JS `WebSocketStream` (提案)：基于 Web Streams 的 WebSocket 封装

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊一个新玩意儿，一个让 WebSocket 变得更现代、更灵活的家伙—— WebSocketStream。别害怕，名字听起来高大上，其实就是给 WebSocket 穿了件 Web Streams 的马甲，让它变得更性感了。

WebSocket 的老问题：

WebSocket，咱们的老朋友了，实时通信的扛把子。但用着用着，总觉得哪里不对劲。传统的 WebSocket API 用起来有点笨拙，尤其是处理二进制数据的时候，回调函数嵌套回调函数，简直就是回调地狱。而且，它和 Web Streams 这对“天作之合”总是差了那么临门一脚。

Web Streams：数据的流水线

先简单回顾一下 Web Streams。你可以把 Web Streams 想象成一条数据流水线。数据像水流一样，从一个地方流向另一个地方，中间可以经过各种处理环节。它主要有三种类型：

ReadableStream: 数据的来源，可以从中读取数据。
WritableStream: 数据的目的地，可以向其中写入数据。
TransformStream: 数据转换的环节，可以对数据进行处理。

Web Streams 的优势在于：

背压 (Backpressure): 消费者可以告诉生产者，我处理不过来了，你慢点发。避免生产者一股脑儿地塞数据，导致内存溢出。
管道 (Piping): 可以将多个 Streams 连接起来，形成一个数据处理管道。
异步迭代 (Async Iteration): 可以使用 for await...of 循环来读取数据，让代码更简洁。

WebSocketStream：WebSocket 的新外衣

WebSocketStream 就是把 WebSocket 和 Web Streams 结合起来的产物。它将 WebSocket 的数据流分成两个 Streams：一个 ReadableStream 用于接收数据，一个 WritableStream 用于发送数据。

WebSocketStream 的优势：

更灵活的数据处理: 可以直接使用 Web Streams 的各种 API 来处理 WebSocket 的数据，比如 pipeThrough、tee 等。
更好的背压控制: 可以利用 Web Streams 的背压机制，避免服务器过载。
更简洁的代码: 可以使用 for await...of 循环来读取数据，避免回调地狱。
与现有 Web Streams API 的无缝集成: 可以方便地与其他基于 Web Streams 的 API 组合使用。

如何使用 WebSocketStream？

WebSocketStream 的 API 非常简单，只有一个构造函数：

new WebSocketStream(url, protocols);

url: WebSocket 服务器的 URL。
protocols: 可选的，一个字符串或字符串数组，指定 WebSocket 子协议。

构造函数返回一个 Promise，resolve 的结果是一个对象，包含两个属性：readable 和 writable，分别对应 WebSocket 的 ReadableStream 和 WritableStream。

代码示例：

下面是一个简单的例子，演示如何使用 WebSocketStream 发送和接收文本消息：

async function connectWebSocket(url) {
  try {
    const { readable, writable } = await new WebSocketStream(url);

    // 发送消息
    const encoder = new TextEncoder();
    const writer = writable.getWriter();
    writer.write(encoder.encode("Hello, WebSocket!"));
    await writer.close();

    // 接收消息
    const decoder = new TextDecoder();
    const reader = readable.getReader();
    try {
        while (true) {
          const { done, value } = await reader.read();
          if (done) {
            console.log("Connection closed");
            break;
          }
          const message = decoder.decode(value);
          console.log("Received:", message);
        }
    } finally {
        reader.releaseLock(); // Important: Release the lock when done
    }

  } catch (error) {
    console.error("WebSocket connection error:", error);
  }
}

connectWebSocket("ws://localhost:8080"); // 替换成你的 WebSocket 服务器地址

代码解释：

创建 WebSocketStream: 使用 new WebSocketStream(url) 创建一个 WebSocketStream 对象。
获取 readable 和 writable: 等待 Promise resolve，获取 readable 和 writable 属性。
发送消息:
- 创建一个 TextEncoder 对象，用于将字符串编码成 Uint8Array。
- 获取 writable 的 writer。
- 使用 writer.write() 发送消息。
- 使用 writer.close() 关闭 writer，表示发送完成。
接收消息:
- 创建一个 TextDecoder 对象，用于将 Uint8Array 解码成字符串。
- 获取 readable 的 reader。
- 使用 reader.read() 循环读取数据。
- 如果 done 为 true，表示连接已关闭。
- 使用 decoder.decode() 将 Uint8Array 解码成字符串。
- 打印接收到的消息。
- 重要: 在 finally 块中调用 reader.releaseLock() 释放锁，防止内存泄漏。这是因为 reader.read() 会锁定 ReadableStream，必须手动释放。

处理二进制数据：

WebSocketStream 在处理二进制数据方面更加得心应手。可以直接通过 readable stream 接收 Uint8Array 数据，无需像传统 WebSocket 那样进行 ArrayBuffer 的转换。

async function connectWebSocketBinary(url) {
  try {
    const { readable, writable } = await new WebSocketStream(url);

    // 发送二进制数据
    const data = new Uint8Array([0x01, 0x02, 0x03, 0x04]);
    const writer = writable.getWriter();
    writer.write(data);
    await writer.close();

    // 接收二进制数据
    const reader = readable.getReader();
    try {
      while (true) {
        const { done, value } = await reader.read();
        if (done) {
          console.log("Connection closed");
          break;
        }
        // value is Uint8Array
        console.log("Received binary data:", value);
      }
    } finally {
      reader.releaseLock();
    }

  } catch (error) {
    console.error("WebSocket connection error:", error);
  }
}

connectWebSocketBinary("ws://localhost:8080");

使用 TransformStream 进行数据转换：

WebSocketStream 可以与 TransformStream 配合使用，实现数据的实时转换。例如，可以使用 TransformStream 对数据进行压缩或解压缩。

async function connectWebSocketTransform(url) {
  try {
    const { readable, writable } = await new WebSocketStream(url);

    // 创建一个 TransformStream，将字符串转换为大写
    const uppercaseTransform = new TransformStream({
      transform(chunk, controller) {
        const decoder = new TextDecoder();
        const text = decoder.decode(chunk);
        const uppercaseText = text.toUpperCase();
        const encoder = new TextEncoder();
        const uppercaseChunk = encoder.encode(uppercaseText);
        controller.enqueue(uppercaseChunk);
      }
    });

    // 将 readable stream 通过 uppercaseTransform 管道传输
    const transformedReadable = readable.pipeThrough(uppercaseTransform);

    // 接收转换后的数据
    const reader = transformedReadable.getReader();
    try {
      while (true) {
        const { done, value } = await reader.read();
        if (done) {
          console.log("Connection closed");
          break;
        }
        const decoder = new TextDecoder();
        const message = decoder.decode(value);
        console.log("Received transformed message:", message);
      }
    } finally {
      reader.releaseLock();
    }

    // 发送消息
    const encoder = new TextEncoder();
    const writer = writable.getWriter();
    writer.write(encoder.encode("hello, websocket!"));
    await writer.close();

  } catch (error) {
    console.error("WebSocket connection error:", error);
  }
}

connectWebSocketTransform("ws://localhost:8080");

背压 (Backpressure) 的重要性：

背压是 Web Streams 的一个重要特性，它可以防止生产者生产数据的速度超过消费者消费数据的速度，从而避免内存溢出。

在 WebSocketStream 中，可以通过控制 writable stream 的写入速度来实现背压。如果消费者处理数据的速度较慢，可以暂停 writable stream 的写入，直到消费者处理完数据。

async function connectWebSocketWithBackpressure(url) {
  try {
    const { readable, writable } = await new WebSocketStream(url);

    // 模拟一个慢速的消费者
    async function consumeData(readable) {
      const reader = readable.getReader();
      try {
        while (true) {
          const { done, value } = await reader.read();
          if (done) {
            console.log("Consumer: Connection closed");
            break;
          }
          const decoder = new TextDecoder();
          const message = decoder.decode(value);
          console.log("Consumer: Received:", message);
          // 模拟处理数据的延迟
          await delay(1000); // 延迟 1 秒
        }
      } finally {
        reader.releaseLock();
      }
    }

    // 模拟一个快速的生产者
    async function produceData(writable) {
      const writer = writable.getWriter();
      const encoder = new TextEncoder();
      for (let i = 0; i < 10; i++) {
        const message = `Message ${i}`;
        console.log("Producer: Sending:", message);
        // 写入数据
        await writer.write(encoder.encode(message));
        // 稍微延迟一下，模拟生产数据的过程
        await delay(500);
      }
      await writer.close();
    }

    // 启动消费者和生产者
    consumeData(readable);
    produceData(writable);

  } catch (error) {
    console.error("WebSocket connection error:", error);
  }

  function delay(ms) {
    return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, ms));
  }
}

connectWebSocketWithBackpressure("ws://localhost:8080");

在这个例子中，consumeData 函数模拟一个慢速的消费者，每次处理数据需要 1 秒的时间。produceData 函数模拟一个快速的生产者，以较快的速度发送消息。由于消费者处理数据的速度较慢，生产者可能会生产过多的数据，导致内存溢出。

通过 Web Streams 的背压机制，可以避免这个问题。当消费者处理不过来的时候，它会暂停 readable stream 的读取，从而阻止生产者继续发送数据。

WebSocketStream 的状态：

WebSocketStream 的状态可以通过 WebSocketStream.readyState 属性来获取。它与传统的 WebSocket.readyState 属性类似，具有以下值：

值	描述
`CONNECTING`	连接正在建立。
`OPEN`	连接已建立，可以进行数据传输。
`CLOSING`	连接正在关闭。
`CLOSED`	连接已关闭。

错误处理：

在使用 WebSocketStream 时，需要注意错误处理。如果连接发生错误，readable 和 writable stream 都会被关闭，并抛出一个错误。可以使用 try...catch 块来捕获错误，并进行相应的处理。

与传统 WebSocket 的比较：

特性	传统 WebSocket	`WebSocketStream`
API	基于事件的回调函数，使用 `onopen`、`onmessage`、`onerror`、`onclose` 等事件处理函数。	基于 Web Streams，使用 `readable` 和 `writable` stream。
数据处理	需要手动处理 ArrayBuffer 和字符串之间的转换。	可以直接使用 `Uint8Array` 处理二进制数据，可以使用 `TextEncoder` 和 `TextDecoder` 处理字符串。
背压	缺乏内置的背压机制，需要手动实现。	内置了背压机制，可以自动控制数据的发送速度。
代码简洁性	回调函数嵌套，代码可读性较差。	可以使用 `for await...of` 循环和 Web Streams 的各种 API，代码更简洁易懂。
错误处理	错误处理较为分散，需要在不同的事件处理函数中进行处理。	可以使用 `try...catch` 块集中处理错误。
与 Web Streams 的集成	难以与 Web Streams API 组合使用。	可以方便地与 Web Streams API 组合使用，例如 `pipeThrough`、`tee` 等。

总结：

WebSocketStream 是一个非常有前景的 API，它将 WebSocket 和 Web Streams 结合起来，带来了更灵活、更高效、更简洁的实时通信体验。虽然目前还处于提案阶段，但相信在不久的将来，它会成为 WebSocket 开发的主流方式。

未来展望：

更广泛的浏览器支持: 目前 WebSocketStream 的浏览器支持还不够广泛，希望在未来能够得到更多浏览器的支持。
更多的 Web Streams API 集成: 可以进一步探索 WebSocketStream 与 Web Streams API 的集成，例如使用 Compression Streams API 进行数据压缩。
更高级的应用场景: 可以利用 WebSocketStream 构建更高级的应用场景，例如实时音视频流处理、大规模数据传输等。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家能够喜欢这个新的 WebSocket “马甲”。感谢大家的观看！

(当然, 这个例子需要一个 WebSocket 服务器在 ws://localhost:8080 上运行。你可以使用 Node.js 编写一个简单的 WebSocket 服务器来进行测试。例如, 使用 ws 包。)

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