Android最佳實踐——深入淺出WebSocket協議
首先明確一下概念,WebSocket協議是一種建立在TCP連接基礎上的全雙工通信的協議。概念強調了兩點內容:
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TCP基礎上
-
全雙工通信
那么什么是全雙工通信呢?
全雙工就是指客戶端和服務端可以同時進行雙向通信,強調同時、雙向通信
WebSocket可以應用于即時通信等場景,比如現在直播很火熱,直播中的彈幕也可以使用WebSocket去實現。
WebSocket的協議內容可以見 The WebSocket Protocol ,講得最全面的官方說明。簡單介紹可以見維基百科 WebSocket
在Android客戶端,一般可以使用下面的庫完成WebSocket通信
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okhttp ,一般人我不告訴他okhttp還可以用來進行WebSocket通信
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Java-WebSocket ,純java實現的WebSocket客戶端和服務端實現
那么在沒有服務端支持的情況下,我們客戶端如何進行WebSocket的測試呢?一般人我也不告訴他!答案還是okhttp,這次是okhttp的擴展模塊mockserver,不過最新版本的okhttp已經把WebSocket合入okhttp核心庫中去了,如果你用的版本比較低,就可能需要依賴okhttp-ws模塊。
先來看協議內容組成,先上一張神圖
WebSocket按上面圖中協議規則進行傳輸,上圖稱為一個數據幀。
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FIN,共1位,標記消息是否是最后1幀,1個消息由1個或多個數據幀構成,若消息由1幀構成,起始幀就是結束幀。
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RSV1,RSV2,RSV3,各1位,預留位,用于自定義擴展。如果沒有擴展,各位值為0;如果定義了擴展,即為非0值。如果接收的幀中此處為非0,但是擴展中卻沒有該值的定義,那么關閉連接。
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OPCODE,共4位,幀類型,分為控制幀和非控制幀。如果接收到未知幀,接收端必須關閉連接。已定義的幀類型如下圖所示:
除了上圖中的0,1,2外(0x0,0x1,0x2),3-7(0x3-0x7)暫時沒有進行定義,為以后的非控制幀保留。
除了上圖中的8,9,10(0x8,0x9,0xA)外,11-15(0xB-0xF)暫時沒有進行定義,為以后的控制幀保留。
消息的分片,一般來說,對于一個長度較小的消息,可以使用1幀完成消息的發送, 比如說文本消息,Fin的值為1,表示結束,Opcode值不能為0,0表示后續還有數據幀會發送過來。
而對于一些長度較長的消息,則需要將消息進行分片發送。比如語音消息,這時候起始幀的FIN值為0,Opcode為非0,接著是若干幀(FIN值都為0,Opcode值為0),結束幀FIN值為1,Opcode值為0。
WebSocket的控制幀有3種,關閉幀、Ping幀、Pong幀,關閉幀很好理解,客戶端如果收到關閉幀直接關閉連接即可,當然客戶端也可以發送關閉幀給服務器端。而Ping幀和Pong幀則是WebSocket的心跳檢測,用于保證客戶端是在線的,一般來說,只有服務端給客戶端發送Ping幀,然后客戶端發送Pong幀進行回應,表示自己還在線,可以進行后續通信。
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MASK,共1位,掩碼位,表示幀中的數據是否經過加密,客戶端發出的數據幀需要經過掩碼處理,這個值都是1。如果值是1,那么Masking-key域的數據就是掩碼秘鑰,用于解碼PayloadData,否則Masking-key長度為0。
WebSocket協議規定數據通過幀序列傳輸。客戶端必須對其發送到服務器的所有幀進行掩碼處理。
服務器一旦收到無掩碼幀,將關閉連接。服務器可能發送一個狀態碼是1002(表示協議錯誤)的Close幀。
而服務器發送客戶端的數據幀不做掩碼處理,一旦客戶端發現經過掩碼處理的幀,將關閉連接。客戶端可能使用狀態碼1002。
更多狀態碼如下圖所示:
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Payload len,7位或者7+16位或者7+64位,表示數據幀中數據大小,這里有好幾種情況。
- 如果值為0-125,那么該值就是payload data的真實長度。
- 如果值為126,那么該7位后面緊跟著的2個字節就是payload data的真實長度。
- 如果值為127,那么該7位后面緊跟著的8個字節就是payload data的真實長度。
- 長度遵循一個原則,就是用最少的字節表示長度,舉個例子,當payload data的真實長度是124時,在0-125之間,必須用7位表示;不允許將這7位表示成126或者127,然后后面用2個字節或者8個字節表示124,這樣做就違反了原則。
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Masking-key ,0或者4個字節,當MASK位為1時,4個字節,否則0個字節。如果MASK值為1,則發出去的數據需要經過加密處理,加密流程如下:
void mask(byte[] original, byte[] maskKey) {
for (int i = 0; i < original.length; i++) {
original[i] = (byte) (original[i] ^ maskKey[i % 4]);
}
}
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最后就是Payload data,其大小是(x+y)個字節,x是Extension data,即擴展數據,y是Application data,即程序數據,擴展數據可能為0。 如果擴展數據不為0,必須提前進行協商,規定其長度,否則是不合法的數據幀。
以上是WebSocket數據傳輸的幀內容,大致了解即可。除此之外,WebSocket協議還有一個握手的過程。握手通過發送一個http請求來完成,這里基本和http2.0有點類似,客戶端發送一個請求協議升級的get請求給服務端,服務端如果支持的話會返回http code 為101,表示可以切換到對應的協議。大致流程如下:
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客戶端發送get請求協議升級
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: RCfYMqhgCo4N4E+cIZ0iPg==
Sec-WebSocket-Version: 13
該請求會在請求頭上帶上WebSocket的版本號,這里是13,以及客戶端隨機生成的Sec-WebSocket-Key,服務器端收到后根據這個key進行一些處理,返回一個Sec-WebSocket-Accept的值給客戶端。
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服務端返回同意升級到WebSocket協議
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: upgrade
Sec-WebSocket-Accept: b7RAFizjwDE9lWS46ZMPfmN35wc=
收到響應后,響應頭中包含Sec-WebSocket-Accept值,該值表示服務器端同意握手,值的計算方式如下:
$(Sec-WebSocket-Accept)=BASE64(SHA1($(Sec-WebSocket-Key)+"258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"))
客戶端得到該值后,對本地的Sec-WebSocket-Key進行同樣的編碼,然后對比,如果相同則可以進行后續處理。
關于WebSocket協議,一般來說,如果是通過https協議開始升級而來的,那么一般是wss://開頭,如果是http協議開始升級而來的,那么一般是ws://開頭
講完了概念性的東西,接下來就是最佳實踐了。
那么客戶端怎么進行WebSocket測試呢?這里我們使用OkHttp的擴展模塊Mock Server來實現。
首先引入okhttp依賴和mockserver依賴,對maven來說,內容如下
<dependency>
<groupId>com.squareup.okhttp3</groupId>
<artifactId>okhttp</artifactId>
<version>3.4.1</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>com.squareup.okhttp3</groupId>
<artifactId>mockwebserver</artifactId>
<version>3.4.1</version>
</dependency>
對gradle來說,其內容如下
compile 'com.squareup.okhttp3:okhttp:3.4.1'
compile 'com.squareup.okhttp3:mockwebserver:3.4.1'
接下來我們實現一個功能,功能大致如下:
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客戶端和服務端進行建連
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連接建立后客戶端向服務端發送文本內容command 1
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服務器端收到文本內容command 1后返回給客戶端內容replay command 1
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客戶端收到了服務器端返回的replay command 1后再次向服務端發送command 2
-
服務端收到文本內容command 2后,發送一個ping幀,客戶端收到ping幀后會將ping幀內容原封不動的以pong幀返回給服務器端
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服務器端收到客戶端返回的心跳pong幀后,發送一個關閉連接的控制幀
-
客戶端收到關閉控制幀后關閉連接
-
服務器端檢測到客戶端關閉連接,關閉連接
這里需要注意一點,okhttp內部對線程做了檢測,也就是收到消息的線程為read線程,那么回復消息不能再read線程中去回復,而要開一個write線程,具體可以看源碼,不遵循的話就就會扔異常出來。
if (Thread.currentThread() == looperThread) {
throw new IllegalStateException("attempting to write from reader thread");
}
looperThread就是read線程。
知道了這一點后,我們根據上面的步驟實現一下,首先是server端,使用MockWebServer構造一個mock server對象,順便new一個線程池,用于write線程回寫消息。
private final MockWebServer mockWebServer = new MockWebServer();
private final ExecutorService writeExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
然后起一個webserver
mockWebServer.enqueue(new MockResponse().withWebSocketUpgrade(new WebSocketListener() {
WebSocket webSocket = null;
@Override
public void onOpen(final WebSocket webSocket, Response response) {
//保存引用,用于后續操作
this.webSocket = webSocket;
//打印一些內容
System.out.println("server onOpen");
System.out.println("server request header:" + response.request().headers());
System.out.println("server response header:" + response.headers());
System.out.println("server response:" + response);
}
@Override
public void onMessage(ResponseBody message) throws IOException {
String string = message.string();
System.out.println("server onMessage");
System.out.println("message:" + string);
//注意下面都是write線程回寫給客戶端
//當收到客戶端的command 1時回復replay command 1
if ("command 1".equals(string)) {
//replay it
writeExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
webSocket.message(RequestBody.create(WebSocket.TEXT, "replay command 1"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
} else if ("command 2".equals(string)) {
//當收到客戶端的command 2時,發送ping幀
//ping it
writeExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
webSocket.ping(ByteString.of("ping from server...".getBytes()));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
@Override
public void onPong(ByteString payload) {
//打印一些內容
System.out.println("server onPong");
//注意下面都是write線程回寫給客戶端
//客戶端收到ping幀后會回復pong幀,回調到這,收到pong幀后關閉連接
//close it
writeExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
webSocket.close(1000, "Normal Closure");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
@Override
public void onClose(int code, String reason) {
//打印一些內容
System.out.println("server onClose");
System.out.println("code:" + code + " reason:" + reason);
}
@Override
public void onFailure(Throwable t, Response response) {
//出現異常會進入此回調
System.out.println("server onFailure");
System.out.println("throwable:" + t);
System.out.println("response:" + response);
}
}));
然后是客戶端的實現,也安裝上面的步驟來即可。
不過這之前需要知道服務器端的Host和port,這兩個值可以通過mockWebServer對象獲得。
String hostName = mockWebServer.getHostName();
int port = mockWebServer.getPort();
System.out.println("hostName:" + hostName);
System.out.println("port:" + port);
然后通過host和port構造請求
//新建client
OkHttpClient client = new OkHttpClient.Builder()
.build();
//構造request對象
Request request = new Request.Builder()
.url("ws://" + hostName + ":" + port + "/")
.build();
//new 一個websocket調用對象并建立連接
client.newWebSocketCall(request).enqueue(new WebSocketListener() {
WebSocket webSocket = null;
@Override
public void onOpen(final WebSocket webSocket, Response response) {
//保存引用,用于后續操作
this.webSocket = webSocket;
//打印一些內容
System.out.println("client onOpen");
System.out.println("client request header:" + response.request().headers());
System.out.println("client response header:" + response.headers());
System.out.println("client response:" + response);
//注意下面都是write線程回寫給客戶端
//建立連接成功后,發生command 1給服務器端
writeExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
webSocket.message(RequestBody.create(WebSocket.TEXT, "command 1"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
@Override
public void onMessage(ResponseBody message) throws IOException {
//打印一些內容
String string = message.string();
System.out.println("client onMessage");
System.out.println("message:" + string);
//注意下面都是write線程回寫給客戶端
if ("replay command 1".equals(string)) {
//收到服務器返回的replay command 1后繼續向服務器端發送command 2
//replay it
writeExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
webSocket.message(RequestBody.create(WebSocket.TEXT, "command 2"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
@Override
public void onPong(ByteString payload) {
//打印一些內容
System.out.println("client onPong");
System.out.println("payload:" + payload);
}
@Override
public void onClose(int code, String reason) {
//打印一些內容
System.out.println("client onClose");
System.out.println("code:" + code + " reason:" + reason);
}
@Override
public void onFailure(Throwable t, Response response) {
//發生錯誤時會回調到這
System.out.println("client onFailure");
System.out.println("throwable:" + t);
System.out.println("response:" + response);
}
});
最終輸出如下圖所示
除了文本內容外,也可以發送二進制內容,如圖像,語音,視頻等,所以我們完全可以自定義發送的內容。
webSocket.message(RequestBody.create(WebSocket.BINARY,bytes));
而除了okhttp外,我們也可以使用Java-Websocket庫來實現,其maven依賴如下
<dependency>
<groupId>org.java-websocket</groupId>
<artifactId>Java-WebSocket</artifactId>
<version>1.3.0</version>
</dependency>
gradle依賴如下
compile 'org.java-websocket:Java-WebSocket:1.3.0'
用法也和okhttp類似,具體細節不追究,大概給一個demo,開啟一個mock server可以使用WebSocketServer對象,因為run了一個server只會會循環阻塞當前線程,所以我們在子線程中run。
private final ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
try {
executorService.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
WebSocketServer webSocketServer = new WebSocketServer(new InetSocketAddress("localhost", 8080)) {
@Override
public void onOpen(WebSocket webSocket, ClientHandshake clientHandshake) {
System.out.println("server onOpen");
}
@Override
public void onClose(WebSocket webSocket, int i, String s, boolean b) {
System.out.println("server onClose:" + i + " " + s + " " + b);
}
@Override
public void onMessage(WebSocket webSocket, String s) {
System.out.println("server onMessage:" + s);
}
@Override
public void onError(WebSocket webSocket, Exception e) {
System.out.println("server onMessage:" + e);
}
};
webSocketServer.run();
}
});
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
然后客戶端可以使用WebSocketClient對象
private final ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
executorService.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Map<String, String> headers = new HashMap();
WebSocketClient webSocketClient = new WebSocketClient(URI.create("ws://localhost:8080/"), new Draft_17(), headers, 10) {
@Override
public void onOpen(ServerHandshake serverHandshake) {
System.out.println("client onOpen");
}
@Override
public void onMessage(String s) {
System.out.println("client onMessage:" + s);
}
@Override
public void onClose(int i, String s, boolean b) {
System.out.println("client onClose:" + i + " " + s + " " + b);
}
@Override
public void onError(Exception e) {
System.out.println("client onError:" + e);
}
};
webSocketClient.connect();
}
});
知道了如何使用之后,我們來深究一些okhttp內部是怎么實現的WebSocket協議,其內部定義了三個接口,首先是WebSocket接口,用于實現發送消息幀,ping檢測心跳,close關閉連接,其內部還定義了兩個常量,用于發送不同類型的幀。
public interface WebSocket {
//文本幀時使用
MediaType TEXT = MediaType.parse("application/vnd.okhttp.websocket+text; charset=utf-8");
//二進制幀時使用
MediaType BINARY = MediaType.parse("application/vnd.okhttp.websocket+binary");
void message(RequestBody message) throws IOException;
void ping(ByteString payload) throws IOException;
void close(int code, String reason) throws IOException;
}
接著是WebSocketListener接口,用于進行各種回調,如建立連接成功時的回調,收到消息幀時的回調,收到Pong幀時的回調,關閉連接時的回調,以及連接過程中發生任何錯誤的回調,其定義如下:
public interface WebSocketListener {
void onOpen(WebSocket webSocket, Response response);
void onMessage(ResponseBody message) throws IOException;
void onPong(ByteString payload);
void onClose(int code, String reason);
void onFailure(Throwable t, Response response);
}
最后一個是類似Http請求時OkHttp返回的Call對象,定義了幾個方法,如獲取request對象,異步請求,取消連接,判斷是否已經執行過,是否已經被取消了,以及一個clone方法,返回一個可被重新執行的WebSocketCall對象,此外,內部還定義了一個Factory接口,該接口被OkHttpClient所實現,用于返回一個WebSocketCall對象,從而建立WebSocket連接。
public interface WebSocketCall extends Cloneable {
Request request();
void enqueue(WebSocketListener listener);
void cancel();
boolean isExecuted();
boolean isCanceled();
WebSocketCall clone();
interface Factory {
WebSocketCall newWebSocketCall(Request request);
}
}
OkHttpClient內部實現的Factory接口中的方法如下,返回了WebSocketCall的實現類RealWebSocketCall。
public WebSocketCall newWebSocketCall(Request request) {
return new RealWebSocketCall(this, request);
}
在RealWebSocketCall構造函數中,主要做一件事情,就是構造請求協議升級的請求。必須是Get請求,然后生成一個隨機數,進行base64編碼,設置為請求頭Sec-WebSocket-Key的值,OkHttp內部實現的WebSocket版本是13,所以添加請求頭Sec-WebSocket-Version=13
RealWebSocketCall(OkHttpClient client, Request request) {
this(client, request, new SecureRandom());
}
RealWebSocketCall(OkHttpClient client, Request request, Random random) {
if (!"GET".equals(request.method())) {
throw new IllegalArgumentException("Request must be GET: " + request.method());
}
this.random = random;
byte[] nonce = new byte[16];
random.nextBytes(nonce);
key = ByteString.of(nonce).base64();
client = client.newBuilder()
.readTimeout(0, SECONDS) // i.e., no timeout because this is a long-lived connection.
.writeTimeout(0, SECONDS) // i.e., no timeout because this is a long-lived connection.
.protocols(ONLY_HTTP1)
.build();
originalRequest = request;
request = request.newBuilder()
.header("Upgrade", "websocket")
.header("Connection", "Upgrade")
.header("Sec-WebSocket-Key", key)
.header("Sec-WebSocket-Version", "13")
.build();
call = new RealCall(client, request, true /* for web socket */);
}
當我們調用enqueue方法異步進行連接時,就會發送構造函數里構造的http升級協議請求,當服務器端返回響應體時,進行解析,獲得StreamWebSocket對象。
StreamWebSocket create(Response response, WebSocketListener listener) throws IOException {
if (response.code() != 101) {
throw new ProtocolException("Expected HTTP 101 response but was '"
+ response.code()
+ " "
+ response.message()
+ "'");
}
String headerConnection = response.header("Connection");
if (!"Upgrade".equalsIgnoreCase(headerConnection)) {
throw new ProtocolException(
"Expected 'Connection' header value 'Upgrade' but was '" + headerConnection + "'");
}
String headerUpgrade = response.header("Upgrade");
if (!"websocket".equalsIgnoreCase(headerUpgrade)) {
throw new ProtocolException(
"Expected 'Upgrade' header value 'websocket' but was '" + headerUpgrade + "'");
}
String headerAccept = response.header("Sec-WebSocket-Accept");
String acceptExpected = Util.shaBase64(key + WebSocketProtocol.ACCEPT_MAGIC);
if (!acceptExpected.equals(headerAccept)) {
throw new ProtocolException("Expected 'Sec-WebSocket-Accept' header value '"
+ acceptExpected
+ "' but was '"
+ headerAccept
+ "'");
}
String name = response.request().url().redact().toString();
ThreadPoolExecutor replyExecutor =
new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1, SECONDS, new LinkedBlockingDeque<Runnable>(),
Util.threadFactory(Util.format("OkHttp %s WebSocket Replier", name), true));
replyExecutor.allowCoreThreadTimeOut(true);
StreamAllocation streamAllocation = call.streamAllocation();
streamAllocation.noNewStreams(); // Web socket connections can't be re-used.
return new StreamWebSocket(streamAllocation, random, replyExecutor, listener, response, name);
}
如果服務器端返回的http code不是101,則表示升級協議失敗,扔出異常,然后會檢測響應頭中是否包含Connection,且對應的值是否是Upgrade,再判斷響應頭中是否包含Upgrade,且其值為websocket,如果不滿足條件,扔出異常,然后獲取響應頭中的Sec-WebSocket-Accept值,進行校驗,是否和預期的值是一樣。其計算方式就是構造函數中生成的隨機數的base64的值加上WebSocket的魔數258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11,進行sha1后的base64值。然后構造StreamWebSocket對象返回。
返回后調用 webSocket.loopReader();方法進行循環。該方法首先會調用回調接口中的onOpen方法告訴調用者建立連接成功了,然后不斷讀取消息幀。讀取消息幀的流程就是解析文章中最開始貼的圖中的協議內容。
public final void loopReader() {
looperThread = Thread.currentThread();
try {
try {
readerListener.onOpen(this, response);
} catch (Throwable t) {
Util.throwIfFatal(t);
replyToReaderError(t);
readerListener.onFailure(t, null);
return;
}
while (processNextFrame()) {
}
} finally {
looperThread = null;
}
}
如讀取到控制幀時會根據不同的opcode回調接口中的對應函數
switch (opcode) {
case OPCODE_CONTROL_PING:
frameCallback.onReadPing(buffer.readByteString());
break;
case OPCODE_CONTROL_PONG:
frameCallback.onReadPong(buffer.readByteString());
break;
case OPCODE_CONTROL_CLOSE:
int code = CLOSE_NO_STATUS_CODE;
String reason = "";
long bufferSize = buffer.size();
if (bufferSize == 1) {
throw new ProtocolException("Malformed close payload length of 1.");
} else if (bufferSize != 0) {
code = buffer.readShort();
reason = buffer.readUtf8();
validateCloseCode(code, false);
}
frameCallback.onReadClose(code, reason);
closed = true;
break;
default:
throw new ProtocolException("Unknown control opcode: " + toHexString(opcode));
}
當讀到ping幀時,會將原數據以pong幀返回
@Override public final void onReadPing(ByteString buffer) {
replyToPeerPing(buffer);
}
/** Replies with a pong when a ping frame is read from the peer. */
private void replyToPeerPing(final ByteString payload) {
Runnable replierPong = new NamedRunnable("OkHttp %s WebSocket Pong Reply", name) {
@Override protected void execute() {
try {
writer.writePong(payload);
} catch (IOException t) {
Platform.get().log(INFO, "Unable to send pong reply in response to peer ping.", t);
}
}
};
synchronized (replier) {
if (!isShutdown) {
replier.execute(replierPong);
}
}
}
當讀到pong幀時,直接回調
public final void onReadPong(ByteString buffer) {
readerListener.onPong(buffer);
}
當讀到close幀時,也是直接回調
@Override public final void onReadClose(int code, String reason) {
replyToPeerClose(code, reason);
readerSawClose = true;
readerListener.onClose(code, reason);
}
再者讀到消息幀的時候,就會讀取payload data中的數據,回調frameCallback.onReadMessage方法,返回數據。
private void readMessageFrame() throws IOException {
final MediaType type;
switch (opcode) {
case OPCODE_TEXT:
type = WebSocket.TEXT;
break;
case OPCODE_BINARY:
type = WebSocket.BINARY;
break;
default:
throw new ProtocolException("Unknown opcode: " + toHexString(opcode));
}
final BufferedSource source = Okio.buffer(framedMessageSource);
ResponseBody body = new ResponseBody() {
@Override public MediaType contentType() {
return type;
}
@Override public long contentLength() {
return -1;
}
@Override public BufferedSource source() {
return source;
}
};
messageClosed = false;
frameCallback.onReadMessage(body);
if (!messageClosed) {
throw new IllegalStateException("Listener failed to call close on message payload.");
}
}
frameCallback.onReadMessage會回調到RealWebSocket中的onReadMessage,最終回調給監聽器
@Override public final void onReadMessage(ResponseBody message) throws IOException {
readerListener.onMessage(message);
}
同理,回復消息幀則是讀取消息幀的逆過程,具體流程,有興趣自己看源碼把~
來自:http://blog.csdn.net/sbsujjbcy/article/details/52839540