如何使用Go基于WebSocket構建視頻直播彈幕系統

本篇文章給大家分享的是有關如何使用Go基于WebSocket構建視頻直播彈幕系統，小編覺得挺實用的，因此分享給大家學習，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。

（1）業務復雜度介紹

開門見山，假設一個直播間同時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得是多么的NB，況且一個大型網站不可能只有一個直播間！

使用Go做WebSocket開發無非就是三種情況：

• 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，可以結合到某些Web開發框架，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合
• 手擼一個WebSocket框架

根據估算結果，彈幕推送量很大的時候，Linux內核將會出現瓶頸，因為Linux內核發送TCP包的時候極限包發送頻率是100W。因此可以將同一秒內的彈幕消息合并為1條推送，減少網絡小數據包的發送，從而降低推送頻率。

彈幕系統需要維護在線的用戶長連接來實現定向推送到在線的用戶，通常是使用Hash字典結構，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，為了維護上線用戶，那么就得不斷的修改Hash字典，不斷地進行鎖操作，用戶量過大導致鎖瓶頸。因此可以將整個Hash結構拆分為多個Hash結構，分別對多個Hash結構加不同的鎖，并且使用讀寫鎖替代互斥鎖。

通常服務器與客戶端交互使用JSON結構，那么需要不斷的編碼解碼JSON數據，這將會導致CPU瓶頸。將消息先進行合并，然后進行編碼，最后輪詢Hash結構進行推送。

以上是單體架構存在的問題，為了支持更多的用戶負載，通常彈幕系統采用分布式架構，進行彈性擴容縮容。

（2）推送還是拉取？

如果是客戶端拉取服務器端數據，那么將會存在以下幾個問題：

• 直播在線人數多就意味著消息數據更新頻率高，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，那么服務器端的壓力無異于DDOS
• 一個彈幕系統應該是通用的，因此對于直播間彈幕較少的場景，意味著消息數據拉取請求都是無效的

因此我們考慮推送模式：當數據發生更新的時候服務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。如果需要實現消息推送，那么就意味著服務器端維護大量的長連接。

（3）為什么使用WebSocket？

實現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？現在大部分直播應用的開發都是跨平臺的，然而跨平臺的開發框架本質就是Web開發，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，現如今也有一些桌面應用是用Electron等跨平臺框架開發的，比如Lark飛書等，因此實現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器端長連接，其次WebSocket是架構在HTTP協議之上的，并且也可以使用HTTPS方式，因此WebSocket是可靠傳輸，并且不需要開發者關注底層細節。

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，如果實現高并發，不得不創建多個Node.js進程，但是這又不容易服務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的目標二進制更加簡潔，并且Go協程很容易實現高并發，上一章說到Go語言目前也有成熟的WebSocket輪子。

（4）服務端基本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，實際業務中不可能只有一個路由
  http.HandleFunc("/messages", messageHandler)
  // 監聽8080端口，沒有實現服務異常處理器，因此第二個參數是nil
  http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
}

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

然后完善messageHandler函數：

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()
    }
  }
}

現在基本上實現了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用業務邏輯，因此進行封裝：

• 封裝Connection對象描述一個WebSocket連接
• 為Connection對象提供線程安全的關閉、接收、發送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，所以可以多次調用，但是關閉Channel的close()
// 方法不是可重入的，因此通過isClosed進行判斷
// isClosed可能發生資源競爭，因此通過互斥鎖避免
// 關閉websocket連接后，也要自動關閉輸入輸出消息流，因此通過signalCloseLoopChan實現
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       // 關閉信號
  isClosed               bool            // 是否調用過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
  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
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
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，你已經學會了如何使用Go構建WebSocket服務。

以上就是如何使用Go基于WebSocket構建視頻直播彈幕系統，小編相信有部分知識點可能是我們日常工作會見到或用到的。希望你能通過這篇文章學到更多知識。更多詳情敬請關注億速云行業資訊頻道。