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第一章：WebSocket协议基础与FastAPI定位

1.1 WebSocket与HTTP协议核心差异

通过对比传统HTTP协议与WebSocket协议的核心特性，我们可以从以下维度理解二者的差异：

对比维度	HTTP 1.1	WebSocket
通信模式	请求-响应模式（半双工）	全双工双向通信
连接持久性	短连接（默认关闭）	长连接（保持激活状态）
数据传输效率	每次请求需携带完整Header	初始握手后仅传输有效数据
数据格式	基于文本（支持二进制分帧）	原生支持二进制帧和文本帧
服务端推送能力	依赖长轮询/SSE实现	原生支持服务端主动推送

sequenceDiagram
participant Client
participant Server

Client->>Server: HTTP Request
Server-->>Client: HTTP Response

Note over Client,Server: Traditional HTTP (Request/Response Model)

Client->>Server: WebSocket Handshake Request
Server-->>Client: WebSocket Handshake Response
Client->Server: WebSocket Connection Established

loop Continuous Communication
Client-->>Server: Send Data
Server-->>Client: Receive Data
Server-->>Client: Send Data
Client-->>Server: Receive Data
end

Note over Client,Server: WebSockets (Full-Duplex Communication)

类比理解：HTTP协议如同收发纸质信件（每次通信需重新建立连接），WebSocket则像是电话通话（建立连接后可随时双向对话）

1.2 FastAPI的WebSocket原生支持

1.2.1 基础路由配置

FastAPI通过简洁的装饰器语法支持WebSocket端点定义：

from fastapi import FastAPI, WebSocket

from pydantic import BaseModel

app = FastAPI()

class MessageModel(BaseModel):

    content: str

    type: str = "text"

@app.websocket("/ws-chat")

async def websocket_endpoint(websocket: WebSocket):

    await websocket.accept()

    try:

        while True:

            data = await websocket.receive_json()

            message = MessageModel(**data)  # Pydantic数据验证

            await websocket.send_json({"status": "received", "data": message.dict()})

    except Exception as e:

        await websocket.close(code=1011, reason=str(e))

（使用环境：Python 3.8+, fastapi0.109.0, uvicorn0.27.0, pydantic==2.6.4）

1.2.2 关键技术特性

异步处理架构：基于ASGI标准支持高并发连接
自动协议升级：自动处理HTTP到WebSocket的协议切换
数据验证集成：结合Pydantic实现强类型数据校验
连接生命周期管理：提供accept()/receive()/send()/close()全流程控制

1.3 长连接应用场景实践

1.3.1 实时聊天系统

# 存储活跃连接的全局字典

active_connections = {}

@app.websocket("/chat/{room_id}")

async def chat_room(websocket: WebSocket, room_id: str):

    await websocket.accept()

    active_connections[websocket] = room_id

    try:

        while True:

            message = await websocket.receive_text()

            # 广播消息到同房间用户

            for conn, r_id in active_connections.items():

                if r_id == room_id:

                    await conn.send_text(f"Room {room_id}: {message}")

    finally:

        del active_connections[websocket]

1.3.2 实时数据监控

from datetime import datetime

@app.websocket("/system-monitor")

async def monitor_feed(websocket: WebSocket):

    await websocket.accept()

    while True:

        # 模拟获取系统指标

        metrics = {

            "timestamp": datetime.now().isoformat(),

            "cpu_load": os.getloadavg()[0],

            "memory_usage": psutil.virtual_memory().percent

        }

        await websocket.send_json(metrics)

        await asyncio.sleep(1)  # 每秒推送一次

1.3.3 实时通知推送

import redis

from fastapi import BackgroundTasks

redis_conn = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

async def notification_listener(websocket: WebSocket, user_id: str):

    pubsub = redis_conn.pubsub()

    await pubsub.subscribe(f"notifications:{user_id}")

    while True:

        message = await pubsub.get_message(ignore_subscribe_messages=True)

        if message:

            await websocket.send_text(message['data'])

@app.websocket("/notifications")

async def notification_endpoint(websocket: WebSocket, user_id: str):

    await websocket.accept()

    background_tasks = BackgroundTasks()

    background_tasks.add_task(notification_listener, websocket, user_id)

    await background_tasks()

课后Quiz

Q1：WebSocket连接建立过程中，客户端首先发送的特殊HTTP Header是什么？

A) Upgrade: websocket

B) Connection: keep-alive

C) Accept: text/websocket

D) Protocol: ws

正确答案：A

解析：WebSocket握手阶段要求客户端发送Upgrade: websocket头，表示请求协议升级

常见报错解决方案

错误现象：

WebSocket连接失败 400 Bad Request

排查步骤：

检查客户端是否使用ws://或wss://协议前缀
验证服务器端是否正确定义WebSocket路由

确认Nginx等反向代理配置包含以下参数：

proxy_http_version 1.1;

proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;

proxy_set_header Connection "upgrade";

使用浏览器开发者工具查看WebSocket握手阶段的网络请求详情

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