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网页实时聊天之PHP实现websocket

WBOY
WBOY原创
2016-11-30 23:59:331592浏览

前言

websocket 作为 HTML5 里一个新的特性一直很受人关注，因为它真的非常酷，打破了 http “请求-响应”的常规思维，实现了服务器向客户端主动推送消息，本文介绍如何使用 PHP 和 JS 应用 websocket 实现一个网页实时聊天室；

以前写过一篇文章讲述如何使用ajax长轮询实现网页实时聊天，见链接： 网页实时聊天之js和jQuery实现ajax长轮询 ，但是轮询和服务器的 pending 都是无谓的消耗，websocket 才是新的趋势。

最近艰难地“挤”出了一点时间，完善了很早之前做的 websocket “请求-原样返回”服务器，用js完善了下客户端功能，把过程和思路分享给大家，顺便也普及一下 websocket 相关的知识，当然现在讨论 websocket 的文章也特别多，有些理论性的东西我也就略过了，给出参考文章供大家选择阅读。

正文开始前，先贴一张聊天室的效果图（请不要在意CSS渣的页面）：

然后当然是源码： 我是源码链接 - github - 枕边书

websocket

简介

WebSocket 不是一门技术，而是一种全新的协议。它应用 TCP 的 Socket（套接字），为网络应用定义了一个新的重要的能力：客户端和服务器端的双全工传输和双向通信。是继 Java applets、 XMLHttpRequest、 Adobe Flash,、ActiveXObject、 各类 Comet 技术之后，服务器推送客户端消息的新趋势。

与http的关系

在网络分层上，websocket 与 http 协议都是应用层的协议，它们都是基于 tcp 传输层的，但是 websocket 在建立连接时，是借用 http 的 101 switch protocol 来达到协议转换（Upgrade）的，从 HTTP 协议切换成 WebSocket 通信协议,这个动作协议中称“握手”；

握手成功后，websocket 就使用自己的协议规定的方式进行通讯，跟 http 就没有关系了。

握手

以下是一个我自己的浏览器发送的典型的握手 http 头： 

服务器收到握手请求后，提取出请求头中的 “Sec-WebSocket-Key” 字段，追回一个固定的字符串 ‘258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11’， 然后进行 sha1 加密，最后转换为 base64 编码，作为 key 以 “Sec-WebSocket-Accept” 字段返回给客户端，客户端匹配此 key 后，便建立了连接，完成了握手；

数据传输

websocket 有自己规定的数据传输格式，称为 帧（Frame），下图是一个数据帧的结构，其中单位为bit：

<code class="language-none">  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+</code>

具体每个字段是什么意思，有兴趣的可以看一下这篇文章 The WebSocket Protocol 5.数据帧 感觉自己对二进制的操作还不是很灵活，也就没有挑战自己写算法解析数据了，下面的数据帧解析和封装都是使用的网上的算法。

不过，我工作中写支付网关中还是会经常用到数据的进制操作的，这个一定是要仔细研究总结一下的，嗯，先记下。

PHP 实现 websocket 服务器

PHP 实现 websocket 的话，主要是应用 PHP 的 socket 函数库：

PHP 的 socket 函数库跟 C 语言的 socket 函数非常类似，以前翻过一遍 APUE, 所以觉得还挺好理解。在 PHP 手册中看一遍 socket 函数，我想大家也能对 php 的 socket 编程有一定的认识。

下面会在代码中对所用函数进行简单的注释。

文件描述符

忽然提及'文件描述符'，大家可能会有些奇怪。

但作为服务器，是必须要对已经连接的 socket 进行存储和识别的。每一个 socket 代表一个用户，如何关联和查询用户信息与 socket 的对应就是一个问题了，这里便应用了关于文件描述符的一点小技巧。

我们知道 linux 是'万物皆文件'的，C 语言的 socket 的实现便是一个个的’文件描述符‘ ，这个文件描述符一般是打开文件的顺序递增的 int 数值，从 0 一直递增（当然系统是有限制的）。每一个 socket 都对应一个文件，读写 socket 都是操作对应的文件，所以也能像文件系统一样应用 read 和 write 函数。

tips: linux 中， 标准输入对应的是文件描述符 0；标准输出对应的文件描述符是 1； 标准错误对应的文件描述符是 2；所以我们可以使用 0 1 2对输入输出重定向。

那么类似于 C socket 的 PHP socket 自然也继承了这一点，它创建的 socket 也是类型于 int 值为 4 5 之类的资源类型。 我们可以使用 (int) 或 intval() 函数把 socket 转换为一个唯一的ID，从而可以实现用一个 ’类索引数组‘ 来存储 socket 资源和对应的用户信息；

结果类似：

<code class="language-none">$connected_sockets = array(
    (int)$socket => array(
        'resource' => $socket,
        'name' => $name,
        'ip' => $ip,
        'port' => $port,
        ...
    )
)</code>

创建服务器socket

下面是一段创建服务器 socket 的代码：

<code class="language-none">// 创建一个 TCP socket, 此函数的可选值在官方文档中写得十分详细，这里不再提了
$this->master = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
// 设置IP和端口重用,在重启服务器后能重新使用此端口;
socket_set_option($this->master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1);
// 将IP和端口绑定在服务器socket上;
socket_bind($this->master, $host, $port);
// listen函数使主动连接套接口变为被连接套接口，使得此 socket 能被其他 socket 访问，从而实现服务器功能。后面的参数则是自定义的待处理socket的最大数目，并发高的情况下，这个值可以设置大一点，虽然它也受系统环境的约束。
socket_listen($this->master, self::LISTEN_SOCKET_NUM);</code>

这样，我们就得到一个服务器 socket，当有客户端连接到此 socket 上时，它将改变状态为可读，那就看接下来服务器的处理逻辑了。

服务器逻辑

这里着重讲一下 socket_select($read, $write, $except, $tv_sec [, $tv_usec]):

select 函数使用传统的 select 模型，可读、写、异常的 socket 会被分别放入 $socket, $write, $except 数组中,然后返回 状态改变的 socket 的数目，如果发生了错误，函数将会返回 false.

需要注意的是最后两个时间参数，它们只有单位不同，可以搭配使用，用来表示 socket_select 阻塞的时长，为0时此函数立即返回，可以用于轮询机制。 为 NULL 时，函数会一直阻塞下去, 这里我们置 $tv_sec 参数为null，让它一直阻塞，直到有可操作的 socket 返回。

下面是服务器的主要逻辑：

<code class="language-none">$write = $except = NULL;
$sockets = array_column($this->sockets, 'resource'); // 获取到全部的 socket 资源
$read_num = socket_select($sockets, $write, $except, NULL);

foreach ($sockets as $socket) {
        // 如果可读的是服务器 socket, 则处理连接逻辑;            
        if ($socket == $this->master) {
            socket_accept($this->master);
            // socket_accept() 接受 请求 “正在 listen 的 socket（像我们的服务器 socket ）” 的连接, 并一个客户端 socket, 错误时返回 false;
             self::connect($client);
             continue;
            }
        // 如果可读的是其他已连接 socket ,则读取其数据,并处理应答逻辑
        } else {
            // 函数 socket_recv() 从 socket 中接受长度为 len 字节的数据，并保存在 $buffer 中。
            $bytes = @socket_recv($socket, $buffer, 2048, 0);

            if ($bytes disconnect($socket);
            } else {
                // 如果此客户端还未握手，执行握手逻辑
                if (!$this->sockets[(int)$socket]['handshake']) {
                    self::handShake($socket, $buffer);
                    continue;
                } else {
                    $recv_msg = self::parse($buffer);
                }
            }

            // 广播消息
            $this->broadcast($msg);
        }
    }
}</code>

这里只是服务器处理消息的基础代码，日志记录和异常处理都略过了，而且还有些数据帧解析和封装的方法，各位也不一定看爱，有兴趣的可以去 github 上支持一下我的源码~~

此外，为了便于服务器与客户端的交互，我自己定义了 json 类型的消息格式，形似：

<code class="language-none">$msg = [
    'type' => $msg_type, // 有普通消息，上下线消息，服务器消息
    'from' => $msg_resource, // 消息来源
    'content' => $msg_content, // 消息内容
    'user_list' => $uname_list, // 便于同步当前在线人数与姓名
    ];</code>

客户端

创建客户端

前端我们使用 js 调用 Websocket 方法很简单就能创建一个 websocket 连接，服务器会为帮我们完成连接、握手的操作，js 使用事件机制来处理浏览器与服务器的交互：

<code class="language-none">// 创建一个 websocket 连接
var ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8080");

// websocket 创建成功事件
ws.onopen = function () {
};

// websocket 接收到消息事件
ws.onmessage = function (e) {
    var msg = JSON.parse(e.data);
}

// websocket 错误事件
ws.onerror = function () {
};</code>

发送消息也很简单，直接调用 ws.send(msg) 方法就行了。

页面功能

页面部分主要是让用户使用起来方便，这里给消息框 textarea 添加了一个键盘监控事件，当用户按下回车键时直接发送消息；

<code class="language-none">function confirm(event) {
    var key_num = event.keyCode;
    if (13 == key_num) {
        send();
    } else {
        return false;
    }
}</code>

还有用户打开客户端时生成一个默认唯一用户名；

然后是一些对数据的解析构造，对客户端页面的更新，这里就不再啰嗦了，感兴趣的可以看源码。

用户名异步处理

这里不得不提一下用户登陆时确定用户名时的一个小问题，我原来是想在客户端创建一个连接后直接发送用户名到服务器，可是控制台里报出了 “websocket 仍在连接中或已关闭” 的错误信息。

Uncaught DOMException: Failed to execute 'send' on 'WebSocket': Still in CONNECTING state.

考虑到连接可能还没处理好，我就实现了 sleep 方法等了一秒再发送用户名，可是错误仍然存在。

后来忽然想到 js 的单线程阻塞机制，才明白使用 sleep 一直阻塞也是没有用的，利用好 js 的事件机制才是正道：于是在服务器端添加逻辑，在握手成功后，向客户端发送握手已成功的消息；客户端先将用户名存入一个全局变量，接收到服务器的握手成功的提醒消息后再发送用户名，于是成功在第一时间更新用户名。

小结

聊天室扩展方向

简易聊天室已经完成，当然还要给它带有希望的美好未来，希望有人去实现：

  • 页面美化（信息添加颜色等）
  • 服务器识别 '@' 字符而只向某一个 socket 写数据实现聊天室的私聊；
  • 多进程（使用 redis 等缓存数据库来实现资源的共享），可参考我以前的一篇文章： 初探PHP多进程
  • 消息记录数据库持久化（log 日志还是不方便分析）
  • ...

总结

多读些经典书籍还是很有用的，有些东西真的是触类旁通，APUE/UNP 还是要再多翻几遍。此外互联网技术日新月异，挑一些自己喜欢的学习一下，跟大家分享一下也是挺舒服的（虽然程序和博客加一块用了至少10个小时...）。

参考：

websocket协议翻译

刨根问底 HTTP 和 WebSocket 协议（下）

学习WebSocket协议—从顶层到底层的实现原理（修订版）

嗯，持续更新。喜欢的可以点个推荐或关注，有错漏之处，请指正，谢谢。

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