個(gè)握手過(guò)程，雙方就建立了一個(gè)穩(wěn)定的 Web Socket 連接這樣，這個(gè)連接是基于 TCP的，為后續(xù)的雙向通信做好了準(zhǔn)備。

2） 數(shù)據(jù)傳輸階段

• 我們從下圖中可以看出，Web socket全雙工通道的特點(diǎn)，客戶端可以向服務(wù)端主動(dòng)發(fā)送消息，服務(wù)端也可以推送數(shù)據(jù)到服務(wù)端。具體的數(shù)據(jù)格式，我們可以通過(guò)抓包軟件來(lái)進(jìn)行抓包看下。

3） 連接維護(hù)和關(guān)閉階段

• 在整個(gè)通信過(guò)程中，Web Socket 協(xié)議要求客戶端和服務(wù)器都要維護(hù)連接的狀態(tài)。連接狀態(tài)包括連接是否打開(kāi)、正在關(guān)閉或者已經(jīng)關(guān)閉等。客戶端和服務(wù)器通過(guò)心跳機(jī)制（發(fā)送周期性的小數(shù)據(jù)包來(lái)檢測(cè)對(duì)方是否還在線）或者其他自定義的連接檢測(cè)方法來(lái)確保連接的穩(wěn)定性。
• 當(dāng)需要關(guān)閉 WebSocket 連接時(shí)，無(wú)論是客戶端還是服務(wù)器都可以發(fā)起關(guān)閉請(qǐng)求。關(guān)閉請(qǐng)求也是通過(guò)發(fā)送一個(gè)特定的幀（關(guān)閉幀）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)方在收到關(guān)閉幀后，會(huì)進(jìn)行一些必要的清理工作，如釋放資源等，然后關(guān)閉連接。

2.示例

• 模擬客戶端代碼

<div id="app">
  <input v-model="message" placeholder="輸入要發(fā)送的消息" />
  <button @click="sendMessage">發(fā)送消息</button>
  <div>
    <h3>收到的回復(fù)記錄：</h3>
    <ul>
      <li v-for="(msg, index) in receivedMessages" :key="msg">{{ msg }}</li>
    </ul>
  </div>
</div>

<script>
  const app = new Vue({
    el: "#app",
    data() {
      return {
        message: "",
        receivedMessages: [], // 新增數(shù)組用于存儲(chǔ)所有收到的消息
        socket: null,
      };
    },
    mounted() {
      // 創(chuàng)建WebSocket連接，這里的地址要和后端服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)的地址對(duì)應(yīng)，這里假設(shè)后端在本地3000端口
      this.socket = new WebSocket("ws://localhost:3000");
      // 連接成功時(shí)觸發(fā)的事件
      this.socket.addEventListener("open", () => {
        console.log("已連接到WebSocket服務(wù)器");
      });
      // 接收服務(wù)器發(fā)送消息的事件
      this.socket.addEventListener("message", (event) => {
        const receivedMsg = event.data;
        this.receivedMessages.push(receivedMsg); // 將收到的消息添加到數(shù)組中
      });
      // 連接關(guān)閉時(shí)觸發(fā)的事件
      this.socket.addEventListener("close", () => {
        console.log("與WebSocket服務(wù)器的連接已關(guān)閉");
      });
    },
    methods: {
      sendMessage() {
        if (this.socket.readyState === WebSocket.OPEN) {
          this.socket.send(this.message);
          this.message = "";
        } else {
          console.log("WebSocket連接未就緒，無(wú)法發(fā)送消息");
        }
      },
    },
  });
</script>

• 模擬服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求

注意：下方代碼中，定時(shí)器僅用來(lái)模擬，在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)該替換為業(yè)務(wù)代碼

const WebSocket = require('ws');

// 創(chuàng)建WebSocket服務(wù)器實(shí)例，監(jiān)聽(tīng)在3000端口，你可以根據(jù)需求修改端口號(hào)
const wss = new WebSocket.Server({ port: 3000 });

// 用于存儲(chǔ)已連接的客戶端WebSocket實(shí)例，方便后續(xù)向所有客戶端發(fā)送消息等操作
const clients = [];

// 當(dāng)有客戶端連接時(shí)觸發(fā)的事件
wss.on('connection', (ws) => {
  console.log('客戶端已連接');
  clients.push(ws);

  // 接收客戶端發(fā)送的消息
  ws.on('message', (message) => {
    console.log(`收到客戶端消息: ${message}`);
    // 這里簡(jiǎn)單地將收到的消息加上一個(gè)后綴后再發(fā)回客戶端
    const responseMessage = `你發(fā)送的消息是：${message}`;
    ws.send(responseMessage);
  });

  // 當(dāng)客戶端關(guān)閉連接時(shí)觸發(fā)的事件
  ws.on('close', () => {
    console.log('客戶端已斷開(kāi)連接');
    const index = clients.indexOf(ws);
    if (index > -1) {
      clients.splice(index, 1);
    }
  });
});

// 【注意： 模擬一個(gè)定時(shí)任務(wù)，每隔1秒向所有已連接的客戶端發(fā)送一條消息，你可以編寫(xiě)自己的業(yè)務(wù)代碼】
setInterval(() => {
  const messageToSend = '這是服務(wù)端主動(dòng)發(fā)送的消息，當(dāng)前時(shí)間：' + new Date().toLocaleString();
  clients.forEach((client) => {
    if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
      client.send(messageToSend);
    }
  });
}, 1000);

console.log('WebSocket服務(wù)器已啟動(dòng)，正在監(jiān)聽(tīng)3000端口...');

• 實(shí)現(xiàn)效果

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3. 特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的 HTTP 請(qǐng)求，Web Socket 在實(shí)時(shí)性方面展現(xiàn)出了卓越優(yōu)勢(shì)，它打破了以往被動(dòng)等待響應(yīng)的模式，服務(wù)器得以實(shí)時(shí)且主動(dòng)地將數(shù)據(jù)推送至客戶端。在面對(duì)高實(shí)時(shí)性的場(chǎng)景下，大大的提升了用戶體驗(yàn)。并且只需建立一次 TCP 連接，后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸高效便捷，既減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的無(wú)謂占用，又減輕了服務(wù)器頻繁處理連接請(qǐng)求的負(fù)擔(dān)。然而，當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)變化，假設(shè)客戶端僅僅是獲取服務(wù)端推送的消息，自身并無(wú)向服務(wù)端發(fā)送信息的需求，此時(shí)，我們可以考慮下 SSE（Server-Sent Events）這個(gè)方案。

四、方案三：SSE

SSE（Server-Sent Events） 同樣具備了服務(wù)端主動(dòng)向客戶端推送數(shù)據(jù)的能力，而無(wú)需客戶端不斷地發(fā)起請(qǐng)求。與Web Socket不同的是，SSE 是基于 HTTP 協(xié)議的，使用的是單向通信， 而Web Socket是基于TCP協(xié)議的，使用的話雙向通信。

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1、SSE通信原理

1) 客戶端發(fā)起請(qǐng)求

• 客戶端需要發(fā)送一個(gè)特定的請(qǐng)求告知服務(wù)器準(zhǔn)備接收事件。在傳統(tǒng)的 HTTP 請(qǐng)求 - 響應(yīng)模式中，一次請(qǐng)求完成后連接通常會(huì)關(guān)閉，但 SSE 通過(guò)在服務(wù)器端和客戶端設(shè)置特定的頭部信息，讓連接持續(xù)開(kāi)啟。例如：設(shè)置了Content - Type頭部為text/event - stream，并設(shè)置Cache - Control為no - cache以及Connection為keep - alive，這樣告知客戶端，這是一個(gè) SSE 連接，數(shù)據(jù)會(huì)持續(xù)推送，并且不需要緩存數(shù)據(jù)?？蛻舳酥恍柘蚍?wù)器發(fā)送一個(gè)普通的 HTTP 請(qǐng)求，指向服務(wù)器端提供 SSE 服務(wù)的特定端點(diǎn)就行，例如/events，就可以順利開(kāi)啟SSE連接。

2)服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求

• 服務(wù)器收到客戶端請(qǐng)求后，會(huì)維持一個(gè)長(zhǎng)連接，并且定期向客戶端發(fā)送事件數(shù)據(jù)。每個(gè)事件都是通過(guò)特定的格式（例如 data:\n\n）發(fā)送給客戶端的。

3) 客戶端接收數(shù)據(jù)

• 客戶端通過(guò) JavaScript 的 EventSource 對(duì)象接收從服務(wù)器推送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以是普通文本，也可以是 JSON 格式的對(duì)象，取決于服務(wù)器如何發(fā)送。

4) 事件流的關(guān)閉

• 一旦不再需要推送數(shù)據(jù)，比如客戶端主動(dòng)關(guān)閉連接，又或是中途出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)推送時(shí)，服務(wù)器便會(huì)果斷關(guān)閉連接。

2、示例

• 服務(wù)端，使用express框架為例

注意：下方代碼中，定時(shí)器僅用來(lái)模擬，在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)該替換為業(yè)務(wù)代碼

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// 設(shè)置響應(yīng)頭，表明這是一個(gè)SSE流
app.get('/events', (req, res) => {
    res.setHeader('Content-Type','text/event-stream');
    res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache');
    res.setHeader('Connection', 'keep-alive');

    // 【注意：模擬定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)（實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)真實(shí)業(yè)務(wù)邏輯觸發(fā)發(fā)送）！??！】
    const interval = setInterval(() => {
        const data = `data: { "time": "${new Date().toLocaleString()}"}\n\n`;
        res.write(data);
    }, 3000);

    // 當(dāng)客戶端關(guān)閉連接時(shí)，清除定時(shí)器
    req.on('close', () => {
        clearInterval(interval);
    });
});

app.listen(port, () => {
    console.log(`服務(wù)器運(yùn)行在 http://localhost:${port}`);
});

• 模擬客戶端代碼

mounted() {
  const source = new EventSource('http://localhost:3000/events');
  source.onmessage = (event) => {
      const data = JSON.parse(event.data); // data 就是發(fā)送的消息
      this.message = data.message;
  };
  source.onerror = (error) => {
      console.log('SSE連接出錯(cuò)：', error);
  };
}

• 實(shí)現(xiàn)效果

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3.特點(diǎn)

對(duì)于SSE來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)上在于簡(jiǎn)單易用，客戶端用 EventSource可以接收，服務(wù)器端定期發(fā)數(shù)據(jù)即可推送。且單向通信、基于長(zhǎng)連接，服務(wù)器資源消耗低。不過(guò)，SSE 是有局限的。只能夠進(jìn)行單向通信，現(xiàn)代瀏覽器大多支持，但是IE或者舊版本瀏覽器不支持。SSE 只支持文本格式的數(shù)據(jù)流，不支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸?？傊?，SSE 在合適場(chǎng)景能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，支撐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送需求。

五、總結(jié)

上述文章中，介紹了輪詢、Web Socket、SSE 三種方案。適合的場(chǎng)景也有一些差別，例如：輪詢的方式可以在更新頻率不高的場(chǎng)景下使用、Web Socket可以在需要雙向交互的場(chǎng)景下使用、SSE適用于服務(wù)器到客戶端的單向數(shù)據(jù)流的場(chǎng)景下使用。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)場(chǎng)景選擇最優(yōu)方案，提升產(chǎn)品實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)。