C/C++面向WebAssembly编程

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5.2 WebSocket

本节将介绍在Emscripten中使用WebSocket的方法。

5.2.1 WebSocket简介

WebSocket协议在2011年已成为国际标准，目前主流浏览器均已支持。与HTTP协议相比，WebSocket有如下特点：

  1. WebSocket是长连接协议，一次握手连接成功后，可以多次发送数据；
  2. 不同于HTTP只能由客户端发起单向请求，WebSocket是双向协议，连接建立后，客户端和服务器都可以主动向对方发送数据；
  3. WebSocket既可以发送文本数据，也可以发送二进制数据；
  4. WebSocket没有同源限制；
  5. 非加密的WebSocket以ws为协议标识符，使用TCP协议封装；加密的WebSocket以wss为协议标识符，使用TLS协议封装。

为了方便测试，我们先创建一个简单的WebSocket echo服务。笔者在此选择Go语言来创建该服务，代码如下：

//ws_echo.go
package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net/http"
    "syscall"

    "golang.org/x/net/websocket"

    "os"
    "os/signal"
)

func main() {
    log.Println("ws_echo start...")

    wsPort := 40001
    go func() {
        log.Println(fmt.Sprint("WebSocket:", wsPort, " Listening ..."))
        http.Handle("/ws_echo", websocket.Handler(webSocketHandler))
        err := http.ListenAndServe(fmt.Sprint(":", wsPort), nil)
        if err != nil {
            panic("ListenAndServe: " + err.Error())
        }
    }()

    httpPort := 80
    go func() {
        log.Println(fmt.Sprint("http:", httpPort, " Listening ..."))
        err := http.ListenAndServe(fmt.Sprint(":", httpPort),
            http.FileServer(http.Dir("./")))
        if err != nil {
            panic("ListenAndServe: " + err.Error())
        }
    }()

    ch := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(ch, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
    log.Printf("ws_echo quit (%v)\n", <-ch)
}

func webSocketHandler(ws *websocket.Conn) {
    ws.PayloadType = websocket.TextFrame
    defer ws.Close()

    rtemp := make([]byte, 32768)
    for {
        n, err := ws.Read(rtemp)
        if err != nil {
            log.Println("Error:Read:", err)
            return
        }

        n, err = ws.Write(rtemp[:n])
    }
}

上述代码在80端口启动了当前文件夹的静态页面服务用于发布测试用的html文件；并在40001端口的/ws_echo路径启动了WebSocket echo服务，该服务建立WebSocket连接后，会将客户端发来的数据原样发回去。安装Go语言环境后，使用下列命令启动程序：

go run ws_echo.go

5.2.2 在JavaScript中使用WebSocket

在JavaScript中使用WebSocket()构造函数创建WebSocket对象，WebSocket.send()方法用于发送数据，WebSocket.onmessage()属性用于指定处理接收到的数据的回调函数，例如：

//websocket_js.html
    var ws = new WebSocket("ws://localhost:40001/ws_echo");
    ws.onopen = function(e) {
      console.log("ws.onopen");
      ws.send("Hello world!");
    }

    ws.onmessage = function(e) {
      console.log("ws.onmessage: " + e.data);
      ws.close();
    }

    ws.onclose = function(e) {
      console.log("ws.onclose");
    }

    ws.onerror = function(e) {
      console.log("ws.onerror");
    }

上述代码创建了与ws://localhost:40001/ws_echo的WebSocket连接，连接成功后发送了"Hello world!"，WebSocket echo服务将收到的数据发回后，ws.onmessage()将收到的数据通过日志打印：

5.2.3 WebSocket对象的C接口封装

与5.1节介绍的XMLHttpRequest封装方法类似，WebSocket对象的C接口封装分为两个部分：

  1. 由JavaScript实现，供C调用。包括创建WebSocket对象、发送数据等主动行为；
  2. 由C实现，供JavaScript调用。包括各种事件的回调。

来看C部分的代码：

//ws_wrap.cpp

struct WS_WRAPPER;
struct WS_CB;

//imp by JavaScript, call by C:
EM_PORT_API(struct WS_WRAPPER*) WSNew(const char *url, struct WS_CB *cb);
EM_PORT_API(int) WSSend(struct WS_WRAPPER *ws, const char *data);
EM_PORT_API(void) WSDelete(struct WS_WRAPPER *ws);

//WebSocket callback:
class CWSCallback{
public:
    CWSCallback(const char *url){
        m_ws = WSNew(url, (struct WS_CB*)this);
    }
    virtual ~CWSCallback(){}

    void OnOpen(){
        printf("OnOpen\n");
        WSSend(m_ws, "I love wasm!");
    }

    void OnClose(){
        printf("OnClose\n");
    }

    void OnMessage(const char* data){
        printf("OnMessage: %s\n", data);
        WSDelete(m_ws);
        m_ws = NULL;
    }

    void OnError(){
        printf("OnError\n");
    }

    struct WS_WRAPPER *m_ws;
};

//imp by C, call by JavaScript:
EM_PORT_API(void) WSOnOpen(struct WS_CB *cb){
    if (cb == NULL) return;
    CWSCallback *pc = (CWSCallback*)cb;
    pc->OnOpen();
}

EM_PORT_API(void) WSOnClose(struct WS_CB *cb){
    if (cb == NULL) return;
    CWSCallback *pc = (CWSCallback*)cb;
    pc->OnClose();
}

EM_PORT_API(void) WSOnMessage(struct WS_CB *cb, const char* data){
    if (cb == NULL) return;
    CWSCallback *pc = (CWSCallback*)cb;
    pc->OnMessage(data);
}

EM_PORT_API(void) WSOnError(struct WS_CB *cb){
    if (cb == NULL) return;
    CWSCallback *pc = (CWSCallback*)cb;
    pc->OnError();
}

CWSCallback wscb("ws://localhost:40001/ws_echo");

与5.1节介绍的XMLHttpRequest封装方法类似，创建WebSocket连接时，我们为它绑定了一个回调对象cb，用于处理该连接的各种回调事件。这样当程序同时启动了多个WebSocket连接时，可以为每个WebSocket连接分配不同的的回调处理对象。

导入库部分代码如下：

//pkg.js
mergeInto(LibraryManager.library, {
    WSNew: function (url, cb) {
        return JS_WSNew(Pointer_stringify(url), cb);
    },

    WSSend: function (ws, data) {
        return JS_WSSend(ws, Pointer_stringify(data));
    },

    WSDelete: function (ws) {
        return JS_WSDelete(ws);
    }
})

导入库调用的JavaScript方法如下：

//ws_wrap.html
    var g_NextWSID = 1;
    var g_WSTable = [];
    function JS_WSNew(url, cb) {
        var ws = new WebSocket(url);
        ws.onopen = function (e) { Module._WSOnOpen(cb); };
        ws.onclose = function (e) { Module._WSOnClose(cb); };
        ws.onmessage = function (e) {
            Module.ccall('WSOnMessage', 'null', ['number', 'string'], [cb, e.data]);
        };
        ws.onerror = function (e) { Module._WSOnError(cb); };

        var wsid = g_NextWSID++;
        g_WSTable[wsid] = ws;
        return wsid;
    }

    function JS_WSSend(ws, data) {
        var ws = g_WSTable[ws];
        ws.send(data);
    }

    function JS_WSDelete(ws) {
        var ws = g_WSTable[ws];
        ws.close();
    }

整套程序综合应用了导出C++对象（4.3节）、JavaScript对象注入C（4.5节）、ccall（2.7节）等技术。使用下列命令编译：

emcc  ws_wrap.cpp --js-library pkg.js -s "EXTRA_EXPORTED_RUNTIME_METHODS=['ccall']" -o ws_wrap.js

启动WebSocket echo服务，浏览页面，控制台输出如下：

出于简化代码考虑，本节给出的例子未处理反复调用WSNew()导致g_NextWSID溢出等情况。由于IO操作往往与程序逻辑强相关，实际项目中需要考虑的问题多种多样，在此无法尽述。