如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)

本篇文章給大家分享的是有關(guān)如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)，小編覺得挺實用的，因此分享給大家學(xué)習(xí)，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說，跟著小編一起來看看吧。

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（1）業(yè)務(wù)復(fù)雜度介紹

開門見山，假設(shè)一個直播間同時500W人在線，那么1秒鐘1000條彈幕，那么彈幕系統(tǒng)的推送頻率就是： 500W * 1000條/秒=50億條/秒 ，想想B站2019跨年晚會那次彈幕系統(tǒng)得是多么的NB，況且一個大型網(wǎng)站不可能只有一個直播間！

如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)

使用Go做WebSocket開發(fā)無非就是三種情況：

  • 使用Go原生自帶的庫，也就是 golang.org/x/net ，但是這個官方庫真是出了奇Bug多
  • 使用GitHub大佬 gorilla/websocket 庫，可以結(jié)合到某些Web開發(fā)框架，比如Gin、iris等，只要使用的框架式基于 golang.org/net 的，那么這個庫就可以與這個框架結(jié)合
  • 手?jǐn)]一個WebSocket框架

根據(jù)估算結(jié)果，彈幕推送量很大的時候，Linux內(nèi)核將會出現(xiàn)瓶頸，因為Linux內(nèi)核發(fā)送TCP包的時候極限包發(fā)送頻率是100W。因此可以將同一秒內(nèi)的彈幕消息合并為1條推送，減少網(wǎng)絡(luò)小數(shù)據(jù)包的發(fā)送，從而降低推送頻率。

彈幕系統(tǒng)需要維護(hù)在線的用戶長連接來實現(xiàn)定向推送到在線的用戶，通常是使用Hash字典結(jié)構(gòu)，通常推送消息就是遍歷在線用的Hash字典。在彈幕推送期間用戶在不斷的上下線，為了維護(hù)上線用戶，那么就得不斷的修改Hash字典，不斷地進(jìn)行鎖操作，用戶量過大導(dǎo)致鎖瓶頸。因此可以將整個Hash結(jié)構(gòu)拆分為多個Hash結(jié)構(gòu)，分別對多個Hash結(jié)構(gòu)加不同的鎖，并且使用讀寫鎖替代互斥鎖。

通常服務(wù)器與客戶端交互使用JSON結(jié)構(gòu)，那么需要不斷的編碼解碼JSON數(shù)據(jù)，這將會導(dǎo)致CPU瓶頸。將消息先進(jìn)行合并，然后進(jìn)行編碼，最后輪詢Hash結(jié)構(gòu)進(jìn)行推送。

以上是單體架構(gòu)存在的問題，為了支持更多的用戶負(fù)載，通常彈幕系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，進(jìn)行彈性擴容縮容。

（2）推送還是拉??？

如果是客戶端拉取服務(wù)器端數(shù)據(jù)，那么將會存在以下幾個問題：

  • 直播在線人數(shù)多就意味著消息數(shù)據(jù)更新頻率高，拉取消息意味著彈幕無法滿足時效性
  • 如果很多客戶端同時拉取，那么服務(wù)器端的壓力無異于DDOS
  • 一個彈幕系統(tǒng)應(yīng)該是通用的，因此對于直播間彈幕較少的場景，意味著消息數(shù)據(jù)拉取請求都是無效的

因此我們考慮推送模式：當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生更新的時候服務(wù)器端主動推送到客戶端，這樣可以有效減少客戶端的請求次數(shù)。如果需要實現(xiàn)消息推送，那么就意味著服務(wù)器端維護(hù)大量的長連接。

（3）為什么使用WebSocket？

實現(xiàn)彈幕消息的實時更新一定是使用Socket的方式，那么為啥要使用WebSocket呢？現(xiàn)在大部分直播應(yīng)用的開發(fā)都是跨平臺的，然而跨平臺的開發(fā)框架本質(zhì)就是Web開發(fā)，那么一定離不開WebSocket，而且一部分用戶會選擇在Web端看視頻，比如Bilibili，現(xiàn)如今也有一些桌面應(yīng)用是用Electron等跨平臺框架開發(fā)的，比如Lark飛書等，因此實現(xiàn)消息推送的最佳方案就是使用WebSocket。

使用WebSocket可以輕松的維持服務(wù)器端長連接，其次WebSocket是架構(gòu)在HTTP協(xié)議之上的，并且也可以使用HTTPS方式，因此WebSocket是可靠傳輸，并且不需要開發(fā)者關(guān)注底層細(xì)節(jié)。

如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)

為啥要使用Go搞WebSocket呢？首先說到WebSocket你可能會想到Node.js，但是Node.js是單線程模型，如果實現(xiàn)高并發(fā)，不得不創(chuàng)建多個Node.js進(jìn)程，但是這又不容易服務(wù)端遍歷整個連接集合；如果使用Java就會顯得比較笨重，Java項目的部署，編寫Dockerfile都不如Go的目標(biāo)二進(jìn)制更加簡潔，并且Go協(xié)程很容易實現(xiàn)高并發(fā)，上一章說到Go語言目前也有成熟的WebSocket輪子。

（4）服務(wù)端基本Demo

首先搭建好一個框架：

package main

import (
  "fmt"
  "net/http"
)

func main() {
 fmt.Println("Listen localhost:8080")
   // 注冊一個用于WebSocket的路由，實際業(yè)務(wù)中不可能只有一個路由
  http.HandleFunc("/messages", messageHandler)
  // 監(jiān)聽8080端口，沒有實現(xiàn)服務(wù)異常處理器，因此第二個參數(shù)是nil
  http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
}

func messageHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
  // TODO: 實現(xiàn)消息處理
  response.Write([]byte("HelloWorld"))
}

然后完善messageHandler函數(shù)：

func messageHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
  var upgrader = websocket.Upgrader{
    // 允許跨域
    CheckOrigin: func(resquest *http.Request) bool {
      return true
    },
  }

  // 建立連接
  conn, err := upgrader.Upgrade(response, request, nil)
  if err != nil {
    return
  }

  // 收發(fā)消息
  for {
    // 讀取消息
    _, bytes, err := conn.ReadMessage()
    if err != nil {
      _ = conn.Close()
    }
    // 寫入消息
    err = conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, bytes)
    if err != nil {
      _ = conn.Close()
    }
  }
}

現(xiàn)在基本上實現(xiàn)了WebSocket功能，但是websocket的原生API不是線程安全的（Close方法是線程安全的，并且是可重入的），并且其他模塊無法復(fù)用業(yè)務(wù)邏輯，因此進(jìn)行封裝：

  • 封裝Connection對象描述一個WebSocket連接
  • 為Connection對象提供線程安全的關(guān)閉、接收、發(fā)送API
// main.go
package main

import (
  "bluemiaomiao.github.io/websocket-go/service"
  "fmt"
  "net/http"

  "github.com/gorilla/websocket"
)

func main() {
  fmt.Println("Listen localhost:8080")
  http.HandleFunc("/messages", messageHandler)
  _ = http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
}

func messageHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
  var upgrader = websocket.Upgrader{
    // 允許跨域
    CheckOrigin: func(resquest *http.Request) bool {
      return true
    },
  }

  // 建立連接
  conn, err := upgrader.Upgrade(response, request, nil)
  wsConn, err := service.Create(conn)
  if err != nil {
    return
  }

  // 收發(fā)消息
  for {
    // 讀取消息
    msg, err := wsConn.ReadOne()
    if err != nil {
      wsConn.Close()
    }
    // 寫入消息
    err = wsConn.WriteOne(msg)
    if err != nil {
      _ = conn.Close()
    }
  }
}
// service/messsage_service.go
package service

import (
  "errors"
  "github.com/gorilla/websocket"
  "sync"
)

// 封裝的連接對象
// 
// 由于websocket的Close()方法是可重入的，所以可以多次調(diào)用，但是關(guān)閉Channel的close()
// 方法不是可重入的，因此通過isClosed進(jìn)行判斷
// isClosed可能發(fā)生資源競爭，因此通過互斥鎖避免
// 關(guān)閉websocket連接后，也要自動關(guān)閉輸入輸出消息流，因此通過signalCloseLoopChan實現(xiàn)
type Connection struct {
  conn                  *websocket.Conn  // 具體的連接對象
  inputStream             chan []byte       // 輸入流，使用Channel模擬
  outputStream           chan []byte       // 輸出流，使用chaneel模擬
  signalCloseLoopChan     chan byte       // 關(guān)閉信號
  isClosed               bool            // 是否調(diào)用過close()方法
  lock                   sync.Mutex      // 簡單的鎖
}

// 用于初始化一個連接對象
func Create(conn *websocket.Conn) (connection *Connection, err error) {
  connection = &Connection{
    conn:              conn,
    inputStream:        make(chan []byte, 1000),
    outputStream:       make(chan []byte, 1000),
    signalCloseLoopChan: make(chan byte, 1),
    isClosed:            false,
  }

  // 啟動讀寫循環(huán)
  go connection.readLoop()
  go connection.writeLoop()
  return
}

// 讀取一條消息
func (c *Connection) ReadOne() (msg []byte, err error) {
  select {
  case msg = <-(*c).inputStream:
  case <-(*c).signalCloseLoopChan:
    err = errors.New("connection is closed")
  }
  return
}

// 寫入一條消息
func (c *Connection) WriteOne(msg []byte) (err error) {
  select {
  case (*c).outputStream <- msg:
  case <-(*c).signalCloseLoopChan:
    err = errors.New("connection is closed")
  }
  return
}

// 關(guān)閉連接對象
func (c *Connection) Close() {
  _ = (*c).conn.Close()
  (*c).lock.Lock()
  if !(*c).isClosed {
    close((*c).signalCloseLoopChan)
  }
  (*c).lock.Unlock()

}

// 讀取循環(huán)
func (c *Connection) readLoop() {
  // 不停的讀取長連接中的消息，只要存在消息就將其放到隊列中
  for {
    _, bytes, err := (*c).conn.ReadMessage()
    if err != nil {
      (*c).Close()
    }
    select {
    case <-(*c).signalCloseLoopChan:
      (*c).Close()
    case (*c).inputStream <- bytes:
    }
  }
}

// 寫入循環(huán)
func (c *Connection) writeLoop() {
  // 只要隊列中存在消息，就將其寫入
  var data []byte
  for {
    select {
    case data = <-(*c).outputStream:
    case <-(*c).signalCloseLoopChan:
      (*c).Close()
    }
    err := (*c).conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, data)
    if err != nil {
      _ = (*c).conn.Close()
    }
  }
}

至此，你已經(jīng)學(xué)會了如何使用Go構(gòu)建WebSocket服務(wù)。

以上就是如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)，小編相信有部分知識點可能是我們?nèi)粘９ぷ鲿姷交蛴玫降摹ＯＭ隳芡ㄟ^這篇文章學(xué)到更多知識。更多詳情敬請關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

網(wǎng)頁標(biāo)題：如何使用Go基于WebSocket構(gòu)建視頻直播彈幕系統(tǒng)
文章出自：http://muchs.cn/article2/johsic.html

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