Tornado 的高级功能:处理长连接

Tornado 是一个功能强大的 Python Web 框架和异步网络库，以处理大量同时连接的能力而闻名，这使其成为需要长连接的应用程序的绝佳选择。这些连接在聊天应用程序、实时通知和 IoT 设备等场景中特别有用，在这些场景中，维护客户端和服务器之间的开放通道至关重要。在本博文中，我们将深入探讨有助于处理长连接的 Tornado 高级功能，并提供一些实际演示来说明它们的用法。

了解长连接

长连接是指长时间保持打开状态的连接，允许连续发送和接收数据。这与传统的 HTTP 请求形成对比，后者打开连接、发送数据、接收响应，然后关闭连接。Tornado 的非阻塞异步 I/O 使其特别适合高效处理长连接。

关键概念和组件

在开始演示之前，让我们简要介绍一下处理长连接所必需的一些关键 Tornado 组件和概念：

1. Tornado 的 IOLoop：Tornado 中处理非阻塞 I/O 操作的核心事件循环。它负责调度和执行异步任务。
2. WebSocketHandler：用于管理 WebSocket 连接的专用 Tornado 处理程序，通常用于长连接。
3. PeriodicCallback：Tornado 实用程序，允许您定期在 IOLoop 上运行回调，这对于发送心跳消息等任务很有用。

演示 1：实现基本 WebSocket 服务器

我们将从使用 Tornado 的 WebSocket 服务器的简单演示开始，该服务器允许长连接。

import tornado.ioloop
import tornado.web
import tornado.websocket


class EchoWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    def open(self):
        print("WebSocket opened")
        self.write_message("Welcome to the WebSocket server!")


    def on_message(self, message):
        print(f"Received message: {message}")
        self.write_message(f"You said: {message}")


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/websocket", EchoWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. EchoWebSocket 类：处理 WebSocket 连接。建立新连接时调用 open 方法，收到消息时调用 on_message，关闭连接时调用 on_close。
2. make_app 函数：创建一个具有 WebSocket 连接单一路由的 Tornado 应用程序。
3. IOLoop：启动 Tornado IOLoop 来监听连接。

演示 2：使用 PeriodicCallback 处理心跳

为了保持 WebSocket 连接处于活动状态，通常会发送定期的“heartbeat”消息。Tornado 的 PeriodicCallback 非常适合这项任务。

import tornado.ioloop
import tornado.web
import tornado.websocket
from tornado.ioloop import PeriodicCallback


class HeartbeatWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    def open(self):
        print("WebSocket opened")
        self.write_message("Connected to Heartbeat WebSocket server!")
        self.heartbeat = PeriodicCallback(self.send_heartbeat, 10000)
        self.heartbeat.start()


    def on_message(self, message):
        print(f"Received message: {message}")
        self.write_message(f"You said: {message}")


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")
        self.heartbeat.stop()


    def send_heartbeat(self):
        self.write_message("heartbeat")


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/heartbeat", HeartbeatWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. PeriodicCallback：每 10 秒调用一次 send_heartbeat 方法发送“heartbeat”消息，确保连接保持活动状态。
2. on_close：连接关闭时停止心跳。

演示 3：使用 Tornado 管理多个客户端

处理长连接时，有效管理多个客户端非常重要。让我们扩展我们的 WebSocket 服务器以向所有连接的客户端广播消息。

import tornado.ioloop
import tornado.web
import tornado.websocket


clients = []


class BroadcastWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    def open(self):
        print("WebSocket opened")
        clients.append(self)
        self.write_message("Connected to Broadcast WebSocket server!")


    def on_message(self, message):
        print(f"Received message: {message}")
        for client in clients:
            client.write_message(f"Broadcast: {message}")


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")
        clients.remove(self)


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/broadcast", BroadcastWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. clients list：跟踪所有已连接客户端的全局列表。
2. on_message：向所有已连接客户端广播传入消息。

以下是一些额外的演示，深入探讨了 Tornado 中处理长连接方面的更高级方面，重点介绍了背压管理、处理大文件上传以及将 Tornado 与其他异步框架集成等功能。

演示 4：使用 Tornado 管理背压

处理长连接时，尤其是在服务器以高速率向客户端发送数据的情况下，管理背压非常重要。当客户端无法足够快地处理传入数据时，就会发生背压，这可能导致性能下降或连接中断。

在 Tornado 中，您可以通过监视写入缓冲区的大小并相应地暂停/恢复数据流来管理背压。

import tornado.ioloop
import tornado.web
import tornado.websocket
from tornado import gen


class BackpressureWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    def open(self):
        print("WebSocket opened")
        self.write_message("Connected to Backpressure WebSocket server!")
        self.stream_data()


    @gen.coroutine
    def stream_data(self):
        for i in range(10000):  # Simulate sending a large amount of data
            if self.ws_connection is None:  # Connection closed
                break
            yield self.check_backpressure()
            self.write_message(f"Message {i}")
            yield gen.sleep(0.01)  # Simulate processing delay


    @gen.coroutine
    def check_backpressure(self):
        while self.ws_connection is not None and self.ws_connection.write_buffer_size > 1024 * 1024:  # 1 MB buffer size limit
            print("Backpressure detected, pausing stream...")
            yield gen.sleep(0.1)


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/backpressure", BackpressureWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. check_backpressure 方法：监控写入缓冲区的大小，如果缓冲区超过阈值（本例中为 1 MB），则暂停数据流。这可以防止客户端不堪重负。
2. gen.coroutine：用于创建一个异步生成器，将控制权交还给 IOLoop，允许其他任务运行。

演示 5：通过 WebSocket 处理大型文件上传

通过 WebSocket 处理大型文件上传需要谨慎管理，以避免阻塞服务器。Tornado 允许高效、无阻塞地处理大型数据流。

import tornado.ioloop
import tornado.web
import tornado.websocket
from tornado import gen


class FileUploadWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    def open(self):
        print("WebSocket opened")
        self.file = open("uploaded_file.bin", "wb")


    @gen.coroutine
    def on_message(self, message):
        print("Received chunk of data")
        self.file.write(message)  # Write data to file in chunks
        yield self.check_backpressure()


    @gen.coroutine
    def check_backpressure(self):
        if self.ws_connection is not None and self.ws_connection.write_buffer_size > 1024 * 1024:  # 1 MB buffer size limit
            print("Backpressure detected, slowing down file writing...")
            yield gen.sleep(0.1)


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")
        self.file.close()


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/upload", FileUploadWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. on_message：处理传入的文件数据块并实时将其写入文件。
2. check_backpressure：通过监控写入缓冲区大小，确保服务器不会被大数据流淹没。

演示 6：将 Tornado 与 Asyncio 集成以实现长寿命连接

Tornado 可以与 Python 的 asyncio 集成以利用其功能，例如 async/await 语法。通过此集成，您可以将 Tornado 的异步功能与 asyncio 的事件循环相结合，从而构建更复杂的长寿命连接场景。

import tornado.web
import tornado.websocket
import tornado.platform.asyncio
import asyncio


class AsyncioWebSocket(tornado.websocket.WebSocketHandler):
    async def open(self):
        print("WebSocket opened")
        await self.write_message("Connected to Asyncio WebSocket server!")
        await self.stream_data()


    async def stream_data(self):
        for i in range(10000):
            if self.ws_connection is None:
                break
            await asyncio.sleep(0.01)  # Simulate async processing
            await self.write_message(f"Message {i}")


    async def on_message(self, message):
        print(f"Received message: {message}")
        await self.write_message(f"You said: {message}")


    def on_close(self):
        print("WebSocket closed")


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/asyncio", AsyncioWebSocket),
    ])


if __name__ == "__main__":
    tornado.platform.asyncio.AsyncIOMainLoop().install()
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    asyncio.get_event_loop().run_forever()

解释：

1. AsyncioWebSocket：使用 asyncio 扩展 Tornado 的 WebSocketHandler。open、on_message 和 stream_data 方法都是异步的，可使用 async/await 实现非阻塞操作。
2. AsyncIOMainLoop：将 Tornado 的 IOLoop 与 asyncio 的事件循环集成，允许在 Tornado 中无缝使用 asyncio 的功能。

演示 7：使用 Tornado 实现长轮询

长轮询是一种使用 HTTP 模拟长连接的技术。客户端发送请求，服务器将其保持打开状态，直到有新数据可用或发生超时。当 WebSocket 支持有限时，此技术很有用。

import tornado.ioloop
import tornado.web
from tornado import gen


class LongPollingHandler(tornado.web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        self.write("Waiting for data...")
        self.flush()


        # Simulate waiting for data
        yield gen.sleep(10)  # Wait for 10 seconds


        self.write("New data available!")
        self.finish()


def make_app():
    return tornado.web.Application([
        (r"/longpoll", LongPollingHandler),
    ])


if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

解释：

1. LongPollingHandler：处理长轮询请求。 get 方法模拟响应前的延迟（例如，等待新数据可用）。
2. flush()：将初始响应发送到客户端并保持连接打开，直到调用 finish() 方法。
3. 
   

写在最后：

1. 这些高级演示展示了如何使用 Tornado 来管理涉及长寿命连接的更复杂场景，例如处理背压、大文件上传、与 asyncio 集成，甚至实现长轮询。Tornado 的灵活性和效率使其成为构建需要持久、高性能连接的可扩展应用程序的可靠选择。
2. 处理长连接是 Tornado 的优势之一，使其成为构建实时、响应式 Web 应用程序的强大工具。在本博文中，我们介绍了 Tornado 中长连接的基本知识，并提供了实现 WebSocket 服务器、发送心跳消息和管理多个客户端的演示等。这些示例应为构建需要持久连接的更复杂应用程序奠定坚实的基础。请随意尝试这些示例并扩展它们以满足您的特定需求。无论您构建的是聊天应用程序、实时通知系统还是复杂的物联网平台，Tornado 的长连接功能都可以帮助您高效地实现目标。