使用Go基于WebSocket构建千万级视频直播弹幕系统

来自:51CTO博文 2020-07-07

(1)业务复杂度介绍

开门见山,假设一个直播间同时500W人在线,那么1秒钟1000条弹幕,那么弹幕系统的推送频率就是: 500W * 1000条/秒=50亿条/秒 ,想想B站2019跨年晚会那次弹幕系统得是多么的NB,况且一个大型网站不可能只有一个直播间!

使用Go做WebSocket开发无非就是三种情况:

使用Go原生自带的库,也就是 golang.org/x/net ,但是这个官方库真是出了奇Bug多 使用GitHub大佬 gorilla/websocket 库,可以结合到某些Web开发框架,比如Gin、iris等,只要使用的框架式基于 golang.org/net 的,那么这个库就可以与这个框架结合 手撸一个WebSocket框架

根据估算结果,弹幕推送量很大的时候,Linux内核将会出现瓶颈,因为Linux内核发送TCP包的时候极限包发送频率是100W。因此可以将同一秒内的弹幕消息合并为1条推送,减少网络小数据包的发送,从而降低推送频率。

弹幕系统需要维护在线的用户长连接来实现定向推送到在线的用户,通常是使用Hash字典结构,通常推送消息就是遍历在线用的Hash字典。在弹幕推送期间用户在不断的上下线,为了维护上线用户,那么就得不断的修改Hash字典,不断地进行锁操作,用户量过大导致锁瓶颈。因此可以将整个Hash结构拆分为多个Hash结构,分别对多个Hash结构加不同的锁,并且使用读写锁替代互斥锁。

通常服务器与客户端交互使用JSON结构,那么需要不断的编码解码JSON数据,这将会导致CPU瓶颈。将消息先进行合并,然后进行编码,最后轮询Hash结构进行推送。

以上是单体架构存在的问题,为了支持更多的用户负载,通常弹幕系统采用分布式架构,进行弹性扩容缩容。

(2)推送还是拉取?

如果是客户端拉取服务器端数据,那么将会存在以下几个问题:

直播在线人数多就意味着消息数据更新频率高,拉取消息意味着弹幕无法满足时效性 如果很多客户端同时拉取,那么服务器端的压力无异于DDOS 一个弹幕系统应该是通用的,因此对于直播间弹幕较少的场景,意味着消息数据拉取请求都是无效的

因此我们考虑推送模式:当数据发生更新的时候服务器端主动推送到客户端,这样可以有效减少客户端的请求次数。如果需要实现消息推送,那么就意味着服务器端维护大量的长连接。

(3)为什么使用WebSocket?

实现弹幕消息的实时更新一定是使用Socket的方式,那么为啥要使用WebSocket呢?现在大部分直播应用的开发都是跨平台的,然而跨平台的开发框架本质就是Web开发,那么一定离不开WebSocket,而且一部分用户会选择在Web端看视频,比如Bilibili,现如今也有一些桌面应用是用Electron等跨平台框架开发的,比如Lark飞书等,因此实现消息推送的最佳方案就是使用WebSocket。

使用WebSocket可以轻松的维持服务器端长连接,其次WebSocket是架构在HTTP协议之上的,并且也可以使用HTTPS方式,因此WebSocket是可靠传输,并且不需要开发者关注底层细节。

为啥要使用Go搞WebSocket呢?首先说到WebSocket你可能会想到Node.js,但是Node.js是单线程模型,如果实现高并发,不得不创建多个Node.js进程,但是这又不容易服务端遍历整个连接集合;如果使用Java就会显得比较笨重,Java项目的部署,编写Dockerfile都不如Go的目标二进制更加简洁,并且Go协程很容易实现高并发,上一章说到Go语言目前也有成熟的WebSocket轮子。

(4)服务端基本Demo

首先搭建好一个框架:

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func main() {
  fmt.Println("Listen localhost:8080")
     // 注册一个用于WebSocket的路由,实际业务中不可能只有一个路由
    http.HandleFunc("/messages", messageHandler)
    // 监听8080端口,没有实现服务异常处理器,因此第二个参数是nil
    http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
}

func messageHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
    // TODO: 实现消息处理
    response.Write([]byte("HelloWorld"))
}

然后完善messageHandler函数:

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

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

    // 收发消息
    for {
        // 读取消息
        _, bytes, err := conn.ReadMessage()
        if err != nil {
            _ = conn.Close()
        }
        // 写入消息
        err = conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, bytes)
        if err != nil {
            _ = conn.Close()
        }
    }
}

现在基本上实现了WebSocket功能,但是websocket的原生API不是线程安全的(Close方法是线程安全的,并且是可重入的),并且其他模块无法复用业务逻辑,因此进行封装:

封装Connection对象描述一个WebSocket连接 为Connection对象提供线程安全的关闭、接收、发送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{
        // 允许跨域
        CheckOrigin: func(resquest *http.Request) bool {
            return true
        },
    }

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

    // 收发消息
    for {
        // 读取消息
        msg, err := wsConn.ReadOne()
        if err != nil {
            wsConn.Close()
        }
        // 写入消息
        err = wsConn.WriteOne(msg)
        if err != nil {
            _ = conn.Close()
        }
    }
}
// service/messsage_service.go
package service

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

// 封装的连接对象
// 
// 由于websocket的Close()方法是可重入的,所以可以多次调用,但是关闭Channel的close()
// 方法不是可重入的,因此通过isClosed进行判断
// isClosed可能发生资源竞争,因此通过互斥锁避免
// 关闭websocket连接后,也要自动关闭输入输出消息流,因此通过signalCloseLoopChan实现
type Connection struct {
    conn                                   *websocket.Conn    // 具体的连接对象
    inputStream                         chan []byte             // 输入流,使用Channel模拟
    outputStream                      chan []byte             // 输出流,使用chaneel模拟
    signalCloseLoopChan         chan byte              // 关闭信号
    isClosed                              bool                       // 是否调用过close()方法
    lock                                     sync.Mutex            // 简单的锁
}

// 用于初始化一个连接对象
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,
    }

    // 启动读写循环
    go connection.readLoop()
    go connection.writeLoop()
    return
}

// 读取一条消息
func (c *Connection) ReadOne() (msg []byte, err error) {
    select {
    case msg = <-(*c).inputStream:
    case <-(*c).signalCloseLoopChan:
        err = errors.New("connection is closed")
    }
    return
}

// 写入一条消息
func (c *Connection) WriteOne(msg []byte) (err error) {
    select {
    case (*c).outputStream <- msg:
    case <-(*c).signalCloseLoopChan:
        err = errors.New("connection is closed")
    }
    return
}

// 关闭连接对象
func (c *Connection) Close() {
    _ = (*c).conn.Close()
    (*c).lock.Lock()
    if !(*c).isClosed {
        close((*c).signalCloseLoopChan)
    }
    (*c).lock.Unlock()

}

// 读取循环
func (c *Connection) readLoop() {
    // 不停的读取长连接中的消息,只要存在消息就将其放到队列中
    for {
        _, bytes, err := (*c).conn.ReadMessage()
        if err != nil {
            (*c).Close()
        }
        select {
        case <-(*c).signalCloseLoopChan:
            (*c).Close()
        case (*c).inputStream <- bytes:
        }
    }
}

// 写入循环
func (c *Connection) writeLoop() {
    // 只要队列中存在消息,就将其写入
    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,你已经学会了如何使用Go构建WebSocket服务。