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：
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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：
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# 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。
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# 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：
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# 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：
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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。
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<!-- 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。
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<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。
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# 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：
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# 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:
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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：
连续运行如下命令，就可以看到我们文初的效果啦。
python manage.py makemigrations
python manage.py migrate
python manage.py runserver
小结
我们已经使用django + channels 写了个在线聊天小应用了，现在来总结下我们所学的知识吧。
- websocket属于全双工通讯的协议，可以在服务器和客户端之间保持长连接，实现双向数据传输。
- 前端创建websocket对象后可以通过onmessage监听并处理后端返回的数据，可以通过send方法向后端发送数据。
- channels对应websocket的路由和处理方法分别写在routing.py和consumers.py文件里，相当于django的urls.py和views.py。
- 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，可以包含多个频道。
- 每个自定义的consumer类自带 self.channel_name 和self.channel_layer 属性。前者是独一无二的频道名，后者提供了 send(), group_send()和group_add() 3种方法。
- 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，比如scope['user'], scope['path']。
本文的知识你学会了吗? 学到了就点个赞吧！下期我们将利用channels + celery + redis打造个聊天机器人，欢迎关注!
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