劉黎志

（1.武漢工程大學(xué) 智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430205；2.武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430205）

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的客戶端瀏覽器與服務(wù)器之間通過(guò)請(qǐng)求／應(yīng)答的方式獲取信息的方式已經(jīng)不能滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的要求，用戶希望更新的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)推送到自己的桌面、手機(jī)或平板上，而不需要手動(dòng)更新［1－4］。HTML5 WebSocket可 以 取 代Comet的Long Pooling及Forever Frame技術(shù)，使得服務(wù)器和客戶端瀏覽器之間具有實(shí)時(shí)通訊能力。由于WebScoket連接實(shí)際上就是TCP連接，所以基于WebSocket開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可以在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸量上得到極大提升［5－8］。微軟的SingalR通過(guò)兼容Comet及HTML5 Web Socket，結(jié)合OWIN （open Web interface for.NET）、Ajax、JQuery等技術(shù)，提供給開(kāi)發(fā)人員一個(gè)先進(jìn)的Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

1 SingalR

SingalR是一組可實(shí)現(xiàn)Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的組件集合，SingalR 抽象了應(yīng)用程序客戶端和服務(wù)端之間的傳輸協(xié)議，SingalR 支持HTML5的WebSocket，Server Send Event協(xié)議及Comet的Ajax Long Pooling，F(xiàn)orever Frame協(xié)議［9］。SingalR 根據(jù)服務(wù)端及客戶端的不同配置環(huán)境，如瀏覽器類型及版本、操作系統(tǒng)類型，用戶配置等自動(dòng)選擇傳輸協(xié)議。在選擇傳輸協(xié)議的過(guò)程中，SingalR 會(huì)盡量使用HTML5的WebSocket協(xié)議，使用WebSocket協(xié)議可以最有效地利用服務(wù)端內(nèi)存，獲得最低的傳輸延遲及完全的服務(wù)端與客戶端的雙工通信，但使用WebSocket協(xié)議要求服務(wù)端的操作系統(tǒng) 必 須 是Windows Server 2012 或Windows 8，且 支 持.Net Framework 4.5?？蛻舳吮仨毷亲钚掳娴腗icrosoft Internet Explorer，Google Chrome或Mozilla Firefox瀏覽器。

SingalR 在服務(wù)端和客戶端之間建立永久的連接，服務(wù)端可以通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用 （RPC）的方式調(diào)用客戶端的Javascipt函數(shù)，從而使得服務(wù)端可以主動(dòng)推送消息到所有的連接客戶端，或特定的客戶端。而不需要客戶端按傳統(tǒng)的請(qǐng)求－應(yīng)答 （request－response）刷新頁(yè)面獲取最新數(shù)據(jù)?？蛻舳藙t利用SingalR Hub上下文代理類調(diào)用服務(wù)端函數(shù)。服務(wù)端與客戶端相互調(diào)用的過(guò)程如圖1所示。

圖1 服務(wù)端客戶端相互調(diào)用

SingalR 負(fù)責(zé)維護(hù)所有與服務(wù)端連接的客戶端，新加入的客戶端及退出的客戶端，SingalR 是可以自動(dòng)感知的，從而使得服務(wù)端的更新可以實(shí)時(shí)的推送到所有客戶端。SingalR 提供兩種永久鏈接及Hub兩種方式連接服務(wù)端及客戶端，永久鏈接提供PersistentConnection類供開(kāi)發(fā)人員以類似于WCF （windows communication foundation）的方式進(jìn)行相互方法調(diào)用，而Hub則提供更抽象的調(diào)用通道進(jìn)行雙向方法調(diào)用，使得服務(wù)端及客戶端都可以像調(diào)用本地方法一樣調(diào)用對(duì)方的方法，同時(shí)支持強(qiáng)類型的參數(shù)傳遞及模型綁定。服務(wù)端與客戶端的連接方式及傳輸協(xié)議如圖2所示。

圖2 服務(wù)端與客戶端的連接方式及傳輸協(xié)議

2 Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架

Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序一般需要處理3種場(chǎng)景：①客戶端調(diào)用服務(wù)端方法獲取數(shù)據(jù)集合，并使用HTML 將數(shù)據(jù)集合在客戶端瀏覽器中展示，服務(wù)端方法不需要廣播調(diào)用其它連接的客戶端方法更新客戶端頁(yè)面，該場(chǎng)景用于一個(gè)新的客戶端連接到SingalR Hub時(shí)。②客戶端調(diào)用服務(wù)端方法更新應(yīng)用程序狀態(tài)、執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯等操作，導(dǎo)致應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、狀態(tài)、業(yè)務(wù)規(guī)則發(fā)生變化，從而需要從服務(wù)端廣播調(diào)用所連接的客戶端方法，以反映這些改變，該場(chǎng)景用于用戶與客戶端頁(yè)面進(jìn)行交互，操作業(yè)務(wù)邏輯時(shí)。③服務(wù)端定時(shí)將數(shù)據(jù)更新發(fā)送到所連接的客戶端，需要從服務(wù)端廣播調(diào)用所連接的客戶端方法，從而反應(yīng)數(shù)據(jù)更新，該場(chǎng)景用戶服務(wù)端主動(dòng)推送數(shù)據(jù)到客戶端的情況，不需要客戶端主動(dòng)請(qǐng)求，如股票數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化、Web瀏覽器實(shí)時(shí)聊天等。本文提出的Web 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架基于SingalR 的WebSocket傳輸協(xié)議及Hub連接方式，能滿足上述3種場(chǎng)景的功能需求。

2.1 Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架設(shè)計(jì)

當(dāng)客戶端瀏覽器向服務(wù)端實(shí)時(shí)應(yīng)用程序發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，SingalR在客戶端與服務(wù)端之間建立永久的連接，并使用WebSocket進(jìn)行雙工通訊。連接完成后，OWIN （open Web interface for.NET）的Startup.cs類負(fù)責(zé)啟動(dòng)服務(wù)端與客戶端之間SingalR Hub上下文路由，服務(wù)端與客戶端的雙向方法調(diào)用及結(jié)果返回通過(guò)SingalR Hub上下文完成［10］。

客戶端調(diào)用服務(wù)端方法需要通過(guò)調(diào)用SingalR Hub類的實(shí)例方法，但SingalR Hub實(shí)例類只在客戶端連接到服務(wù)端時(shí)，瞬間在服務(wù)端內(nèi)存中存在，所以處理上述3類場(chǎng)景的方法不能在SingalR Hub實(shí)例類中定義，而需要在單獨(dú)的業(yè)務(wù)邏輯類中定義，并且要求該業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例在應(yīng)用程序的生命周期中為唯一且靜態(tài)只讀的，以便每個(gè)SingalR Hub類實(shí)例可以訪問(wèn)該實(shí)例，從而調(diào)用其實(shí)例方法。為使得業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例可以通過(guò)SingalR Hub調(diào)用客戶端腳本方法，需要有當(dāng)前所有客戶端連接的實(shí)例引用，該實(shí)例引用可以通過(guò)GlobalHost.ConnectionManager.GetHubContext＜T＞（）.Clients得到，ConnectionManager負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)維護(hù)當(dāng)前的客戶端連接，即新的客戶端加入及存在的客戶端斷開(kāi)連接，ConnectionManager是可以動(dòng)態(tài)感知的，并返回反映當(dāng)前實(shí)際客戶端連接數(shù)量的Clients實(shí)例引用。唯一且靜態(tài)只讀的業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例由BizService類中的Instance屬性反映，BizServiceHub的＿biz屬性在構(gòu)造函數(shù)中被賦值，從而獲得業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例引用。

業(yè)務(wù)邏輯靜態(tài)類實(shí)例通過(guò)異步的方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)、Web服務(wù)、WCF數(shù)據(jù)服務(wù)及其它數(shù)據(jù)源獲取原始或更新的數(shù)據(jù)，提高了程序的性能及伸縮性。由于業(yè)務(wù)邏輯靜態(tài)類實(shí)例中的方法代碼有可能被多個(gè)線程訪問(wèn)，故含寫(xiě)操作的代碼均是以線程安全的方式實(shí)現(xiàn)的。Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架如圖3所示。

圖3 Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架

2.2 Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架實(shí)現(xiàn)

Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架由OWIN Startup 類、BizService類、BizServiceHub 類 及 客 戶 端 的BizService.js 腳 本組成。

2.2.1 OWIN Startup類

OWIN （open Web interface for.NET）定 義 了.NET Web服務(wù)器與Web應(yīng)用程序之間的抽象接口。Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者可以利用OWIN 作為中間件將Web服務(wù)器與應(yīng)用程序分離，從而使得Web應(yīng)用程序可以以不同的方式作為其宿主發(fā)布，宿主可以是自宿主方式，IIS方式或Windows服務(wù)方式。OWIN 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，Web應(yīng)用程序不再依賴于某個(gè)具體版本的Framework，從而使得應(yīng)用程序和依賴組件之間的關(guān)系是可動(dòng)態(tài)組合的。

OWIN 的Startup.cs類負(fù)責(zé)在客戶端及服務(wù)端之間注冊(cè)SingalR 中間件，該中間件負(fù)責(zé)定義客戶端連接服務(wù)端SingalR Hub上下文的路由。在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)用OwinExtensions類的擴(kuò)展方法MapSignalR 方法實(shí)現(xiàn)。Startup.cs的定義如下所示。

?

2.2.2 BizService類

在服務(wù)端執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)、改變應(yīng)用程序狀態(tài)、執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯及定時(shí)推送更新數(shù)據(jù)到客戶端的業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)類BizService的定義如下所示。

?

由于業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)類中的代碼會(huì)被多個(gè)線程訪問(wèn)，將應(yīng)用程序數(shù)據(jù)對(duì)象集合＿data 定義為ConcurrentDictionary＜string，Data＞保證了數(shù)據(jù)集合對(duì)象的線程安全。執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯及改變應(yīng)用程序狀態(tài)的代碼段也需要是線程安全的，所以反映應(yīng)用程序當(dāng)前狀態(tài)的＿state變量類型為volatile類型，ChangeAppState方法代碼段的第一行必須獲取＿updateStatelock對(duì)象鎖。由于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)源可能是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)、WCF數(shù)據(jù)服務(wù)及其它數(shù)據(jù)源，所以獲取數(shù)據(jù)的getDatas方法應(yīng)是異步執(zhí)行的，以提高程序的性能。

2.2.3 BizServiceHub類

供客戶端進(jìn)行服務(wù)端方法調(diào)用的SingalR Hub上下文BizServiceHub類定義如下所示。

?

2.2.4 BizService.js腳本

執(zhí)行用戶界面交互事件、調(diào)用服務(wù)端方法及服務(wù)端廣播調(diào)用方法的客戶端腳本BizService.js定義如下所示?？蛻?端 腳 本 需 引 用jquery－1.10.0.min.js，jquery.signalR－2.0.0.js以上版本腳本庫(kù)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)生成的signalr／hubs腳本庫(kù)。

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2.3 Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序場(chǎng)景執(zhí)行過(guò)程

客戶端獲取初始數(shù)據(jù)的場(chǎng)景的執(zhí)行過(guò)程為：①得到服務(wù)端BizServicHub類在客戶端的代理對(duì)象biz。②客戶端連接到服務(wù)端的SingalR 上下文，并完成Hub連接初始化后，按biz.server.getAllDatas（）格式調(diào)用服務(wù)端BizServicHub類的GetAllDatas方法，注意客戶端的方法名的第一個(gè)字符為小寫(xiě)。③服務(wù)端的BizServicHub實(shí)例調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例的GetAllDatas方法返回?cái)?shù)據(jù)。④客戶端獲取數(shù)據(jù)集合，并調(diào)用DisplayData（）方法顯示數(shù)據(jù)。

客戶端執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯或改變應(yīng)用程序狀態(tài)的場(chǎng)景的執(zhí)行過(guò)程為：①客戶端連接到服務(wù)端的SingalR 上下文，并完成Hub連接初始化。②由客戶端觸發(fā)事件如Click，在事件中按biz.server.changeAppState （state）格 式 調(diào) 用 服 務(wù) 端BizServicHub類的ChangeAppState方法，并傳入?yún)?shù)。③服務(wù)端的BizServicHub 實(shí)例調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例的ChangeAppState方法執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯或改變應(yīng)用程序狀態(tài)。完成后，按Clients.All.changeAppStateClient（state）格式廣播調(diào)用所有客戶端的changeAppStateClient方法。④SingalR Hub上下文負(fù)責(zé)通知所有的連接客戶端執(zhí)行change－AppStateClient邏輯。

服務(wù)端定時(shí)推送數(shù)據(jù)到客戶端場(chǎng)景的執(zhí)行過(guò)程為：①服務(wù)端業(yè)務(wù)邏輯類實(shí)例中的Timer組件根據(jù)updateInterval定義的時(shí)間間隔，定時(shí)調(diào)用UpdateDatas方法。②getData（）通過(guò)異步調(diào)用從數(shù)據(jù)源獲取到更新的數(shù)據(jù)后，按Clients.All.updateDataClient（data）格式廣播調(diào)用所有客戶端的updateDataClient方法，并循環(huán)傳遞更新的數(shù)據(jù)對(duì)象。③SingalR Hub上下文負(fù)責(zé)通知所有的連接客戶端執(zhí)行updateDataClient邏輯。

3 結(jié)束語(yǔ)

HTML5帶來(lái)的本地存儲(chǔ)、WebSocket、圖形及多媒體應(yīng)用、支持多設(shè)備及跨平臺(tái)、自適應(yīng)頁(yè)面等技術(shù)，正在深刻的改變傳統(tǒng)的Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的模式，WebSocket正在逐步取代Comet技術(shù)，成為Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)。Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的框架設(shè)計(jì)還需要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：客戶端的頻繁更新及服務(wù)端的資源爭(zhēng)用。客戶端頻繁更新問(wèn)題突出表現(xiàn)在Web實(shí)時(shí)多人對(duì)戰(zhàn)游戲中，在游戲過(guò)程中，多個(gè)用戶會(huì)頻繁的改變狀態(tài)及更新數(shù)據(jù)，Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的框架設(shè)計(jì)需要及時(shí)的將狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化在服務(wù)端處理后，再實(shí)時(shí)反饋到所有連接的客戶端。資源爭(zhēng)用表現(xiàn)在如何合理的調(diào)度服務(wù)端資源處理來(lái)自眾多客戶端的WebSocket連接、業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及更新等請(qǐng)求。怎樣更好的處理這兩個(gè)問(wèn)題，將是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

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