什么是 WebSocket？
WebSocket 是一种网络通信协议，能够在客户端和服务器之间建立全双工（双向）通信通道。这种连接使得双方可以在无需重新建立连接的情况下随时发送数据，适合需要实时数据传输的场景。
WebSocket 的原理
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握手阶段：WebSocket 通信始于客户端发送一个特殊的 HTTP 请求，用以请求服务器升级协议为 WebSocket。如果服务器同意，会返回一个状态码 101，表示协议升级成功，接下来的通信会使用 WebSocket 协议。
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数据传输阶段：在连接建立后，客户端和服务器之间可以自由地进行双向数据传输。数据被打包成帧（frame）后，通过底层的 TCP 连接传输。
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关闭连接：当通信完成或出现异常时，任意一方可以发送一个关闭帧来终止连接。
WebSocket 使用场景
- 实时聊天应用：如在线聊天室、即时通讯工具。
- 实时数据更新：如股票价格、体育比赛直播、在线游戏状态。
- 多人协作：如实时协作编辑工具、在线白板。
- 实时通知：如在线通知系统、推送服务。
Python 中的 WebSocket 库和 API
在 Python 中，常用的 WebSocket 库包括 websockets 和 FastAPI 等。
1. websockets 库
websockets 是一个用于构建 WebSocket 服务器和客户端的库。它提供了简单的 API 来建立 WebSocket 连接和发送接收消息。
安装：
pip install websockets
API 示例：
服务器端代码：
import asyncio
import websockets# WebSocket 服务器处理函数
async def echo(websocket, path):async for message in websocket:await websocket.send(f"Echo: {message}")# 启动 WebSocket 服务器
start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765)# 运行事件循环
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
asyncio.get_event_loop().run_forever()
websockets.serve(handler, host, port): 创建 WebSocket 服务器。websocket.send(data): 发送消息到客户端。websocket.recv(): 接收客户端消息。
客户端代码：
import asyncio
import websockets# 客户端处理函数
async def hello():async with websockets.connect("ws://localhost:8765") as websocket:await websocket.send("Hello, WebSocket!")response = await websocket.recv()print(f"Received: {response}")# 运行客户端
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(hello())
websockets.connect(uri): 连接到 WebSocket 服务器。websocket.send(data): 发送消息到服务器。websocket.recv(): 接收服务器消息。
2. FastAPI 库中的 WebSocket
FastAPI 是一个现代的、快速的 Web 框架，支持异步操作，并且原生支持 WebSocket。
安装：
pip install fastapi uvicorn
API 示例：
服务器端代码：
from fastapi import FastAPI, WebSocketapp = FastAPI()# WebSocket 端点
@app.websocket("/ws")
async def websocket_endpoint(websocket: WebSocket):await websocket.accept() # 接受 WebSocket 连接while True:data = await websocket.receive_text() # 接收消息await websocket.send_text(f"Message text was: {data}") # 发送消息
app.websocket("/ws"): 定义一个 WebSocket 端点，路径为/ws。websocket.accept(): 接受客户端的 WebSocket 连接。websocket.receive_text(): 接收来自客户端的文本消息。websocket.send_text(data): 发送文本消息给客户端。
运行服务器：
uvicorn myapp:app --reload
在上面的命令中，myapp 是你的 Python 文件的名字，app 是 FastAPI 应用实例的名字。
场景应用示例：实时聊天应用
场景描述：用户可以在同一个聊天室中互相发送消息，消息会实时显示在所有用户的屏幕上。
实现思路：
- 使用 WebSocket 进行实时双向通信。
- 将所有连接的客户端保存在一个列表中，方便向所有客户端广播消息。
- 当一个客户端发送消息时，服务器将消息转发给所有其他客户端。
代码示例：
from fastapi import FastAPI, WebSocket, WebSocketDisconnectapp = FastAPI()clients = [] # 存储所有连接的客户端@app.websocket("/chat")
async def chat(websocket: WebSocket):await websocket.accept()clients.append(websocket) # 将新连接的客户端添加到列表中try:while True:data = await websocket.receive_text()for client in clients:await client.send_text(f"User says: {data}")except WebSocketDisconnect:clients.remove(websocket) # 移除断开连接的客户端
运行方式：
通过 uvicorn 运行服务器，并使用浏览器或其他 WebSocket 客户端工具连接到 /chat 端点。每个连接的用户发送的消息都会实时广播给所有其他用户。
总结
WebSocket 在需要实时双向通信的场景下非常有用，如聊天应用、实时数据更新等。在 Python 中，可以使用 websockets 库或 FastAPI 框架来实现 WebSocket 服务。通过掌握这些库的 API 和实际应用场景，可以轻松构建实时通信应用。
