Golang实现Websocket: 从设计到实现

在互联网时代，实时性已经成为了用户对于网站的一项非常基本的要求。Websocket作为一种新的通信协议，可以在客户端和服务器之间建立一个持久性的连接通道，使得数据可以实时传输。而Golang作为一种高效率的编程语言，绝对是实现Websocket的一种不错的选择。

本文将详细讲述Golang如何实现Websocket，从设计到实现。以下是本文的大纲：
1. Websocket协议简介
2. Golang中的Websocket
3. Websocket的设计与实现
4. 结语

一. Websocket协议简介
WebSocket是HTML5出现的一种新的协议，通过在客户端和服务器之间建立一条长连接，使得数据可以实时传输。它使用了一个双向通信机制，可以让客户端和服务器之间互相发送消息。

WebSocket协议的工作流程如下图所示：

![image](https://s3.amazonaws.com/kinlane-productions/salesforce/websocket-protocol-handshake.png)

当客户端请求Websocket连接时，服务器先返回一个HTTP报文给客户端，然后客户端根据这个报文进行握手。握手完成后，双方就可以互相发送消息。由于Websocket是一个持久的连接，因此在通信效率和实时性方面都比HTTP有很大的优势。

二. Golang中的Websocket
Golang自带了一个net/http包，里面包含了对于Websocket的支持。使用它可以很方便地实现Websocket。

在Golang中，需要使用http包的Upgrade函数来升级HTTP连接为Websocket连接。升级后的连接中，可以使用ReadMessage和WriteMessage函数分别读取和写入消息。

下面是Golang中使用Websocket的示例代码：

```
package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
    "github.com/gorilla/websocket"
)

var (
    upgrader = websocket.Upgrader{
        ReadBufferSize:  1024,
        WriteBufferSize: 1024,
    }
)

func handleWS(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // 升级连接
    conn, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)
    if err != nil {
        fmt.Println("upgrade error:", err)
        return
    }
    // 循环读取消息
    for {
        _, message, err := conn.ReadMessage()
        if err != nil {
            fmt.Println("read error:", err)
            return
        }
        // 打印消息
        fmt.Printf("recv: %s\n", message)
        // 回复消息
        err = conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, message)
        if err != nil {
            fmt.Println("write error:", err)
            return
        }
    }
}

func main() {
    http.HandleFunc("/ws", handleWS)
    http.ListenAndServe(":8080", nil)
}
```

从以上代码可以看出，使用Golang实现Websocket非常简单。这里使用了gorilla/websocket包来帮助实现Websocket，这个包是目前比较流行的一个Websocket库。

三. Websocket的设计与实现
实际上，使用Golang来实现Websocket并不难，但是在实际的应用中，还需要更多的设计和实现来满足具体的需求。

一般来说，一个Websocket连接至少需要以下几个部分：

1. 握手阶段
2. 消息封装和解析
3. 消息处理

下面将对这几个部分进行详细的设计和实现。

1. 握手阶段

在Websocket连接建立的第一步，需要进行握手。握手阶段主要有以下几个步骤：

1) 客户端向服务器发送一个HTTP请求，请求建立Websocket连接。

2) 服务器返回一个HTTP响应，其中包含了一些特殊的头部信息，以标识这是一个Websocket连接。

3) 客户端收到响应后，也会返回一个类似响应的报文，以确认握手完成。

在Golang中，可以通过以下函数来实现Websocket握手：

```
func (u *Upgrader) Upgrade(w http.ResponseWriter, r *http.Request, responseHeader http.Header) (*Conn, error)
```

其中，Upgrader是gorilla/websocket库中的一个结构体，包含了升级的一些配置信息。

2. 消息封装和解析

Websocket是基于消息的通信协议，因此消息的封装和解析非常重要。一般来说，一个Websocket消息应该至少包含以下几个部分：

1) 消息类型
2) 消息码
3) 消息体

在gorilla/websocket库中，消息的类型是int类型，消息码是一个枚举类型。

下面是一个将消息封装为JSON格式的示例代码：

```
type Message struct {
    Type int         `json:"type"`
    Code int         `json:"code"`
    Body interface{} `json:"body"`
}

func (msg *Message) Marshal() ([]byte, error) {
    return json.Marshal(msg)
}

func UnmarshalMessage(data []byte) (*Message, error) {
    msg := &Message{}
    err := json.Unmarshal(data, msg)
    return msg, err
}
```

3. 消息处理

消息处理是Websocket连接中最核心的部分。一般来说，一个Websocket连接需要能够处理以下几种类型的消息：

1) 建立连接消息
2) 关闭连接消息
3) 心跳消息
4) 业务消息

其中，建立连接消息和关闭连接消息比较简单，在这里不再赘述。心跳消息可以用来保持连接的活性，主要是在长时间没有数据传输的时候发送一个空消息。业务消息则是真正的应用数据。

在消息处理过程中，我们还需要考虑到回调函数的使用。一般来说，在收到业务消息后，需要回调处理函数进行具体的业务逻辑处理。

下面是一个完整的Websocket连接的示例代码：

```
type Conn struct {
    WSConn     *websocket.Conn
    ReadChan   chan []byte
    WriteChan  chan []byte
    CloseChan  chan byte
    IsClosed   bool
    OnOpen     func()
    OnClose    func()
    OnHeartBeat func()
    OnMessage  func(message []byte)
}

func NewConn(wsConn *websocket.Conn) *Conn {
    return &Conn{
        WSConn:     wsConn,
        ReadChan:   make(chan []byte, 1024),
        WriteChan:  make(chan []byte, 1024),
        CloseChan:  make(chan byte),
        IsClosed:   false,
        OnOpen:     func() {},
        OnClose:    func() {},
        OnHeartBeat:func() {},
        OnMessage:  func(message []byte) {},
    }
}

func (conn *Conn) ReadLoop() {
    defer func() {
        conn.Close()
    }()
    for {
        _, message, err := conn.WSConn.ReadMessage()
        if err != nil {
            if !conn.IsClosed {
                conn.Close()
            }
            break
        }
        conn.ReadChan <- message
    }
}

func (conn *Conn) WriteLoop() {
    defer func() {
        conn.Close()
    }()
    for {
        select {
        case message, ok := <-conn.WriteChan:
            if !ok {
                if !conn.IsClosed {
                    conn.Close()
                }
                break
            }
            err := conn.WSConn.WriteMessage(websocket.TextMessage, message)
            if err != nil {
                if !conn.IsClosed {
                    conn.Close()
                }
                break
            }
        case <-conn.CloseChan:
            break
        }
    }
}

func (conn *Conn) HeartBeatLoop() {
    ticker := time.NewTicker(time.Second * 10)
    defer func() {
        ticker.Stop()
    }()
    for {
        select {
        case <-ticker.C:
            if conn.IsClosed {
                break
            }
            conn.OnHeartBeat()
            err := conn.WSConn.WriteMessage(websocket.TextMessage, []byte{})
            if err != nil {
                if !conn.IsClosed {
                    conn.Close()
                }
                break
            }
        case <-conn.CloseChan:
            break
        }
    }
}

func (conn *Conn) Start() {
    go conn.ReadLoop()
    go conn.WriteLoop()
    go conn.HeartBeatLoop()
    conn.OnOpen()
}

func (conn *Conn) Close() {
    if !conn.IsClosed {
        conn.WSConn.Close()
        conn.OnClose()
        close(conn.CloseChan)
        conn.IsClosed = true
    }
}

func (conn *Conn) Send(message []byte) error {
    if conn.IsClosed {
        return errors.New("connection closed")
    }
    conn.WriteChan <- message
    return nil
}

func (conn *Conn) SetOnOpen(f func()) {
    conn.OnOpen = f
}

func (conn *Conn) SetOnClose(f func()) {
    conn.OnClose = f
}

func (conn *Conn) SetOnHeartBeat(f func()) {
    conn.OnHeartBeat = f
}

func (conn *Conn) SetOnMessage(f func(message []byte)) {
    conn.OnMessage = f
}

func (conn *Conn) Run() {
    for {
        select {
        case message := <-conn.ReadChan:
            conn.OnMessage(message)
        case <-conn.CloseChan:
            return
        }
    }
}
```

以上代码展示了一个完整的Websocket连接的设计和实现。其中，ReadLoop函数和WriteLoop函数分别用来读取和写入消息，HeartBeatLoop函数则用来维持连接的活性。Start函数用来启动消息处理循环，Close函数用来关闭连接。Send函数用来向连接发送消息，SetOnOpen函数、SetOnClose函数、SetOnHeartBeat函数、SetOnMessage函数都是用来设置回调函数的。

四. 结语
以上就是Golang实现Websocket的详细介绍。Websocket是一个非常强大的通信协议，在很多实时性要求较高的场景下都有着广泛的应用。使用Golang来实现Websocket非常方便，而且效率也非常高。