Django使用channels + websocket打造在线聊天室

Thalia ·

更新时间:2024-11-10

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什么是websocket?

第一步准备工作

第二步编写聊天室页面

第三步编写后台websocket路由及处理方法

第四步运行看效果

小结

Channels是Django团队研发的一个给Django提供websocket支持的框架，它同时支持http和websocket多种协议。使用channels可以让你的Django应用拥有实时通讯和给用户主动推送信息的功能。

演示效果如下所示：

什么是websocket?

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是 Ajax 轮询。轮询是在特定的的时间间隔（如每1秒），由浏览器对服务器发出HTTP请求，然后由服务器返回最新的数据给客户端的浏览器。这种传统的模式带来很明显的缺点，即浏览器需要不断的向服务器发出请求，然而HTTP请求可能包含较长的头部，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分，显然这样会浪费很多的带宽等资源。Websocket能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯，早已成为一种非常流行必须掌握的技术。

第一步准备工作

首先在虚拟环境中安装django和channels(本项目使用了最新版本，均为3.X版本), 新建一个名为myproject的项目，新建一个app名为chat。如果windows下安装报错，如何解决自己网上去找吧。

pip install django==3.2.3 pip install channels==3.0.3

修改settings.py, 将channels和chat加入到INSTALLED_APPS里，并添加相应配置，如下所示：


 INSTALLED_APPS = [
       'django.contrib.admin',
       'django.contrib.auth',
       'django.contrib.contenttypes',
       'django.contrib.sessions',
       'django.contrib.messages',
       'django.contrib.staticfiles',
       'channels', # channels应用
       'chat',  
 ]
 
 # 设置ASGI应用
 ASGI_APPLICATION = 'myproject.asgi.application'
 
 # 设置通道层的通信后台 - 本地测试用
 CHANNEL_LAYERS = {
     "default": {
         "BACKEND": "channels.layers.InMemoryChannelLayer"
    }
 }

注意：本例为了简化代码，使用了InMemoryChannelLayer做通道层(channel_layer)的通信后台，实际生产环境中应该需要使用redis作为后台。这时你还需要安装redis和channels_redis，然后添加如下配置：


 # 生产环境中使用redis做后台，安装channels_redis
 CHANNEL_LAYERS = {
     "default": {
         "BACKEND": "channels_redis.core.RedisChannelLayer",
         "CONFIG": {
             "hosts": [("127.0.0.1", 6379)],
              #或"hosts": [os.environ.get('REDIS_URL', 'redis://127.0.0.1:6379/1')],
        },
    },
 }

最后将chat应用的urls.py加入到项目urls.py中去，这和常规Django项目无异。


 # myproject/urls.py
 
 from django.conf.urls import include
 from django.urls import path
 from django.contrib import admin
 
 urlpatterns = [
     path('chat/', include('chat.urls')),
     path('admin/', admin.site.urls),
 ]

第二步编写聊天室页面

我们需要利用django普通视图函数编写两个页面，一个用于展示首页(index), 通过表单让用户输入聊天室的名称(room_name)，然后跳转到相应聊天室页面；一个页面用于实时展示聊天信息记录，并允许用户发送信息。

这两个页面对应的路由及视图函数如下所示：


 # chat/urls.py
 from django.urls import path
 from . import views
 
 urlpatterns = [
     path('', views.index, name='index'),
     path('<str:room_name>/', views.room, name='room'),
 ]
 
 # chat/views.py
 from django.shortcuts import render
 
 def index(request):
     return render(request, 'chat/index.html', {})
 
 def room(request, room_name):
     return render(request, 'chat/room.html', {
         'room_name': room_name
    })

接下来我们编写两个模板文件index.html和room.html。它们的路径位置如下所示：


 chat/
    __init__.py
    templates/
        chat/
            index.html
            room.html
    urls.py
    views.py

index.html内容如下所示。它也基本不涉及websocket，就是让用户输入聊天室后进行跳转。


 <!-- chat/templates/chat/index.html -->
 <!DOCTYPE html>
 <html>
 <head>
     <meta charset="utf-8"/>
     <title>Chat Rooms</title>
 </head>
 <body>
    请输入聊天室名称：
     <input id="room-name-input" type="text" size="100">
     <input id="room-name-submit" type="button" value="Enter">
 
     <script>
         document.querySelector('#room-name-input').focus();
         document.querySelector('#room-name-input').onkeyup = function(e) {
             if (e.keyCode === 13) {  // enter, return
                 document.querySelector('#room-name-submit').click();
            }
        };
 
         document.querySelector('#room-name-submit').onclick = function(e) {
             var roomName = document.querySelector('#room-name-input').value;
             window.location.pathname = '/chat/' + roomName + '/';
        };
     </script>
 </body>
 </html>

room.html内容如下所示。为了帮助你理解前后端是怎么实现websocket实时通信的，我给每行js代码添加了注释，这对于你理解前端如何发送websocket的请求，如果处理后端发过来的websocket消息至关重要。


   <script>
        // 获取房间名
        const roomName = JSON.parse(document.getElementById('room-name').textContent);
 
        // 根据roomName拼接websocket请求地址，建立长连接
        // 请求url地址为/ws/chat/<room_name>/
        const wss_protocol = (window.location.protocol == 'https:') ? 'wss://': 'ws://';
        const chatSocket = new WebSocket(
             wss_protocol + window.location.host + '/ws/chat/'  + roomName + '/'
            );
 
        // 建立websocket连接时触发此方法，展示欢迎提示
        chatSocket.onopen = function(e) {
            document.querySelector('#chat-log').value += ('[公告]欢迎来到' + roomName + '讨论群。请文明发言!\n')
        }
 
        // 从后台接收到数据时触发此方法
        // 接收到后台数据后对其解析，并加入到聊天记录chat-log
         chatSocket.onmessage = function(e) {
             const data = JSON.parse(e.data);
             document.querySelector('#chat-log').value += (data.message + '\n');
        };
 
         // websocket连接断开时触发此方法
         chatSocket.onclose = function(e) {
             console.error('Chat socket closed unexpectedly');
        };
         
         document.querySelector('#chat-message-input').focus();
         document.querySelector('#chat-message-input').onkeyup = function(e) {
             if (e.keyCode === 13) {  // enter, return
                 document.querySelector('#chat-message-submit').click();
            }
        };
         
         // 每当点击发送消息按钮，通过websocket的send方法向后台发送信息。
         document.querySelector('#chat-message-submit').onclick = function(e) {
             const messageInputDom = document.querySelector('#chat-message-input');
             const message = messageInputDom.value;
             
             //注意这里:先把文本数据转成json格式,然后调用send方法发送。
             chatSocket.send(JSON.stringify({
                 'message': message
            }));
             messageInputDom.value = '';
        };
     </script>

此时如果你使用python manage.py runserver命令启动测试服务器，当你访问一个名为/hello/的房间时，你将看到如下页面：

到这里你看不到任何聊天记录，也不能发送任何消息，因为我们还没有在后端编写任何代码用于处理前端发来的消息，并返回数据。在终端你还会看到如下报错, 说Django只能处理http连接，不能处理websocket。

到目前为止，我们所写的就是一个普通的django应用，还没有用到channels库处理websocket请求。接下来我们就要正式开始使用channels了。

第三步编写后台websocket路由及处理方法

当 Django 接受 HTTP 请求时, 它会根据根 URLconf 以查找视图函数, 然后调用视图函数来处理请求。同样, 当 channels 接受 WebSocket 连接时, 它也会根据根路由配置去查找相应的处理方法。只不过channels的路由不在urls.py中配置，处理方法也不写在views.py。在channels中，这两个文件分别变成了routing.py和consumers.py。这样的好处是不用和django的常规应用混在一起。

routing.py：websocket路由文件，相当于django的urls.py。它根据websocket请求的url地址触发consumers.py里定义的方法。

consumers.py：相当于django的视图views.py，负责处理通过websocket路由转发过来的请求和数据。

在chat应用下新建routing.py, 添加如下代码。它的作用是将发送至ws/chat/<room_name>/的websocket请求转由ChatConsumer处理。


 # chat/routing.py
 from django.urls import re_path
 
 from . import consumers
 
 websocket_urlpatterns = [
     re_path(r'ws/chat/(?P<room_name>\w+)/$', consumers.ChatConsumer.as_asgi()),
 ]

注意：定义websocket路由时，推荐使用常见的路径前缀 (如/ws) 来区分 WebSocket 连接与普通 HTTP 连接，因为它将使生产环境中部署 Channels 更容易，比如nginx把所有/ws的请求转给channels处理。

与Django类似，我们还需要把这个app的websocket路由加入到项目的根路由中去。编辑myproject/asgi.py, 添加如下代码：


 # myproject/asgi.py
 import os
 
 from channels.auth import AuthMiddlewareStack
 from channels.routing import ProtocolTypeRouter, URLRouter
 from django.core.asgi import get_asgi_application
 import chat.routing
 
 os.environ.setdefault("DJANGO_SETTINGS_MODULE", "myproject.settings")
 
 application = ProtocolTypeRouter({
    # http请求使用这个
   "http": get_asgi_application(),
   
   # websocket请求使用这个
   "websocket": AuthMiddlewareStack(
         URLRouter(
             chat.routing.websocket_urlpatterns
        )
    ),
 })

在这里，channels的ProtocolTypeRouter会根据请求协议的类型来转发请求。AuthMiddlewareStack将使用对当前经过身份验证的用户的引用来填充连接的scope, 类似于 Django 的request对象，我们后面还会讲到。

接下来在chat应用下新建consumers.py, 添加如下代码:


 import json
 from asgiref.sync import async_to_sync
 from channels.generic.websocket import WebsocketConsumer
 import datetime
 
 
 class ChatConsumer(WebsocketConsumer):
     # websocket建立连接时执行方法
     def connect(self):
         # 从url里获取聊天室名字，为每个房间建立一个频道组
         self.room_name = self.scope['url_route']['kwargs']['room_name']
         self.room_group_name = 'chat_%s' % self.room_name
 
         # 将当前频道加入频道组
         async_to_sync(self.channel_layer.group_add)(
             self.room_group_name,
             self.channel_name
        )
 
         # 接受所有websocket请求
         self.accept()
 
     # websocket断开时执行方法
     def disconnect(self, close_code):
         async_to_sync(self.channel_layer.group_discard)(
             self.room_group_name,
             self.channel_name
        )
 
     # 从websocket接收到消息时执行函数
     def receive(self, text_data):
         text_data_json = json.loads(text_data)
         message = text_data_json['message']
 
         # 发送消息到频道组，频道组调用chat_message方法
         async_to_sync(self.channel_layer.group_send)(
             self.room_group_name,
            {
                 'type': 'chat_message',
                 'message': message
            }
        )
 
     # 从频道组接收到消息后执行方法
     def chat_message(self, event):
         message = event['message']
         datetime_str = datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
 
         # 通过websocket发送消息到客户端
         self.send(text_data=json.dumps({
             'message': f'{datetime_str}:{message}'
        }))

每个自定义的Consumer类一般继承同步的WebsocketConsumer类或异步的AysncWebSocketConsumer类，它自带 self.channel_name 和self.channel_layer 属性。前者是独一无二的长连接频道名，后者提供了 send(), group_send()和group_add() 3种方法, 可以给单个频道或一个频道组发信息，还可以将一个频道加入到组。

每个频道(channel)都有一个名字。拥有频道名称的任何人都可以向频道发送消息。

一个组(group)有一个名字。具有组名称的任何人都可以按名称向组添加/删除频道，并向组中的所有频道发送消息。

注意：虽然异步Consumer类性能更优，channels推荐使用同步consumer类 , 尤其是调用Django ORM或其他同步程序时，以保持整个consumer在单个线程中并避免ORM查询阻塞整个event。调用channel_layer提供的方法时需要用async_to_sync转换一下。

除此以外，我们还使用了self.scope['url_route']['kwargs']['room_name']从路由中获取了聊天室的房间名，在channels程序中，scope是个很重要的对象，类似于django的request对象，它代表了当前websocket连接的所有信息。你可以通过scope['user']获取当前用户对象，还可以通过scope['path']获取当前当前请求路径。

第四步运行看效果

如果不出意外，你现在的项目布局应该如下所示：