Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System

系统基本架构

Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第1张图片
Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第2张图片

版本迭代

Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第3张图片

项目改造

  • 无人机是client,我们是server,提供注册登入,场景选择等。
  • 信道模拟器是server,我们是client,我们向信道模拟器发送数据,等待信道模拟器计算结果,返回给无人机。
  1. 一台无人机上线通知所有无人机(广播)
  2. 在线无人机查询
  3. 超时踢出
  4. 无人机点对点通信(全连通和星形中的星形连接)

共性知识点

1. 使用mutex互斥锁解决用户在线表的并发操作问题

在 Go 语言中,并发操作一个 map 需要采取一定的措施来确保并发安全。因为 map 在并发读写时会引发数据竞争,可能导致程序运行不正确或崩溃。

下面介绍两种常见的在并发环境下安全地操作 map 的方式:

  1. 使用互斥锁(Mutex):
    最常见的方式是使用互斥锁来保护 map 的读写操作。互斥锁能够确保同一时间只有一个 goroutine 可以访问被锁定的代码块。

下面是使用互斥锁来并发安全地操作 map 的示例:

import (
    "sync"
)

var mu sync.Mutex
var m = make(map[string]int)

func writeToMap(key string, value int) {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    m[key] = value
}

func readFromMap(key string) int {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    return m[key]
}

  1. 使用并发安全的 sync.Map:
    自 Go 1.9 起,标准库中引入了 sync.Map 类型,它提供了一种并发安全的 map 实现。与普通的 map 不同,sync.Map 的读写操作不需要额外加锁,因为它内部使用了一种高效的并发访问机制。

下面是使用 sync.Map 进行并发安全操作的示例:

import (
    "sync"
)

var m sync.Map

func writeToMap(key string, value int) {
    m.Store(key, value)
}

func readFromMap(key string) (int, bool) {
    return m.Load(key)
}

2. golang中的chan操作

Go中的chan
在 Go 语言中,chan(通道)是用于协程之间进行通信的一种重要机制。可以通过 chan 进行数据的发送和接收,实现协程之间的同步和数据交换。
创建 chan 可以使用 make() 函数进行初始化,指定通道元素的类型。例如:

go ch := make(chan int)   // 创建一个 int 类型的通道 ch := make(chan string)  

创建一个 string 类型的通道 chan 的发送操作使用 <- 运算符,接收操作也使用 <- 运算符。例如:

 ch <- data     // 将 data 发送到 ch 通道
 data := <-ch   // 从 ch通道接收数据,并将其赋值给 data

发送和接收操作都会阻塞当前协程,直到发送或接收操作完成为止。这使得协程之间可以在通道上进行同步,确保数据按照特定顺序进行发送和接收。

对于无缓冲通道(即没有指定缓冲区大小的通道),发送和接收操作是同步的。发送操作会在有接收方准备好之前阻塞,而接收操作会在有消息可供接收之前阻塞。
使用带缓冲的通道时(通过指定缓冲区大小来初始化通道),当通道中已有缓冲的数据时,即使没有接收操作,发送操作也可以继续进行。只有当缓冲区已满时,发送操作才会阻塞。同样地,当缓冲区为空时,接收操作才会阻塞。

3. net.Conn 中的Read和Write方法

  1. 参数和返回值源码定义
type Conn interface {
	// Read reads data from the connection.
	// Read can be made to time out and return an error after a fixed
	// time limit; see SetDeadline and SetReadDeadline.
	Read(b []byte) (n int, err error)

	// Write writes data to the connection.
	// Write can be made to time out and return an error after a fixed
	// time limit; see SetDeadline and SetWriteDeadline.
	Write(b []byte) (n int, err error)

  1. read返回值n 如果是0 一般代表 client关闭了连接,如果成功从连接中读取数据,Read 方法会==返回读取的字节数 n ==和一个 nil 错误。此时,n 可能小于、等于或大于缓冲区的长度,取决于实际读取到的数据量。

在Go语言中,net.Conn接口表示一个通用的网络连接,用于进行数据的读写操作。Read方法是net.Conn接口的一部分,用于从连接中读取数据。下面是对Read方法的解读:

func (c net.Conn) Read(b []byte) (n int, err error)

函数签名中,net.Conn表示net.Conn类型的对象,b是用于存储读取数据的缓冲区(一个字节数组),函数的返回值为读取到的字节数和可能出现的错误。具体行为如下:

如果b的长度为0,那么Read会立即返回0和nil,不会阻塞并且不会进行任何读取。

如果b的长度大于0,但小于io.Reader接口内部的缓冲区大小(默认为4096字节),则Read尝试一次性读取全部的数据,不需要多次调用。

如果b的长度超过缓冲区的大小,那么Read会多次调用直到将b填满或者遇到错误为止。这种情况下,Read可能会阻塞等待更多的数据可供读取。

如果连接的对端关闭了连接,则Read会返回0和一个io.EOF错误。

需要注意的是,在网络传输中,读取操作可能会阻塞,并且如果没有数据可读,Read可能会一直阻塞等待。为了避免阻塞,可以使用超时控制、并发协程等方式来处理。另外,读取到的字节数n与缓冲区的长度不一定相等,这是因为网络中的数据可能会分块传输,需要多次读取才能获取完整的数据。因此,需要根据返回值的实际情况进行判断和处理。

4. 在Go语言中,select语句与case语句结合使用,用于处理并发操作。

  1. select语句用于同时等待多个通道操作。它的基本语法如下:
select {
case <-ch1:
    // 当ch1通道有值可读时执行的代码
case data := <-ch2:
    // 当ch2通道有值可读时执行的代码,并将值赋给data变量
case ch3 <- value:
    // 将value的值发送到ch3通道中
default:
    // 当没有任何通道操作时执行的代码
}

  1. select语句会阻塞,直到其中一个case语句能够执行。如果多个case同时满足条件,Go会随机选择一个执行。

以下是一些select语句的用法例子:

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	ch1 := make(chan int)
	ch2 := make(chan int)
	ch3 := make(chan int)

	go func() {
		time.Sleep(2 * time.Second)
		ch1 <- 1
	}()

	go func() {
		time.Sleep(3 * time.Second)
		ch2 <- 2
	}()

	go func() {
		time.Sleep(4 * time.Second)
		ch3 <- 3
	}()

	select {
	case <-ch1:
		fmt.Println("Received from ch1")
	case <-ch2:
		fmt.Println("Received from ch2")
	case <-ch3:
		fmt.Println("Received from ch3")
	case <-time.After(5 * time.Second):
		fmt.Println("Timeout")
	}
}

在上面的例子中,使用select同时等待三个通道操作。根据每个通道操作的延迟时间,可能会收到不同的结果。

请注意,在select语句中可以包含default分支,用于处理当没有任何通道操作可用时的情况。如果所有的通道都未准备好,且没有default分支,那么select语句将会阻塞,直到至少有一个通道准备好。使用select语句的default分支可以避免程序阻塞。
3. case <-time.After(time.Second * 10) 是 select 语句中的一个 case 分支,它使用了 time.After() 函数来创建一个定时器。

在这个例子中,time.After(time.Second * 10) 返回一个通道(channel),并在指定的时间间隔后向该通道发送一个值。通过将这个通道放在 select 语句中的 case 分支中,我们可以等待指定的时间后执行相应的代码。

以下是一个示例:

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	select {
	case <-time.After(time.Second * 10):
		fmt.Println("Timeout")
	}
}

在上面的示例中,我们使用 select 语句和 time.After() 创建了一个 10 秒的定时器。当 10 秒钟过去后,将会从 time.After() 返回的通道中接收到一个值,然后执行相应的代码,在这里是打印 “Timeout”。

这种用法常用于超时控制,例如在并发操作中设置一个操作的最大执行时间。如果在指定的时间内没有完成操作,就可以执行相应的超时逻辑。

1. 构建基础server

主要思路:

  1. 使用socket listen监听,net.Listen(“tcp”,“ip+端口”)。这里的ip和端口使用一个server类(对应的指针)传进来。server这个类中最基本的肯定要有ip和端口。
  2. 监听开启后会返回一个listener,listener有accept方法。 conn,err := listener.Accept(). 连接成功后,err==nill,conn有值。具体来说:listener.Accept() 是一个阻塞函数,用于等待客户端连接并接受连接。它会一直阻塞当前 goroutine 直到有新的客户端连接到服务器,然后返回一个表示客户端连接的 net.Conn 类型对象。
  3. 由于 listener.Accept() 方法是阻塞调用,因此通常需要将其放在一个死循环中,并在每次接收到客户端连接后使用 goroutine 并发处理该连接。这样,服务器就可以同时处理多个客户端连接(死循环和并发协程结合在一起),而不必等待之前的连接处理完成。
    当客户端连接断开时,net.Conn 对象会自动关闭,因此我们不需要手动关闭连接。不过,为了保证资源能够被合理释放,我们可以使用 defer 语句在处理完连接后关闭连接
  4. accept 之后,连接成功,就可以写handler处理server的业务,自己写的这个handler需要获取上面的连接conn
  5. 面向对象的编程思想,start()和handler都属于结构体server 的成员方法,可以在start()中直接使用this调用handler(conn)。另外,新建一个server,自己将其封装为一个函数,方便main直接调用,得到一个server。
    Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第4张图片

2. 用户上线,并广播通知其他已上线用户

  • 用户client的模拟可以通过nc命令 : 连接到远程主机的特定端口:nc <目标IP> <端口号> 如 nc 127.0.0.1 8888连接到了server。此时作为客户端,自己的ip就是主机ip,如果没有明确指定源端口,操作系统会自动分配一个可用的本地端口。

  • 流程:
    简单说:server监听client,一旦有用户上线,开一个协程执行handler方法。handler就是先把上线的user存到map表中(或者存到数据库中),然后再给server自己的通道写一条当前这个用户上线的消息。由于之前开启了一个协程,定期的检查server的channel有没有东西,有东西就发给map表中每个在线的用户,当然,由于data := <-ch // 从 ch 通道接收数据 这个操作是阻塞的操作,因此通道为空的话会一直阻塞在这一行代码中

    1. 开启服务器,listener, err := net.Listen("tcp", fmt.Sprintf("%s:%d", this.Ip, this.Port)) 监听自己的ip和端口有没有人连接
    2. 开启子协程,死循环不断监听 server自己的chan有没有消息写入,有的话向每个在线用户进行广播处理go this.ListenMessager()
    3. 第一步的listener不为空,说明有用户连上来,accept后得到conn连接对象conn, err := listener.Accept()
    4. server不停的accept(阻塞方法,配合循环和异步协程处理),只要有连接来,就会把和这个客户端口的连接对象conn传给handler进行业务处理,如向自己的chan中写入要广播的消息。
    5. 后面conn用于newUser对象,conn成为user对象的重要成员变量,当然,client和客户端完成交互后,要手动conn.Close()关闭连接,释放资源。
    6. conn用处是user和client之间通信:监听当前User channel 的时候,一旦有消息,就直接发送给对端客户端 this.conn.Write([]byte(msg + "\n"))
  • 外部流程:

    1. 客户端:nc 127.0.0.1:8888。 连接服务器,自己的ip比如是:127.0.0.1:45726
    2. server会生成与127.0.0.1:45726 的conn,这个conn用于new User对象。返回给127.0.0.1:45726 这个地址(即为client)对应的消息this.conn.Write([]byte(msg + "\n")),nc的命令行就能收到对应的消息了。
      Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第5张图片

2.1 先建立user结构体

  • 需要注意的是newUser的方法需要传入net.Conn的类型参数,来源为服务器与当前用户accept之后的conn,创建一个user最重要的就是这个user与server之间的conn。user有了这个conn,可以直接写回客户端消息
  • user其实除了将自己new出来,就做一件事情:监听自己的chan,有消息了就通过conn发给client。实际上user就是client,只不过抽象为一个对象比较好操作。

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2.2 server中完善

  1. server现在要做的事情主要两个:client来了之后先写入自己的chan相关消息(handler中调用),监听chan中的消息,发送给user 的chan
  2. 之前的server只需要最基本的ip和port,传给net.Listen(“tcp”,“ip+port”),满足socket监听和accept,得到conn。现在server还需要维护一个用户表、维护一个chan通道(用于广播给各个用户消息)

Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第7张图片

2.3 广播功能

  1. 对于server来说,accept之后拿到conn对象,调用handler(conn),这时候handler之中需要写业务:通知其他在线用户新用户上线
  2. handler:第一步,先将新用户注册到server的用户表中。写一个新的方法,广播到其他用户
  3. 新方法实际上就是向server维护的通道中写入业务消息。this.Message <- 消息 Message是chan,是server的成员属性
  4. 消息写到通道中去,需要开启子线程监听这个通道中,一有消息就广播给其他用户,思路也很简单,就是监听通道(阻塞的):
    msg := -< range this.Message ,之后遍历map(使用range),拿到map中的value即为user对象
    Golang网络编程:即时通讯系统Instance Messaging System_第8张图片

3. 用户消息广播

3.1 主要思路

之前的代码版本已经实现:只要serverChannel中一有消息,有一个GoRoutine 会马上将该消息broadCast给每个用户。现在需要将一个用户的消息进行广播,那只需要将该消息放到serverChannel中即可。而且根据连接的断开,net.Conn.Read() 会返回一个读到的字节数n,如果n==0,说明一个用户连接已经断开了,可以将该用户从列表中移除。
思路简单,有一个小问题就是会把消息发给每个用户,包括当前用户,这个应该也可以传入当前用户的相关信息进行改进。

4. 在线用户查询、修改用户名

4.1 主要思路

  1. 之前的用户消息广播,就是接收到用户的消息(在server的handler中使用conn.Read(byteArrBuff)),将client的数据读到byteArrBuff中后,也就相当于得到了client发的消息的比特流。之前是直接将消息广播到所有用户,直接写入server的管道就好了,有goroutine读取chan的数据发送到每个用户的channel上
  2. 现在不能将收到的所有消息直接全部发到serverChannel中,因为要细分功能。比如现在的在线用户查询、修改用户名。
  3. 在线用户查询思路是,规定用户输入“who”,那就server这时候识别到是“who”,就查询onlineMap,将所有在线用户消息一条条地,直接通过conn.write()写回给client
  4. 修改用户名思路是:如果收到client发送消息格式: rename|张三, 那就在map中修改名字即可。当然,需要判断用户的名字是否已经被占用等。

4.2 代码实现

func (this *User) DoMessage(msg string) {
	if msg == "who" {
		//查询当前在线用户都有哪些

		this.server.mapLock.Lock()
		for _, user := range this.server.OnlineMap {
			onlineMsg := "[" + user.Addr + "]" + user.Name + ":" + "在线...\n"
			this.SendMsg(onlineMsg)
		}
		this.server.mapLock.Unlock()

	} else if len(msg) > 7 && msg[:7] == "rename|" {
		//消息格式: rename|张三
		newName := strings.Split(msg, "|")[1]

		//判断name是否存在
		_, ok := this.server.OnlineMap[newName]
		if ok {
			this.SendMsg("当前用户名被使用\n")
		} else {
			this.server.mapLock.Lock()
			delete(this.server.OnlineMap, this.Name)
			this.server.OnlineMap[newName] = this
			this.server.mapLock.Unlock()

			this.Name = newName
			this.SendMsg("您已经更新用户名:" + this.Name + "\n")
		}

	} else {
		this.server.BroadCast(this, msg)
	}
}

5. 用户超时踢出

  • 如果isLive这个chan中写入值了,有值可读,那就执行完毕,进行下一次for循环。
  • 如果到了10s,isLive 还没有值可以读,time.After(time.Second * 10)会创建一个chan,并在一进入select开始计时10s,10s后向chan中发数据。这样一来就执行了它case中的内容。
  • 总之, select 语句中的每个分支都只有在相应的通道操作可执行时才会被执行。而 time.After() 函数只是一个将指定时间间隔转换为可以等待的通道的辅助方法,用于在需要等待一段时间后才能执行某些操作的场景。
	//当前handler阻塞
	for {
		select {
		// 当isLive通道有值可读时执行的代码
		case <-isLive:
			//当前用户是活跃的,应该重置定时器
			//不做任何事情,为了激活select,更新下面的定时器

		case <-time.After(time.Second * 10):
			//已经超时
			//将当前的User强制的关闭

			user.SendMsg("你被踢了")

			//销毁用的资源
			close(user.C)

			//关闭连接
			conn.Close()

			//退出当前Handler
			return //runtime.Goexit()
		}
	}

6. 用户单聊

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