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從架構(gòu)到底層:構(gòu)建高效的實(shí)時(shí)彈幕系統(tǒng)

開發(fā) 架構(gòu)
彈幕系統(tǒng)是一種即時(shí)互動(dòng)機(jī)制,廣泛用于直播、短視頻等內(nèi)容平臺(tái)。在該系統(tǒng)中,用戶發(fā)送的消息需在極短時(shí)間內(nèi)被收集、處理,并同步分發(fā)給所有觀看者,要求高并發(fā)、高吞吐、低延遲。

彈幕系統(tǒng)是一種即時(shí)互動(dòng)機(jī)制,廣泛用于直播、短視頻等內(nèi)容平臺(tái)。在該系統(tǒng)中,用戶發(fā)送的消息需在極短時(shí)間內(nèi)被收集、處理,并同步分發(fā)給所有觀看者,要求高并發(fā)、高吞吐、低延遲。本文將從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、消息通道、風(fēng)控機(jī)制以及前端渲染四個(gè)層面,重構(gòu)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

彈幕數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與消息緩沖機(jī)制

彈幕消息模型設(shè)計(jì)

文件路徑:/src/main/java/com/icoderoad/danmaku/model/DanmakuMessage.java

package com.icoderoad.danmaku.model;


import lombok.Data;


/**
 * 表示一條彈幕消息的實(shí)體類
 */
@Data
public class DanmakuMessage {
    private String userId;       // 用戶唯一標(biāo)識(shí)
    private String content;      // 彈幕內(nèi)容
    private long timestamp;      // 消息發(fā)送的時(shí)間戳(ms)
    private String color;        // 彈幕顏色(可選)
    private String type;         // 彈幕類型,如 scroll、top、bottom
}

彈幕緩沖隊(duì)列設(shè)計(jì)

文件路徑:/src/main/java/com/icoderoad/danmaku/service/DanmakuBufferService.java

package com.icoderoad.danmaku.service;


import com.icoderoad.danmaku.model.DanmakuMessage;
import org.springframework.stereotype.Service;


import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;


/**
 * 管理實(shí)時(shí)彈幕緩沖隊(duì)列的服務(wù)
 */
@Service
public class DanmakuBufferService {


    // 彈幕接收緩沖區(qū),線程安全
    private final Queue<DanmakuMessage> writeQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>();


    /**
     * 添加彈幕消息
     */
    public void addMessage(DanmakuMessage message) {
        writeQueue.offer(message);
    }


    /**
     * 批量獲取彈幕(用于調(diào)度器分發(fā))
     */
    public Queue<DanmakuMessage> fetchAll() {
        Queue<DanmakuMessage> result = new ConcurrentLinkedQueue<>();
        DanmakuMessage msg;
        while ((msg = writeQueue.poll()) != null) {
            result.offer(msg);
        }
        return result;
    }
}

WebSocket 實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)

WebSocket 配置與通道建立

件路徑:/src/main/java/com/icoderoad/danmaku/websocket/DanmakuWebSocketServer.java

package com.icoderoad.danmaku.websocket;


import com.icoderoad.danmaku.model.DanmakuMessage;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import jakarta.websocket.*;
import jakarta.websocket.server.ServerEndpoint;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.stereotype.Component;


import java.util.Set;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;


/**
 * WebSocket 處理類,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信
 */
@Slf4j
@Component
@ServerEndpoint(value = "/ws/danmaku")
public class DanmakuWebSocketServer {


    private static final Set<Session> clients = new CopyOnWriteArraySet<>();
    private static final ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();


    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        clients.add(session);
        log.info("新連接加入: {}", session.getId());
    }


    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) {
        try {
            DanmakuMessage danmaku = mapper.readValue(message, DanmakuMessage.class);
            for (Session client : clients) {
                client.getAsyncRemote().sendText(mapper.writeValueAsString(danmaku));
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("消息處理失敗", e);
        }
    }


    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        clients.remove(session);
        log.info("連接關(guān)閉: {}", session.getId());
    }


    @OnError
    public void onError(Session session, Throwable throwable) {
        log.error("連接異常: {}", session.getId(), throwable);
    }


    /**
     * 主動(dòng)推送(用于后臺(tái)調(diào)度)
     */
    public static void broadcast(DanmakuMessage message) throws Exception {
        String msg = mapper.writeValueAsString(message);
        for (Session client : clients) {
            client.getAsyncRemote().sendText(msg);
        }
    }
}

風(fēng)控與限流邏輯(防刷屏、防攻擊)

Redis 限流邏輯實(shí)現(xiàn)

件路徑:/src/main/java/com/icoderoad/danmaku/security/RateLimiterService.java

package com.icoderoad.danmaku.security;


import jakarta.annotation.Resource;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Service;


/**
 * 限流服務(wù)(基于 Redis)
 */
@Service
public class RateLimiterService {


    @Resource
    private StringRedisTemplate redisTemplate;


    /**
     * 判斷是否允許發(fā)送彈幕
     * 限制頻率為:每用戶 1 秒 1 條
     */
    public boolean canSend(String userId) {
        String key = "danmaku:limit:" + userId;
        Boolean exist = redisTemplate.hasKey(key);
        if (Boolean.TRUE.equals(exist)) {
            return false; // 剛剛發(fā)過,限流
        }
        redisTemplate.opsForValue().set(key, "1", java.time.Duration.ofSeconds(1));
        return true;
    }
}

敏感詞過濾(簡(jiǎn)單正則)

可擴(kuò)展為 DFA 敏感詞算法。

public boolean containsIllegalContent(String content) {
    String[] illegalWords = {"垃圾", "罵人詞"};
    for (String word : illegalWords) {
        if (content.contains(word)) return true;
    }
    return false;
}

前端彈幕展示邏輯實(shí)現(xiàn)

 Canvas 動(dòng)畫渲染(多軌道)

文件路徑:/web/static/js/danmaku.js

const canvas = document.getElementById('danmakuCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');


let messages = [];


function Danmaku(text, color, speed, y) {
    this.text = text;
    this.color = color;
    this.speed = speed;
    this.x = canvas.width;
    this.y = y;
}


Danmaku.prototype.draw = function () {
    ctx.font = "20px Arial";
    ctx.fillStyle = this.color || "#ffffff";
    ctx.fillText(this.text, this.x, this.y);
    this.x -= this.speed;
}


function render() {
    ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    messages.forEach(msg => msg.draw());
    messages = messages.filter(m => m.x + ctx.measureText(m.text).width > 0);
    requestAnimationFrame(render);
}


render();

最終總結(jié)與優(yōu)化建議

模塊

技術(shù)選型

說(shuō)明

消息通道

WebSocket (JDK + Spring Boot)

支持毫秒級(jí)推送延遲

隊(duì)列結(jié)構(gòu)

ConcurrentLinkedQueue

支持無(wú)鎖并發(fā)寫入

限流機(jī)制

Redis TTL + Key 檢查

用戶級(jí)限速,低成本

前端渲染

Canvas + requestAnimationFrame

高性能動(dòng)畫,適配移動(dòng)端

風(fēng)控邏輯

Redis 黑名單 + 敏感詞攔截

攔截非法信息與頻繁操作

責(zé)任編輯:武曉燕 來(lái)源: 路條編程
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云原生云計(jì)算

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彈幕直播內(nèi)存

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彈幕系統(tǒng)更新

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項(xiàng)目技術(shù)棧Spring

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2023-11-22 09:42:02

系統(tǒng)檢測(cè)

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