docs/system-design/web-real-time-message-push.md · 邓锦章/JavaGuide

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title: Web 实时消息推送详解
category: 系统设计
icon: "messages"
head:
  - - meta
    - name: keywords
      content: 消息推送,短轮询,长轮询,SSE,Websocket,MQTT
  - - meta
    - name: description
      content: 消息推送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。
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> 原文地址：<https://juejin.cn/post/7122014462181113887，JavaGuide> 对本文进行了完善总结。

我有一个朋友做了一个小破站，现在要实现一个站内信 Web 消息推送的功能，对，就是下图这个小红点，一个很常用的功能。

![站内信 Web 消息推送](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192380.png)

不过他还没想好用什么方式做，这里我帮他整理了一下几种方案，并简单做了实现。

## 什么是消息推送？

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。

移动端消息推送示例：

![移动端消息推送示例](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/IKleJ9auR1Ojdicyr0bH.png)

Web 端消息推送示例：

![Web 端消息推送示例](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/image-20220819100512941.png)

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。

![消息推送表](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192384.png)

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。

## 消息推送常见方案

### 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。

```typescript
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。

### 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。

[Nacos 配置中心交互模型是 push 还是 pull？](https://mp.weixin.qq.com/s/94ftESkDoZI9gAGflLiGwg)一文中我详细介绍过 Nacos 长轮询的实现原理，感兴趣的小伙伴可以瞅瞅。

长轮询其实原理跟轮询差不多，都是采用轮询的方式。不过，如果服务端的数据没有发生变更，会 一直 hold 住请求，直到服务端的数据发生变化，或者等待一定时间超时才会返回。返回后，客户端又会立即再次发起下一次长轮询。

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 Servlet3.0 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。

![长轮询示意图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192386.png)

`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。

```java
@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());

/**
     * 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;
    }

/**
     * 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。

```kotlin
@ControllerAdvice
public 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。

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。

### 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。

![iframe 流示意图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192388.png)

这种方式实现简单，前端只要一个`<iframe>`标签搞定了

```html
<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

```java
@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>");
        }
    }
}
```

iframe 流的服务器开销很大，而且 IE、Chrome 等浏览器一直会处于 loading 状态，图标会不停旋转，简直是强迫症杀手。

![iframe 流效果](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192389.png)

iframe 流非常不友好，强烈不推荐。

### SSE (推荐)

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。这是一种服务器端到客户端(浏览器)的单向消息推送。

大名鼎鼎的 ChatGPT 就是采用的 SSE。对于需要长时间等待响应的对话场景，ChatGPT 采用了一种巧妙的策略：它会将已经计算出的数据“推送”给用户，并利用 SSE 技术在计算过程中持续返回数据。这样做的好处是可以避免用户因等待时间过长而选择关闭页面。

![ChatGPT 使用 SSE 实现对话](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/chatgpt-sse.png)

SSE 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。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192390.png)

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。

![SSE 示意图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192391.png)

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：

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

**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 WebSocket，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 WebSocket 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

```javascript
<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

```java
private static Map<String, SseEmitter> sseEmitterMap = new ConcurrentHashMap<>();

/**
 * 创建连接
 */
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
 */
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);
        }
    }
}
```

**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。

![SSE 兼容性](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192393.png)

### 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。

这是一种在 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。

![Websocket 示意图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192394.png)

WebSocket 的工作过程可以分为以下几个步骤：

1. 客户端向服务器发送一个 HTTP 请求，请求头中包含 `Upgrade: websocket` 和 `Sec-WebSocket-Key` 等字段，表示要求升级协议为 WebSocket；
2. 服务器收到这个请求后，会进行升级协议的操作，如果支持 WebSocket，它将回复一个 HTTP 101 状态码，响应头中包含 ，`Connection: Upgrade`和 `Sec-WebSocket-Accept: xxx` 等字段、表示成功升级到 WebSocket 协议。
3. 客户端和服务器之间建立了一个 WebSocket 连接，可以进行双向的数据传输。数据以帧（frames）的形式进行传送，而不是传统的 HTTP 请求和响应。WebSocket 的每条消息可能会被切分成多个数据帧（最小单位）。发送端会将消息切割成多个帧发送给接收端，接收端接收消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息。
4. 客户端或服务器可以主动发送一个关闭帧，表示要断开连接。另一方收到后，也会回复一个关闭帧，然后双方关闭 TCP 连接。

另外，建立 WebSocket 连接之后，通过心跳机制来保持 WebSocket 连接的稳定性和活跃性。

SpringBoot 整合 WebSocket，先引入 WebSocket 相关的工具包，和 SSE 相比有额外的开发成本。

```xml

<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。

```java
@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>();
    /**
     * 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) {
        }
    }
    /**
     * 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);
    }
    /**
     * 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();
            }
        }
    }
}
```

服务端还需要注入`ServerEndpointerExporter`，这个 Bean 就会自动注册使用了`@ServerEndpoint`注解的 WebSocket 服务器。

```java
@Configuration
public class WebSocketConfiguration {

/**
     * 用于注册使用了 @ServerEndpoint 注解的 WebSocket 服务器
     */
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}
```

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。

```javascript
<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。

![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000042192395.png)

### MQTT

**什么是 MQTT 协议？**

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)是一种基于发布/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。

![MQTT 协议示例](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/web-real-time-message-push/1460000022986325.png)

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？

- 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。
- 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。
- 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。

具体的 MQTT 协议介绍和实践，这里我就不再赘述了，大家可以参考我之前的两篇文章，里边写的也都很详细了。

- MQTT 协议的介绍：[我也没想到 SpringBoot + RabbitMQ 做智能家居，会这么简单](https://mp.weixin.qq.com/s/udFE6k9pPetIWsa6KeErrA)
- MQTT 实现消息推送：[未读消息（小红点），前端 与 RabbitMQ 实时消息推送实践，贼简单~](https://mp.weixin.qq.com/s/U-fUGr9i1MVa4PoVyiDFCg)

## 总结

> 以下内容为 JavaGuide 补充

|           | 介绍                                                                                                          | 优点                   | 缺点                                                 |
| --------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ---------------------- | ---------------------------------------------------- |
| 短轮询    | 客户端定时向服务端发送请求，服务端直接返回响应数据（即使没有数据更新）                                        | 简单、易理解、易实现   | 实时性太差，无效请求太多，频繁建立连接太耗费资源     |
| 长轮询    | 与短轮询不同是，长轮询接收到客户端请求之后等到有数据更新才返回请求                                            | 减少了无效请求         | 挂起请求会导致资源浪费                               |
| iframe 流 | 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。                                              | 简单、易理解、易实现   | 维护一个长连接会增加开销，效果太差（图标会不停旋转） |
| SSE       | 一种服务器端到客户端(浏览器)的单向消息推送。                                                                  | 简单、易实现，功能丰富 | 不支持双向通信                                       |
| WebSocket | 除了最初建立连接时用 HTTP 协议，其他时候都是直接基于 TCP 协议进行通信的，可以实现客户端和服务端的全双工通信。 | 性能高、开销小         | 对开发人员要求更高，实现相对复杂一些                 |
| MQTT      | 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。                        | 成熟稳定，轻量级       | 对开发人员要求更高，实现相对复杂一些                 |

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