利用express+socket.io实现一个简易版聊天室

写在前面

最近由于利用node重构某个项目，项目中有一个实时聊天的功能，于是就研究了一下聊天室，在线demo|源码，欢迎大家反馈。这个聊天室的主要利用到了socket.io和express。这个聊天室支持群聊，私聊，支持发送图片（PS：大家在体验时最好开启两个浏览器，自问自答）。下面就来和大家分享下实现过程：

WebSocket

HTML5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信。

为了更好的理解WebSocket，需要了解一下在没有WebSocket阶段是如何写聊天室这种实时系统的：
基于http协议浏览器可以实现单向通信，只能由浏览器发起请求（Request），服务器进行响应（Response），一个请求对应一个响应。由于服务器不能主动向客户端推送消息，于是普遍采用的方式就是轮询（polling），轮询实现起来非常简单，就是定时的利用ajax向服务器端进行请求。如果服务器有新的数据就返回新的数据，如果没有数据就返回空响应。用代码来模拟下就是这个样子的：

// 前端请求代码
function update (fn) {
    var xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.open("get", "./update.php");
    xhr.onreadystatechange = function(){    
    if(xhr.readyState === 4){
      if(xhr.status == 200){    
        const res = JSON.parse(xhr.response);
          if (res.flag) {
              // 进行相应操作
              
              // fn为接到响应后的处理函数
              fn && fn(fn);
          }
      }
    }
    };
    xhr.send();
}
function polling () {
    update();
}
setInterval(polling, 2000);
// 后台响应代码
<?php
    // 利用随机数的大小来模拟是否有新数据
    if (rand(1, 100) < 35) {
        echo json_encode(array( 
            "flag" => true, 
            "data" => '有新数据来了'
        ));
    } else {
        echo json_encode(array(
            "flag" => false
        ));
    }
?>

这种定时请求的方式的关键在于间隔时间的选取，依据我在上面代码做的模拟，很少概率能拿到下真正的数据，多半的ajax请求是无效的，于是又有前辈基于轮询提出来了Comet（服务器推），这种技术可以通过长轮询（long polling）实现（还可以利用iframe），长轮询也是靠ajax实现客户端的请求，其流程为：客户端发起请求，服务器挂起请求，假若有新的数据返回，服务器响应客户端刚才的请求，客户端得到响应后继续请求服务器。用伪代码来模拟下长轮询的过程：

// 前端利用下面函数进行请求
function longPolling () {
    update(update);
}
longpolling();
// 后端代码做如下更改
<?php
    // 利用随机数的大小来模拟是否有新数据
    while (true) {
        if (rand(1, 100) < 5) {
            echo json_encode(array( 
                "flag" => true, 
                "data" => '有新数据来了'
            ));
            break;
        }
    }
?>

长轮询的确减少了请求的次数，但是它也有着很大的问题，那就是耗费服务器的资源。
无论是轮询还是长轮询，还有着一个问题就是http并不是支持长连接很多人会说keep-alive不就是做到了长连接吗？然而并非如此，keep-alive是重用一个TCP连接，就是说http 1.1做到了一个TCP连接可以发送多个http请求，然而每个http请求还需要发送Request Header，每个请求的响应还会带着Response Header。对于轮询和长轮询来说伴随着真实数据的交换，还有进行的就是大量的http header的交换。
基于这些问题，WebSocket被提出，WebSocket可以理解为对http的一个补丁包，WebSocket使http变成了一个真正的长连接，握手阶段利用http协议，之后就不会再发起http请求了。下面来看下WebSocket握手的过程：

客户端的请求头比一般的http请求多出来几个字段：

• Upgrade: websocket,Connection: Upgrade，利用这两个字段来告诉服务器，我要将协议升级为websocket。

• Sec-WebSocket-Version: 13，来告诉服务器我想要使用的WebSocket的版本。

• Sec-WebSocket-Key，其值采用base64编码的随机16字节长的字符序列，这个值会在响应头中回应。

• Sec-WebSocket-Extensions，提供了一个客户端支持的协议扩展列表来供服务器选择，服务器只能选择一个，并且会将选择的扩展写入响应头的Sec-WebSocket-Extensions。

• Sec-WebSocket-Protocol，与Sec-WebSocket-Extensions原理相似，用于协商应用子协议。

再来看看响应头：

• Status Code，值为101，表示已经升级到WebSocket协议

• Sec-WebSocket-Extensions告诉客户端服务器选择的协议扩展

• Sec-WebSocket-Protocol告诉客户端服务器选择的子协议

• Sec-WebSocket-Accept经服务器确认并且加密后的Sec-WebSocket-Key

还有一点值得关注的就是协议头由http/https换成了ws/wss，也标识真http完成了其使命，接下来的事情由WebSocket来负责啦！

socket.io

由于写原生的WebSocket在处理低版本浏览器的兼容性上的困难，所以一般在写实时交互的这种项目时一般会利用到socket.io。socket.io并不仅仅是WebSocket，还包含着AJAX long polling，AJAX multipart streaming，JSONP Polling等。socket.io可以看做是基于engine.io的二次开发。通过emit和on可以轻松地实现服务器与客户端之间的双向通信，emit来发布事件，on来订阅事件。

用户登录/登出

下面开始来写代码，我利用的构建工具是gulp，模板语言是jade，css预处理语言是less，假若也需要使用到这些，可以关注下我所在团队搭建的一个小的脚手架，先从app.js开始：

const users = {}, 
    app = express(),
    server = require("http").createServer(app),
    io = require("socket.io").listen(server); 
// 将socket.io绑定到服务器上，使得任何连接到服务器的客户端都具有实时通信的功能

// 服务器来监听客户端
io.on("connection", (socket) => {
    // socket是返回的连接对象,两端的交互就是通过这个对象
});

需要创建一个对象（users）来存储在线用户，键值为用户昵称，为用户登录来订阅个事件：

socket.on("login", (nickname) => {
        if (users[nickname] || nickname === "system") {
            socket.emit("repeat");            
        } else {
            socket.nickname = nickname;
            users[nickname] = {
                name: nickname,
                socket: socket,
                lastSpeakTime: nowSecond()
            };
            socket.emit("loginSuccess");            
            UsersChange(nickname, true);
        }
});
socket.on("disconnect", () => {
    if (socket.nickname && users[socket.nickname]) {
        delete users[socket.nickname];
        UsersChange(socket.nickname, false);
    }
});
function UsersChange (nickname, flag) {
    io.sockets.emit("system", {
        nickname: nickname,
        size: Object.keys(users).length,
        flag: flag
    });
}
function nowSecond () {
    return Math.floor(new Date() / 1000);
}

用户登录时需要验证其昵称是否含有，假若函数，则触发在客户端的js代码中注册的repeat事件，反之触发loginSuccess事件并且登录成功后需要向所有的客户端来广播，所以利用了io.sockets.emit。repeat，loginSuccess，system，在src/js/index.js中进行注册，主要用于页面的显示，也就是一些dom操作，所以在这里没有什么好讲的。用户退出，直接调用默认事件disconnect就好，并将该用户从用户对象中移除。

心跳检测

在用户的状态上的坑还是不少的，因为WebSocket中间过程比较复杂，经常会出现一些异常的情况，所以需要进行心跳检测，我采用的方式是服务端定时遍历用户列表，假若用户最后的发言时间与现在相比超过了5分钟，就将其视为掉线，从而避免了"用户undefined退出群聊"的这种情况。

function pong () {
    const now = nowSecond();
    for (let k in users) {
        if (users[k].lastSpeakTime + MAX_LEAVE_TIME < now) {
            var socket = users[k].socket;
            users[k].socket.emit("disconnect");
            socket.emit("nouser", "由于长时间未说话，您已经掉线，请重新刷新页面");
            socket = null;
        } 
    }
}
// 心跳检测
setInterval(pong, PONG_TIME);
function UsersChange (nickname, flag) {
    io.sockets.emit("system", {
        nickname: nickname,
        size: Object.keys(users).length,
        flag: flag
    });
}

写在最后

其实socket.io的使用真的非常简单，很容易就会上手，所以其余功能不再一一演示，大家可以看代码的实现（写的比较差，还请见谅），客户端代码中大量用到了L，相当于zepto的$，特别需要处理的是在私信和发送图片的处理上，私信需要处理不同消息框，到底把消息添加到那个消息框中，我利用了一个对象来存储这些信息（cache），cache的键名为用户的昵称（因为在注册时判断了其是否唯一，所以可以将其视为唯一的）；键值为对象，对象属性如下图所示：

具体实现大家还是到源码中去看吧！

感谢王哇勇大神的HiChat和小胡子哥的blogChat
由于本人水平有限，如有错误，欢迎大家指出！