SpringBoot + WebSocket 實現答題對戰匹配機制案例詳解
概要設計
類似競技問答遊戲：用戶隨機匹配一名對手，雙方同時開始答題，直到雙方都完成答題，對局結束。基本的邏輯就是這樣，如果有其他需求，可以在其基礎上進行擴展
明確瞭這一點，下面介紹開發思路。為每個用戶擬定四種在線狀態，分別是：待匹配、匹配中、遊戲中、遊戲結束。下面是流程圖，用戶的流程是被規則約束的，狀態也隨流程而變化
對流程再補充如下：
- 用戶進入匹配大廳（具體效果如何由客戶端體現），將用戶的狀態設置為待匹配
- 用戶開始匹配，將用戶的狀態設置為匹配中，系統搜索其他同樣處於匹配中的用戶，在這個過程中，用戶可以取消匹配，返回匹配大廳，此時用戶狀態重新設置為待匹配。匹配成功，保存匹配信息，將用戶狀態設置為遊戲中
- 根據已保存的匹配信息，用戶可以獲得對手的信息。答題是時，每次用戶分數更新，也會向對手推送更新後的分數
- 用戶完成答題，則等待對手也完成答題。雙方都完成答題，用戶狀態設置為遊戲結束，展示對局結果
詳細設計
針對概要設計提出的思路，我們需要思考以下幾個問題：
- 如何保持客戶端與服務器的連接？
- 如何設計客戶端與服務端的消息交互？
- 如何保存以及改變用戶狀態？
- 如何匹配用戶？
下面我們一個一個來解決
1. 如何保持用戶與服務器的連接？
以往我們使用 Http 請求服務器，並獲取響應信息。然而 Http 有個缺陷，就是通信隻能由客戶端發起，無法做到服務端主動向客戶端推送信息。根據概要設計我們知道，服務端需要向客戶端推送對手的實時分數，因此這裡不適合使用 Http，而選擇瞭 WebSocket。WebSocket 最大的特點就是服務端可以主動向客戶端推送信息，客戶端也可以主動向服務端發送信息，是真正的雙向平等對話
有關 SpringBoot 集成 WebSocket 可參考這篇博客：https://www.jb51.net/article/208279.htm
2. 如何設計客戶端與服務端的消息交互？
按照匹配機制要求，把消息劃分為 ADD_USER（用戶加入）、MATCH_USER（匹配對手）、CANCEL_MATCH（取消匹配）、PLAY_GAME（遊戲開始）、GAME_OVER（遊戲結束）
public enum MessageTypeEnum {
/**
* 用戶加入
*/
ADD_USER,
/**
* 匹配對手
*/
MATCH_USER,
/**
* 取消匹配
*/
CANCEL_MATCH,
/**
* 遊戲開始
*/
PLAY_GAME,
/**
* 遊戲結束
*/
GAME_OVER,
}
使用 WebSocket 客戶端可以向服務端發送消息，服務端也能向客戶端發送消息。把消息按照需求劃分成不同的類型，客戶端發送某一類型的消息，服務端接收後判斷，並按照類型分別處理，最後返回向客戶端推送處理結果。區別客戶端 WebSocket 連接的是從客戶端傳來的 userId，用 HashMap 保存
@Component
@Slf4j
@ServerEndpoint(value = "/game/match/{userId}")
public class ChatWebsocket {
private Session session;
private String userId;
static QuestionSev questionSev;
static MatchCacheUtil matchCacheUtil;
static Lock lock = new ReentrantLock();
static Condition matchCond = lock.newCondition();
@Autowired
public void setMatchCacheUtil(MatchCacheUtil matchCacheUtil) {
ChatWebsocket.matchCacheUtil = matchCacheUtil;
}
@Autowired
public void setQuestionSev(QuestionSev questionSev) {
ChatWebsocket.questionSev = questionSev;
}
@OnOpen
public void onOpen(@PathParam("userId") String userId, Session session) {
log.info("ChatWebsocket open 有新連接加入 userId: {}", userId);
this.userId = userId;
this.session = session;
matchCacheUtil.addClient(userId, this);
log.info("ChatWebsocket open 連接建立完成 userId: {}", userId);
}
@OnError
public void onError(Session session, Throwable error) {
log.error("ChatWebsocket onError 發生瞭錯誤 userId: {}, errorMessage: {}", userId, error.getMessage());
matchCacheUtil.removeClinet(userId);
matchCacheUtil.removeUserOnlineStatus(userId);
matchCacheUtil.removeUserFromRoom(userId);
matchCacheUtil.removeUserMatchInfo(userId);
log.info("ChatWebsocket onError 連接斷開完成 userId: {}", userId);
}
@OnClose
public void onClose()
{
log.info("ChatWebsocket onClose 連接斷開 userId: {}", userId);
matchCacheUtil.removeClinet(userId);
matchCacheUtil.removeUserOnlineStatus(userId);
matchCacheUtil.removeUserFromRoom(userId);
matchCacheUtil.removeUserMatchInfo(userId);
log.info("ChatWebsocket onClose 連接斷開完成 userId: {}", userId);
}
@OnMessage
public void onMessage(String message, Session session) {
log.info("ChatWebsocket onMessage userId: {}, 來自客戶端的消息 message: {}", userId, message);
JSONObject jsonObject = JSON.parseObject(message);
MessageTypeEnum type = jsonObject.getObject("type", MessageTypeEnum.class);
log.info("ChatWebsocket onMessage userId: {}, 來自客戶端的消息類型 type: {}", userId, type);
if (type == MessageTypeEnum.ADD_USER) {
addUser(jsonObject);
} else if (type == MessageTypeEnum.MATCH_USER) {
matchUser(jsonObject);
} else if (type == MessageTypeEnum.CANCEL_MATCH) {
cancelMatch(jsonObject);
} else if (type == MessageTypeEnum.PLAY_GAME) {
toPlay(jsonObject);
} else if (type == MessageTypeEnum.GAME_OVER) {
gameover(jsonObject);
} else {
throw new GameServerException(GameServerError.WEBSOCKET_ADD_USER_FAILED);
}
log.info("ChatWebsocket onMessage userId: {} 消息接收結束", userId);
}
/**
* 群發消息
*/
private void sendMessageAll(MessageReply<?> messageReply) {
log.info("ChatWebsocket sendMessageAll 消息群發開始 userId: {}, messageReply: {}", userId, JSON.toJSONString(messageReply));
Set<String> receivers = messageReply.getChatMessage().getReceivers();
for (String receiver : receivers) {
ChatWebsocket client = matchCacheUtil.getClient(receiver);
client.session.getAsyncRemote().sendText(JSON.toJSONString(messageReply));
}
log.info("ChatWebsocket sendMessageAll 消息群發結束 userId: {}", userId);
}
// 出於減少篇幅的目的，業務處理方法暫不貼出...
}
3. 如何保存以及改變用戶狀態？
創建一個枚舉類，定義用戶的狀態
/**
* 用戶狀態
* @author yeeq
*/
public enum StatusEnum {
/**
* 待匹配
*/
IDLE,
/**
* 匹配中
*/
IN_MATCH,
/**
* 遊戲中
*/
IN_GAME,
/**
* 遊戲結束
*/
GAME_OVER,
;
public static StatusEnum getStatusEnum(String status) {
switch (status) {
case "IDLE":
return IDLE;
case "IN_MATCH":
return IN_MATCH;
case "IN_GAME":
return IN_GAME;
case "GAME_OVER":
return GAME_OVER;
default:
throw new GameServerException(GameServerError.MESSAGE_TYPE_ERROR);
}
}
public String getValue() {
return this.name();
}
}
選擇 Redis 保存用戶狀態，還是創建一個枚舉類，Redis 中存儲數據都有唯一的 Key 做標識，因此在這裡定義 Redis 中的 Key，分別介紹如下：
- USER_STATUS：存儲用戶狀態的 Key，存儲類型是 Map<String, String>，其中用戶 userId 為 key，用戶在線狀態 為 value
- USER_MATCH_INFO：當用戶處於遊戲中時，我們需要記錄用戶的信息，比如分數等。這些信息不需要記錄到數據庫，而且隨時會更新，放入緩存方便獲取
- ROOM：可以理解為匹配的兩名用戶創建一個房間，具體實現是以鍵值對方式存儲，比如用戶 A 和用戶 B 匹配，用戶 A 的 userId 是 A，用戶 B 的 userId 是 B，則在 Redis 中記錄為 {A — B}，{B — A}
public enum EnumRedisKey {
/**
* userOnline 在線狀態
*/
USER_STATUS,
/**
* userOnline 對局信息
*/
USER_IN_PLAY,
/**
* userOnline 匹配信息
*/
USER_MATCH_INFO,
/**
* 房間
*/
ROOM;
public String getKey() {
return this.name();
}
}
創建一個工具類，用於操作 Redis 中的數據。
@Component
public class MatchCacheUtil {
/**
* 用戶 userId 為 key，ChatWebsocket 為 value
*/
private static final Map<String, ChatWebsocket> CLIENTS = new HashMap<>();
/**
* key 是標識存儲用戶在線狀態的 EnumRedisKey，value 為 map 類型，其中用戶 userId 為 key，用戶在線狀態 為 value
*/
@Resource
private RedisTemplate<String, Map<String, String>> redisTemplate;
/**
* 添加客戶端
*/
public void addClient(String userId, ChatWebsocket websocket) {
CLIENTS.put(userId, websocket);
}
/**
* 移除客戶端
*/
public void removeClinet(String userId) {
CLIENTS.remove(userId);
}
/**
* 獲取客戶端
*/
public ChatWebsocket getClient(String userId) {
return CLIENTS.get(userId);
}
/**
* 移除用戶在線狀態
*/
public void removeUserOnlineStatus(String userId) {
redisTemplate.opsForHash().delete(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId);
}
/**
* 獲取用戶在線狀態
*/
public StatusEnum getUserOnlineStatus(String userId) {
Object status = redisTemplate.opsForHash().get(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId);
if (status == null) {
return null;
}
return StatusEnum.getStatusEnum(status.toString());
}
/**
* 設置用戶為 IDLE 狀態
*/
public void setUserIDLE(String userId) {
removeUserOnlineStatus(userId);
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId, StatusEnum.IDLE.getValue());
}
/**
* 設置用戶為 IN_MATCH 狀態
*/
public void setUserInMatch(String userId) {
removeUserOnlineStatus(userId);
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId, StatusEnum.IN_MATCH.getValue());
}
/**
* 隨機獲取處於匹配狀態的用戶（除瞭指定用戶外）
*/
public String getUserInMatchRandom(String userId) {
Optional<Map.Entry<Object, Object>> any = redisTemplate.opsForHash().entries(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey())
.entrySet().stream().filter(entry -> entry.getValue().equals(StatusEnum.IN_MATCH.getValue()) && !entry.getKey().equals(userId))
.findAny();
return any.map(entry -> entry.getKey().toString()).orElse(null);
}
/**
* 設置用戶為 IN_GAME 狀態
*/
public void setUserInGame(String userId) {
removeUserOnlineStatus(userId);
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId, StatusEnum.IN_GAME.getValue());
}
/**
* 設置處於遊戲中的用戶在同一房間
*/
public void setUserInRoom(String userId1, String userId2) {
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.ROOM.getKey(), userId1, userId2);
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.ROOM.getKey(), userId2, userId1);
}
/**
* 從房間中移除用戶
*/
public void removeUserFromRoom(String userId) {
redisTemplate.opsForHash().delete(EnumRedisKey.ROOM.getKey(), userId);
}
/**
* 從房間中獲取用戶
*/
public String getUserFromRoom(String userId) {
return redisTemplate.opsForHash().get(EnumRedisKey.ROOM.getKey(), userId).toString();
}
/**
* 設置處於遊戲中的用戶的對戰信息
*/
public void setUserMatchInfo(String userId, String userMatchInfo) {
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.USER_MATCH_INFO.getKey(), userId, userMatchInfo);
}
/**
* 移除處於遊戲中的用戶的對戰信息
*/
public void removeUserMatchInfo(String userId) {
redisTemplate.opsForHash().delete(EnumRedisKey.USER_MATCH_INFO.getKey(), userId);
}
/**
* 設置處於遊戲中的用戶的對戰信息
*/
public String getUserMatchInfo(String userId) {
return redisTemplate.opsForHash().get(EnumRedisKey.USER_MATCH_INFO.getKey(), userId).toString();
}
/**
* 設置用戶為遊戲結束狀態
*/
public synchronized void setUserGameover(String userId) {
removeUserOnlineStatus(userId);
redisTemplate.opsForHash().put(EnumRedisKey.USER_STATUS.getKey(), userId, StatusEnum.GAME_OVER.getValue());
}
}
4. 如何匹配用戶？
匹配用戶的思路之前已經提到過，為瞭不阻塞客戶端與服務端的 WebSocket 連接，創建一個線程專門用來匹配用戶，如果匹配成功就向客戶端推送消息
用戶匹配對手時遵循這麼一個原則：用戶 A 找到用戶 B，由用戶 A 負責一切工作，既由用戶 A 完成創建匹配數據並保存到緩存的全部操作。值得註意的一點是，在匹配時要註意保證狀態的變化：
- 當前用戶在匹配對手的同時，被其他用戶匹配，那麼當前用戶應當停止匹配操作
- 當前用戶匹配到對手，但對手被其他用戶匹配瞭，那麼當前用戶應該重新尋找新的對手
用戶匹配對手的過程應該保證原子性，使用 Java 鎖來保證
/**
* 用戶隨機匹配對手
*/
@SneakyThrows
private void matchUser(JSONObject jsonObject) {
log.info("ChatWebsocket matchUser 用戶隨機匹配對手開始 message: {}, userId: {}", jsonObject.toJSONString(), userId);
MessageReply<GameMatchInfo> messageReply = new MessageReply<>();
ChatMessage<GameMatchInfo> result = new ChatMessage<>();
result.setSender(userId);
result.setType(MessageTypeEnum.MATCH_USER);
lock.lock();
try {
// 設置用戶狀態為匹配中
matchCacheUtil.setUserInMatch(userId);
matchCond.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
// 創建一個異步線程任務，負責匹配其他同樣處於匹配狀態的其他用戶
Thread matchThread = new Thread(() -> {
boolean flag = true;
String receiver = null;
while (flag) {
// 獲取除自己以外的其他待匹配用戶
lock.lock();
try {
// 當前用戶不處於待匹配狀態
if (matchCacheUtil.getUserOnlineStatus(userId).compareTo(StatusEnum.IN_GAME) == 0
|| matchCacheUtil.getUserOnlineStatus(userId).compareTo(StatusEnum.GAME_OVER) == 0) {
log.info("ChatWebsocket matchUser 當前用戶 {} 已退出匹配", userId);
return;
}
// 當前用戶取消匹配狀態
if (matchCacheUtil.getUserOnlineStatus(userId).compareTo(StatusEnum.IDLE) == 0) {
// 當前用戶取消匹配
messageReply.setCode(MessageCode.CANCEL_MATCH_ERROR.getCode());
messageReply.setDesc(MessageCode.CANCEL_MATCH_ERROR.getDesc());
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add(userId);
result.setReceivers(set);
result.setType(MessageTypeEnum.CANCEL_MATCH);
messageReply.setChatMessage(result);
log.info("ChatWebsocket matchUser 當前用戶 {} 已退出匹配", userId);
sendMessageAll(messageReply);
return;
}
receiver = matchCacheUtil.getUserInMatchRandom(userId);
if (receiver != null) {
// 對手不處於待匹配狀態
if (matchCacheUtil.getUserOnlineStatus(receiver).compareTo(StatusEnum.IN_MATCH) != 0) {
log.info("ChatWebsocket matchUser 當前用戶 {}, 匹配對手 {} 已退出匹配狀態", userId, receiver);
} else {
matchCacheUtil.setUserInGame(userId);
matchCacheUtil.setUserInGame(receiver);
matchCacheUtil.setUserInRoom(userId, receiver);
flag = false;
}
} else {
// 如果當前沒有待匹配用戶，進入等待隊列
try {
log.info("ChatWebsocket matchUser 當前用戶 {} 無對手可匹配", userId);
matchCond.await();
} catch (InterruptedException e) {
log.error("ChatWebsocket matchUser 匹配線程 {} 發生異常: {}",
Thread.currentThread().getName(), e.getMessage());
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
UserMatchInfo senderInfo = new UserMatchInfo();
UserMatchInfo receiverInfo = new UserMatchInfo();
senderInfo.setUserId(userId);
senderInfo.setScore(0);
receiverInfo.setUserId(receiver);
receiverInfo.setScore(0);
matchCacheUtil.setUserMatchInfo(userId, JSON.toJSONString(senderInfo));
matchCacheUtil.setUserMatchInfo(receiver, JSON.toJSONString(receiverInfo));
GameMatchInfo gameMatchInfo = new GameMatchInfo();
List<Question> questions = questionSev.getAllQuestion();
gameMatchInfo.setQuestions(questions);
gameMatchInfo.setSelfInfo(senderInfo);
gameMatchInfo.setOpponentInfo(receiverInfo);
messageReply.setCode(MessageCode.SUCCESS.getCode());
messageReply.setDesc(MessageCode.SUCCESS.getDesc());
result.setData(gameMatchInfo);
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add(userId);
result.setReceivers(set);
result.setType(MessageTypeEnum.MATCH_USER);
messageReply.setChatMessage(result);
sendMessageAll(messageReply);
gameMatchInfo.setSelfInfo(receiverInfo);
gameMatchInfo.setOpponentInfo(senderInfo);
result.setData(gameMatchInfo);
set.clear();
set.add(receiver);
result.setReceivers(set);
messageReply.setChatMessage(result);
sendMessageAll(messageReply);
log.info("ChatWebsocket matchUser 用戶隨機匹配對手結束 messageReply: {}", JSON.toJSONString(messageReply));
}, CommonField.MATCH_TASK_NAME_PREFIX + userId);
matchThread.start();
}
項目展示
項目代碼如下：https://github.com/Yee-Q/match-project
跑起來後，使用 websocket-client 可以進行測試。在瀏覽器打開，在控制臺查看消息。
在連接輸入框隨便輸入一個數字作為 userId，點擊連接，此時客戶端就和服務端建立 WebSocket 連接瞭
點擊加入用戶按鈕，用戶“進入匹配大廳”
點擊隨機匹配按鈕，開始匹配，再取消匹配
按照之前的步驟再建立一個用戶連接，都點擊隨機匹配按鈕，匹配成功，服務端返回響應信息
用戶分數更新時，在輸入框輸入新的分數，比如 6，點擊實時更新按鈕，對手將受到最新的分數消息
當雙方都點擊遊戲結束按鈕，則遊戲結束
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