WebSocket 教程

WebSocket 是一种网络通信协议,很多高级功能都需要它。

本文介绍 WebSocket 协议的使用方法。

一、为什么需要 WebSocket?

初次接触 WebSocket 的人,都会问同样的问题:我们已经有了 HTTP 协议,为什么还需要另一个协议?它能带来什么好处?

答案很简单,因为 HTTP 协议有一个缺陷:通信只能由客户端发起。

举例来说,我们想了解今天的天气,只能是客户端向服务器发出请求,服务器返回查询结果。HTTP 协议做不到服务器主动向客户端推送信息。

这种单向请求的特点,注定了如果服务器有连续的状态变化,客户端要获知就非常麻烦。我们只能使用“轮询”:每隔一段时候,就发出一个询问,了解服务器有没有新的信息。最典型的场景就是聊天室。

轮询的效率低,非常浪费资源(因为必须不停连接,或者 HTTP 连接始终打开)。因此,工程师们一直在思考,有没有更好的方法。WebSocket 就是这样发明的。

二、简介

WebSocket 协议在2008年诞生,2011年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。

它的最大特点就是,服务器可以主动向客户端推送信息,客户端也可以主动向服务器发送信息,是真正的双向平等对话,属于服务器推送技术的一种。

其他特点包括:

(1)建立在 TCP 协议之上,服务器端的实现比较容易。

(2)与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443,并且握手阶段采用 HTTP 协议,因此握手时不容易屏蔽,能通过各种 HTTP 代理服务器。

(3)数据格式比较轻量,性能开销小,通信高效。

(4)可以发送文本,也可以发送二进制数据。

(5)没有同源限制,客户端可以与任意服务器通信。

(6)协议标识符是ws(如果加密,则为wss),服务器网址就是 URL。

ws://example.com:80/some/path

三、客户端的简单示例

WebSocket 的用法相当简单。

下面是一个网页脚本的例子(点击这里看运行结果),基本上一眼就能明白。

var ws = new WebSocket("wss://echo.websocket.org");

ws.onopen = function(evt) { 
  console.log("Connection open ..."); 
  ws.send("Hello WebSockets!");
};

ws.onmessage = function(evt) {
  console.log( "Received Message: " + evt.data);
  ws.close();
};

ws.onclose = function(evt) {
  console.log("Connection closed.");
};      

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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。


// 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。

ws.send('your message');

发送 Blob 对象的例子。

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

发送 ArrayBuffer 对象的例子。


// 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。

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。

socket.onerror = function(event) {
  // handle error event
};

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

五、服务端的实现

WebSocket 服务器的实现,可以查看维基百科的列表

常用的 Node 实现有以下三种。

具体的用法请查看它们的文档,这里不详细介绍了。

六、WebSocketd

下面,我要推荐一款非常特别的 WebSocket 服务器:Websocketd

它的最大特点,就是后台脚本不限语言,标准输入(stdin)就是 WebSocket 的输入,标准输出(stdout)就是 WebSocket 的输出。

举例来说,下面是一个 Bash 脚本counter.sh。

#!/bin/bash

echo 1
sleep 1

echo 2
sleep 1

echo 3

命令行下运行这个脚本,会输出1、2、3,每个值之间间隔1秒。

$ bash ./counter.sh
1
2
3

现在,启动websocketd,指定这个脚本作为服务。

$ websocketd --port=8080 bash ./counter.sh

上面的命令会启动一个 WebSocket 服务器,端口是8080。每当客户端连接这个服务器,就会执行counter.sh脚本,并将它的输出推送给客户端。

var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080/');

ws.onmessage = function(event) {
  console.log(event.data);
};

上面是客户端的 JavaScript 代码,运行之后会在控制台依次输出1、2、3。

有了它,就可以很方便地将命令行的输出,发给浏览器。

$ websocketd --port=8080 ls

上面的命令会执行ls命令,从而将当前目录的内容,发给浏览器。使用这种方式实时监控服务器,简直是轻而易举(代码)。

更多的用法可以参考官方示例

websocketd 的实质,就是命令行的 WebSocket 代理。只要命令行可以执行的程序,都可以通过它与浏览器进行 WebSocket 通信。下面是一个 Node 实现的回声服务greeter.js

process.stdin.setEncoding('utf8');

process.stdin.on('readable', function() {
  var chunk = process.stdin.read();
  if (chunk !== null) {
    process.stdout.write('data: ' + chunk);
  }
});

启动这个脚本的命令如下。

$ websocketd --port=8080 node ./greeter.js

官方仓库还有其他各种语言的例子。

七、参考链接

(完)

网页性能管理详解

转自作者: 阮一峰

http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/09/web-page-performance-in-depth.html

你遇到过性能很差的网页吗?

这种网页响应非常缓慢,占用大量的CPU和内存,浏览起来常常有卡顿,页面的动画效果也不流畅。

你会有什么反应?我猜想,大多数用户会关闭这个页面,改为访问其他网站。作为一个开发者,肯定不愿意看到这种情况,那么怎样才能提高性能呢?

本文将详细介绍性能问题的出现原因,以及解决方法。

一、网页生成的过程

要理解网页性能为什么不好,就要了解网页是怎么生成的。

网页的生成过程,大致可以分成五步。

  1. HTML代码转化成DOM
  2. CSS代码转化成CSSOM(CSS Object Model)
  3. 结合DOM和CSSOM,生成一棵渲染树(包含每个节点的视觉信息)
  4. 生成布局(layout),即将所有渲染树的所有节点进行平面合成
  5. 将布局绘制(paint)在屏幕上

这五步里面,第一步到第三步都非常快,耗时的是第四步和第五步。

“生成布局”(flow)和”绘制”(paint)这两步,合称为”渲染”(render)。

二、重排和重绘

网页生成的时候,至少会渲染一次。用户访问的过程中,还会不断重新渲染。

以下三种情况,会导致网页重新渲染。

  • 修改DOM
  • 修改样式表
  • 用户事件(比如鼠标悬停、页面滚动、输入框键入文字、改变窗口大小等等)

重新渲染,就需要重新生成布局和重新绘制。前者叫做”重排”(reflow),后者叫做”重绘”(repaint)。

需要注意的是,”重绘”不一定需要”重排”,比如改变某个网页元素的颜色,就只会触发”重绘”,不会触发”重排”,因为布局没有改变。但是,”重排”必然导致”重绘”,比如改变一个网页元素的位置,就会同时触发”重排”和”重绘”,因为布局改变了。

三、对于性能的影响

重排和重绘会不断触发,这是不可避免的。但是,它们非常耗费资源,是导致网页性能低下的根本原因。

提高网页性能,就是要降低”重排”和”重绘”的频率和成本,尽量少触发重新渲染。

前面提到,DOM变动和样式变动,都会触发重新渲染。但是,浏览器已经很智能了,会尽量把所有的变动集中在一起,排成一个队列,然后一次性执行,尽量避免多次重新渲染。

div.style.color = 'blue';
div.style.marginTop = '30px';

上面代码中,div元素有两个样式变动,但是浏览器只会触发一次重排和重绘。

如果写得不好,就会触发两次重排和重绘。

div.style.color = 'blue';
var margin = parseInt(div.style.marginTop);
div.style.marginTop = (margin + 10) + 'px';

上面代码对div元素设置背景色以后,第二行要求浏览器给出该元素的位置,所以浏览器不得不立即重排。

一般来说,样式的写操作之后,如果有下面这些属性的读操作,都会引发浏览器立即重新渲染。

  • offsetTop/offsetLeft/offsetWidth/offsetHeight
  • scrollTop/scrollLeft/scrollWidth/scrollHeight
  • clientTop/clientLeft/clientWidth/clientHeight
  • getComputedStyle()

所以,从性能角度考虑,尽量不要把读操作和写操作,放在一个语句里面。


// bad
div.style.left = div.offsetLeft + 10 + "px";
div.style.top = div.offsetTop + 10 + "px";

// good
var left = div.offsetLeft;
var top  = div.offsetTop;
div.style.left = left + 10 + "px";
div.style.top = top + 10 + "px";

一般的规则是:

  • 样式表越简单,重排和重绘就越快。
  • 重排和重绘的DOM元素层级越高,成本就越高。
  • table元素的重排和重绘成本,要高于div元素

四、提高性能的九个技巧

有一些技巧,可以降低浏览器重新渲染的频率和成本。

第一条是上一节说到的,DOM 的多个读操作(或多个写操作),应该放在一起。不要两个读操作之间,加入一个写操作。

第二条,如果某个样式是通过重排得到的,那么最好缓存结果。避免下一次用到的时候,浏览器又要重排。

第三条,不要一条条地改变样式,而要通过改变class,或者csstext属性,一次性地改变样式。


// bad
var left = 10;
var top = 10;
el.style.left = left + "px";
el.style.top  = top  + "px";

// good 
el.className += " theclassname";

// good
el.style.cssText += "; left: " + left + "px; top: " + top + "px;";

第四条,尽量使用离线DOM,而不是真实的网面DOM,来改变元素样式。比如,操作Document Fragment对象,完成后再把这个对象加入DOM。再比如,使用 cloneNode() 方法,在克隆的节点上进行操作,然后再用克隆的节点替换原始节点。

第五条,先将元素设为display: none(需要1次重排和重绘),然后对这个节点进行100次操作,最后再恢复显示(需要1次重排和重绘)。这样一来,你就用两次重新渲染,取代了可能高达100次的重新渲染。

第六条,position属性为absolute或fixed的元素,重排的开销会比较小,因为不用考虑它对其他元素的影响。

第七条,只在必要的时候,才将元素的display属性为可见,因为不可见的元素不影响重排和重绘。另外,visibility : hidden的元素只对重绘有影响,不影响重排。

第八条,使用虚拟DOM的脚本库,比如React等。

第九条,使用 window.requestAnimationFrame()、window.requestIdleCallback() 这两个方法调节重新渲染(详见后文)。

五、刷新率

很多时候,密集的重新渲染是无法避免的,比如scroll事件的回调函数和网页动画。

网页动画的每一帧(frame)都是一次重新渲染。每秒低于24帧的动画,人眼就能感受到停顿。一般的网页动画,需要达到每秒30帧到60帧的频率,才能比较流畅。如果能达到每秒70帧甚至80帧,就会极其流畅。

大多数显示器的刷新频率是60Hz,为了与系统一致,以及节省电力,浏览器会自动按照这个频率,刷新动画(如果可以做到的话)。

所以,如果网页动画能够做到每秒60帧,就会跟显示器同步刷新,达到最佳的视觉效果。这意味着,一秒之内进行60次重新渲染,每次重新渲染的时间不能超过16.66毫秒。

一秒之间能够完成多少次重新渲染,这个指标就被称为”刷新率”,英文为FPS(frame per second)。60次重新渲染,就是60FPS。

如果想达到60帧的刷新率,就意味着JavaScript线程每个任务的耗时,必须少于16毫秒。一个解决办法是使用Web Worker,主线程只用于UI渲染,然后跟UI渲染不相干的任务,都放在Worker线程。

六、开发者工具的Timeline面板

Chrome浏览器开发者工具的Timeline面板,是查看”刷新率”的最佳工具。这一节介绍如何使用这个工具。

首先,按下 F12 打开”开发者工具”,切换到Timeline面板。

左上角有一个灰色的圆点,这是录制按钮,按下它会变成红色。然后,在网页上进行一些操作,再按一次按钮完成录制。

Timeline面板提供两种查看方式:横条的是”事件模式”(Event Mode),显示重新渲染的各种事件所耗费的时间;竖条的是”帧模式”(Frame Mode),显示每一帧的时间耗费在哪里。

先看”事件模式”,你可以从中判断,性能问题发生在哪个环节,是JavaScript的执行,还是渲染?

不同的颜色表示不同的事件。

  • 蓝色:网络通信和HTML解析
  • 黄色:JavaScript执行
  • 紫色:样式计算和布局,即重排
  • 绿色:重绘

哪种色块比较多,就说明性能耗费在那里。色块越长,问题越大。

帧模式(Frames mode)用来查看单个帧的耗时情况。每帧的色柱高度越低越好,表示耗时少。

你可以看到,帧模式有两条水平的参考线。

下面的一条是60FPS,低于这条线,可以达到每秒60帧;上面的一条是30FPS,低于这条线,可以达到每秒30次渲染。如果色柱都超过30FPS,这个网页就有性能问题了。

此外,还可以查看某个区间的耗时情况。

或者点击每一帧,查看该帧的时间构成。

七、window.requestAnimationFrame()

有一些JavaScript方法可以调节重新渲染,大幅提高网页性能。

其中最重要的,就是 window.requestAnimationFrame() 方法。它可以将某些代码放到下一次重新渲染时执行。

function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
}
elements.forEach(doubleHeight);

上面的代码使用循环操作,将每个元素的高度都增加一倍。可是,每次循环都是,读操作后面跟着一个写操作。这会在短时间内触发大量的重新渲染,显然对于网页性能很不利。

我们可以使用window.requestAnimationFrame(),让读操作和写操作分离,把所有的写操作放到下一次重新渲染。

function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  window.requestAnimationFrame(function () {
    element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
  });
}
elements.forEach(doubleHeight);

页面滚动事件(scroll)的监听函数,就很适合用 window.requestAnimationFrame() ,推迟到下一次重新渲染。

$(window).on('scroll', function() {
   window.requestAnimationFrame(scrollHandler);
});

当然,最适用的场合还是网页动画。下面是一个旋转动画的例子,元素每一帧旋转1度。

var rAF = window.requestAnimationFrame;

var degrees = 0;
function update() {
  div.style.transform = "rotate(" + degrees + "deg)";
  console.log('updated to degrees ' + degrees);
  degrees = degrees + 1;
  rAF(update);
}
rAF(update);

八、window.requestIdleCallback()

还有一个函数window.requestIdleCallback(),也可以用来调节重新渲染。

它指定只有当一帧的末尾有空闲时间,才会执行回调函数。

requestIdleCallback(fn);

上面代码中,只有当前帧的运行时间小于16.66ms时,函数fn才会执行。否则,就推迟到下一帧,如果下一帧也没有空闲时间,就推迟到下下一帧,以此类推。

它还可以接受第二个参数,表示指定的毫秒数。如果在指定 的这段时间之内,每一帧都没有空闲时间,那么函数fn将会强制执行。

requestIdleCallback(fn, 5000);

上面的代码表示,函数fn最迟会在5000毫秒之后执行。

函数 fn 可以接受一个 deadline 对象作为参数。

requestIdleCallback(function someHeavyComputation(deadline) {
  while(deadline.timeRemaining() > 0) {
    doWorkIfNeeded();
  }

  if(thereIsMoreWorkToDo) {
    requestIdleCallback(someHeavyComputation);
  }
});

上面代码中,回调函数 someHeavyComputation 的参数是一个 deadline 对象。

deadline对象有一个方法和一个属性:timeRemaining() 和 didTimeout。

(1)timeRemaining() 方法

timeRemaining() 方法返回当前帧还剩余的毫秒。这个方法只能读,不能写,而且会动态更新。因此可以不断检查这个属性,如果还有剩余时间的话,就不断执行某些任务。一旦这个属性等于0,就把任务分配到下一轮requestIdleCallback。

前面的示例代码之中,只要当前帧还有空闲时间,就不断调用doWorkIfNeeded方法。一旦没有空闲时间,但是任务还没有全执行,就分配到下一轮requestIdleCallback。

(2)didTimeout属性

deadline对象的 didTimeout 属性会返回一个布尔值,表示指定的时间是否过期。这意味着,如果回调函数由于指定时间过期而触发,那么你会得到两个结果。

  • timeRemaining方法返回0
  • didTimeout 属性等于 true

因此,如果回调函数执行了,无非是两种原因:当前帧有空闲时间,或者指定时间到了。

function myNonEssentialWork (deadline) {
  while ((deadline.timeRemaining() > 0 || deadline.didTimeout) && tasks.length > 0)
    doWorkIfNeeded();

  if (tasks.length > 0)
    requestIdleCallback(myNonEssentialWork);
}

requestIdleCallback(myNonEssentialWork, 5000);

上面代码确保了,doWorkIfNeeded 函数一定会在将来某个比较空闲的时间(或者在指定时间过期后)得到反复执行。

requestIdleCallback 是一个很新的函数,刚刚引入标准,目前只有Chrome支持,不过其他浏览器可以用垫片库

九、参考链接

(完)