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Go语言TCP Socket编程(上）

2024-04-24 68
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简介： Go语言TCP Socket编程

Golang的主要 设计目标之一就是面向大规模后端服务程序，网络通信这块是服务端 程序必不可少也是至关重要的一部分。在日常应用中，我们也可以看到Go中的net以及其subdirectories下的包均是“高频+刚需”，而TCP socket则是网络编程的主流，即便您没有直接使用到net中有关TCP Socket方面的接口，但net/http总是用到了吧，http底层依旧是用tcp socket实现的。

网络编程方面，我们最常用的就是tcp socket编程了，在posix标准出来后，socket在各大主流OS平台上都得到了很好的支持。关于tcp programming，最好的资料莫过于W. Richard Stevens 的网络编程圣经《UNIX网络 编程 卷1：套接字联网API》 了，书中关于tcp socket接口的各种使用、行为模式、异常处理讲解的十分细致。Go是自带runtime的跨平台编程语言，Go中暴露给语言使用者的tcpsocket api是建立OS原生tcp socket接口之上的。由于Go runtime调度的需要，golang tcp socket接口在行为特点与异常处理方面与OS原生接口有着一些差别。这篇博文的目标就是整理出关于Go tcp socket在各个场景下的使用方法、行为特点以及注意事项。

一、模型

从tcp socket诞生后，网络编程架构模型也几经演化，大致是：“每进程一个连接” –> “每线程一个连接” –> “Non-Block + I/O多路复用(linux epoll/windows iocp/freebsd darwin kqueue/solaris Event Port)”。伴随着模型的演化，服务程序愈加强大，可以支持更多的连接，获得更好的处理性能。


目前主流web server一般均采用的都是”Non-Block + I/O多路复用”（有的也结合了多线程、多进程）。不过I/O多路复用也给使用者带来了不小的复杂度，以至于后续出现了许多高性能的I/O多路复用框架， 比如libevent、libev、libuv等，以帮助开发者简化开发复杂性，降低心智负担。不过Go的设计者似乎认为I/O多路复用的这种通过回调机制割裂控制流 的方式依旧复杂，且有悖于“一般逻辑”设计，为此Go语言将该“复杂性”隐藏在Runtime中了：Go开发者无需关注socket是否是 non-block的，也无需亲自注册文件描述符的回调，只需在每个连接对应的goroutine中以**“block I/O”**的方式对待socket处理即可，这可以说大大降低了开发人员的心智负担。一个典型的Go server端程序大致如下：


:::details 查看代码

//go-tcpsock/server.go
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    for {
        // read from the connection
        // ... ...
        // write to the connection
        //... ...
    }
}

func main() {
    l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen error:", err)
        return
    }

    for {
        c, err := l.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept error:", err)
            break
        }
        // start a new goroutine to handle
        // the new connection.
        go handleConn(c)
    }
}

:::


用户层眼中看到的goroutine中的“block socket”，实际上是通过Go runtime中的netpoller通过Non-block socket + I/O多路复用机制“模拟”出来的，真实的underlying socket实际上是non-block的，只是runtime拦截了底层socket系统调用的错误码，并通过netpoller和goroutine 调度让goroutine“阻塞”在用户层得到的Socket fd上。比如：当用户层针对某个socket fd发起read操作时，如果该socket fd中尚无数据，那么runtime会将该socket fd加入到netpoller中监听，同时对应的goroutine被挂起，直到runtime收到socket fd 数据ready的通知，runtime才会重新唤醒等待在该socket fd上准备read的那个Goroutine。而这个过程从Goroutine的视角来看，就像是read操作一直block在那个socket fd上似的。具体实现细节在后续场景中会有补充描述。

二、TCP连接的建立

众所周知，TCP Socket的连接的建立需要经历客户端和服务端的三次握手的过程。连接建立过程中，服务端是一个标准的Listen + Accept的结构(可参考上面的代码)，而在客户端Go语言使用net.Dial或DialTimeout进行连接建立：

阻塞Dial：

conn, err := net.Dial("tcp", "google.com:80")
if err != nil {
    //handle error
}
// read or write on conn

或是带上超时机制的Dial：

conn, err := net.DialTimeout("tcp", ":8080", 2 * time.Second)
if err != nil {
    //handle error
}
// read or write on conn

对于客户端而言，连接的建立会遇到如下几种情形：

1、网络不可达或对方服务未启动

如果传给Dial的Addr是可以立即判断出网络不可达，或者Addr中端口对应的服务没有启动，端口未被监听，Dial会几乎立即返回错误，比如：

:::details

//go-tcpsock/conn_establish/client1.go
... ...
func main() {
    log.Println("begin dial...")
    conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        log.Println("dial error:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    log.Println("dial ok")
}

如果本机8888端口未有服务程序监听，那么执行上面程序，Dial会很快返回错误：

$go run client1.go
2015/11/16 14:37:41 begin dial...
2015/11/16 14:37:41 dial error: dial tcp :8888: getsockopt: connection refused

:::

2、对方服务的listen backlog满

还有一种场景就是对方服务器很忙，瞬间有大量client端连接尝试向server建立，server端的listen backlog队列满，server accept不及时((即便不accept，那么在backlog数量范畴里面，connect都会是成功的，因为new conn已经加入到server side的listen queue中了，accept只是从queue中取出一个conn而已)，这将导致client端Dial阻塞。我们还是通过例子感受Dial的行为特点：


:::details


服务端代码：

//go-tcpsock/conn_establish/server2.go
... ...
func main() {
    l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        log.Println("error listen:", err)
        return
    }
    defer l.Close()
    log.Println("listen ok")

    var i int
    for {
        time.Sleep(time.Second * 10)
        if _, err := l.Accept(); err != nil {
            log.Println("accept error:", err)
            break
        }
        i++
        log.Printf("%d: accept a new connection\n", i)
    }
}

客户端代码：

//go-tcpsock/conn_establish/client2.go
... ...
func establishConn(i int) net.Conn {
    conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        log.Printf("%d: dial error: %s", i, err)
        return nil
    }
    log.Println(i, ":connect to server ok")
    return conn
}

func main() {
    var sl []net.Conn
    for i := 1; i < 1000; i++ {
        conn := establishConn(i)
        if conn != nil {
            sl = append(sl, conn)
        }
    }

    time.Sleep(time.Second * 10000)
}

从程序可以看出，服务端在listen成功后，每隔10s钟accept一次。客户端则是串行的尝试建立连接。这两个程序在Darwin下的执行 结果：

$go run server2.go
2015/11/16 21:55:41 listen ok
2015/11/16 21:55:51 1: accept a new connection
2015/11/16 21:56:01 2: accept a new connection
... ...

$go run client2.go
2015/11/16 21:55:44 1 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 2 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 3 :connect to server ok
... ...

2015/11/16 21:55:44 126 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 127 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 128 :connect to server ok

2015/11/16 21:55:52 129 :connect to server ok
2015/11/16 21:56:03 130 :connect to server ok
2015/11/16 21:56:14 131 :connect to server ok
... ...

可以看出Client初始时成功地一次性建立了128个连接，然后后续每阻塞近10s才能成功建立一条连接。也就是说在server端 backlog满时(未及时accept)，客户端将阻塞在Dial上，直到server端进行一次accept。至于为什么是128，这与darwin 下的默认设置有关：

$sysctl -a|grep kern.ipc.somaxconn
kern.ipc.somaxconn: 128

如果我在ubuntu 14.04上运行上述server程序，我们的client端初始可以成功建立499条连接。


如果server一直不accept，client端会一直阻塞么？我们去掉accept后的结果是：在Darwin下，client端会阻塞大 约1分多钟才会返回timeout：

2015/11/16 22:03:31 128 :connect to server ok
2015/11/16 22:04:48 129: dial error: dial tcp :8888: getsockopt: operation timed out

而如果server运行在ubuntu 14.04上，client似乎一直阻塞，我等了10多分钟依旧没有返回。 阻塞与否看来与server端的网络实现和设置有关。


tips: 经测试，确实瞬间连接的成功量不一样，我的是201.


:::

3、网络延迟较大，Dial阻塞并超时

如果网络延迟较大，TCP握手过程将更加艰难坎坷（各种丢包），时间消耗的自然也会更长。Dial这时会阻塞，如果长时间依旧无法建立连接，则Dial也会返回“ getsockopt: operation timed out”错误。

在连接建立阶段，多数情况下，Dial是可以满足需求的，即便阻塞一小会儿。但对于某些程序而言，需要有严格的连接时间限定，如果一定时间内没能成功建立连接，程序可能会需要执行一段“异常”处理逻辑，为此我们就需要DialTimeout了。下面的例子将Dial的最长阻塞时间限制在2s内，超出这个时长，Dial将返回timeout error：


:::details

//go-tcpsock/conn_establish/client3.go
... ...
func main() {
    log.Println("begin dial...")
    conn, err := net.DialTimeout("tcp", "104.236.176.96:80", 2*time.Second)
    if err != nil {
        log.Println("dial error:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    log.Println("dial ok")
}

执行结果如下（需要模拟一个延迟较大的网络环境）：

$go run client3.go
2015/11/17 09:28:34 begin dial...
2015/11/17 09:28:36 dial error: dial tcp 104.236.176.96:80: i/o timeout

经本人验证，确实是这样的结果。

:::

三、Socket读写

连接建立起来后，我们就要在conn上进行读写，以完成业务逻辑。前面说过Go runtime隐藏了I/O多路复用的复杂性。语言使用者只需采用goroutine+Block I/O的模式即可满足大部分场景需求。Dial成功后，方法返回一个net.Conn接口类型变量值，这个接口变量的动态类型为一个*TCPConn：

//$GOROOT/src/net/tcpsock_posix.go
type TCPConn struct {
    conn
}

TCPConn内嵌了一个unexported类型：conn，因此TCPConn”继承”了conn的Read和Write方法，后续通过Dial返回值调用的Write和Read方法均是net.conn的方法：

//$GOROOT/src/net/net.go
type conn struct {
    fd *netFD
}

func (c *conn) ok() bool { return c != nil && c.fd != nil }

// Implementation of the Conn interface.

// Read implements the Conn Read method.
func (c *conn) Read(b []byte) (int, error) {
    if !c.ok() {
        return 0, syscall.EINVAL
    }
    n, err := c.fd.Read(b)
    if err != nil && err != io.EOF {
        err = &OpError{Op: "read", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}
    }
    return n, err
}

// Write implements the Conn Write method.
func (c *conn) Write(b []byte) (int, error) {
    if !c.ok() {
        return 0, syscall.EINVAL
    }
    n, err := c.fd.Write(b)
    if err != nil {
        err = &OpError{Op: "write", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}
    }
    return n, err
}

conn.Read

下面我们先来通过几个场景来总结一下conn.Read的行为特点。

1、Socket中无数据

连接建立后，如果对方未发送数据到socket，接收方(Server)会阻塞在Read操作上，这和前面提到的“模型”原理是一致的。执行该Read操作的goroutine也会被挂起。runtime会监视该socket，直到其有数据才会重新

调度该socket对应的Goroutine完成read。


:::details

package main

import (
  "log"
  "net"
)

func process(con net.Conn) {
  defer con.Close()
  for {
    var buf = make([]byte, 128)
    log.Println("begin--")
    n, err := con.Read(buf)

    if err != nil {
      log.Println("conn read occur error: ", err)
      return
    }
    log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
  }
}

func main() {
  listen, err := net.Listen("tcp", ":8000")
  if err != nil {
    log.Fatalln("listen occur error: ", err)
  }

  for {
    c, err := listen.Accept()
    if err != nil {
      log.Println("accept occur error: ", err)
      break
    }
    log.Println("accept a new connection")
    go process(c)
  }
}


package main

import (
  "log"
  "net"
  "time"
)

func main() {
  log.Println("dial begin--")
  con, err := net.Dial("tcp", ":8000")
  if err != nil {
    log.Println("connect occur error: ", err)
    return
  }
  defer con.Close()
  log.Println("dial ok")
  time.Sleep(100 * time.Second)
}

运行结果：

PS> go run .\server1.go
2022/04/18 23:30:19 accept a new connection
2022/04/18 23:30:19 begin--

PS> go run .\client1.go
2022/04/18 23:30:19 dial begin--
2022/04/18 23:30:19 dial ok

可以看到server的process协程堵塞在read操作。

:::

2、Socket中有部分数据

如果socket中有部分数据，且长度小于一次Read操作所期望读出的数据长度，那么Read将会成功读出这部分数据并返回，而不是等待所有期望数据全部读取后再返回。

:::details


... ...
func main() {
    if len(os.Args) <= 1 {
        fmt.Println("usage: go run client2.go YOUR_CONTENT")
        return
    }
    log.Println("begin dial...")
    conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        log.Println("dial error:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    log.Println("dial ok")

    time.Sleep(time.Second * 2)
    data := os.Args[1]
    conn.Write([]byte(data))

    time.Sleep(time.Second * 10000)
}


... ...
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    for {
        // read from the connection
        var buf = make([]byte, 10)
        log.Println("start to read from conn")
        n, err := c.Read(buf)
        if err != nil {
            log.Println("conn read error:", err)
            return
        }
        log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
    }
}
... ...

运行结果:

Client向socket中写入五个字节数据(“world”)，Server端创建一个len = 10的slice，等待Read将读取的数据放入slice；

Server随后读取到那五个字节：”world”。Read成功返回，n =5 ，err = nil。

:::

3、Socket中有足够数据

如果socket中有数据，且长度大于等于一次Read操作所期望读出的数据长度，那么Read将会成功读出这部分数据并返回。这个情景是最符合我们对Read的期待的了：Read将用Socket中的数据将我们传入的slice填满后返回：n = 10, err = nil。


我们通过client2.go向Server2发送如下内容：worldsadasda，则


client端发送的内容长度为12个字节，Server端Read buffer的长度为10，因此Server Read第一次返回时只会读取10个字节；Socket中还剩余2个字节数据，Server再次Read时会把剩余数据读出。

4、Socket关闭

如果client端主动关闭了socket，那么Server的Read将会读到什么呢？这里分为“有数据关闭”和“无数据关闭”。

“有数据关闭”是指在client关闭时，socket中还有server端未读取的数据，我们在client3.go和server3.go中模拟这种情况：

:::details

package main

import (
  "log"
  "net"
  "time"
)

func handleConn(c net.Conn) {
  defer c.Close()
  for {
    // read from the connection
    time.Sleep(10 * time.Second)
    var buf = make([]byte, 10)
    log.Println("start to read from conn")
    n, err := c.Read(buf)
    if err != nil {
      log.Println("conn read error:", err)
      return
    }
    log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
  }
}

func main() {
  l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
  if err != nil {
    log.Println("listen error:", err)
    return
  }

  for {
    c, err := l.Accept()
    if err != nil {
      log.Println("accept error:", err)
      break
    }
    // start a new goroutine to handle
    // the new connection.
    log.Println("accept a new connection")
    go handleConn(c)
  }
}




package main

import (
  "fmt"
  "log"
  "net"
  "os"
  "time"
)

func main() {
  if len(os.Args) <= 1 {
    fmt.Println("usage: go run client3.go YOUR_CONTENT")
    return
  }
  log.Println("begin dial...")
  conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")
  if err != nil {
    log.Println("dial error:", err)
    return
  }
  defer conn.Close()
  log.Println("dial ok")

  time.Sleep(time.Second * 2)
  data := os.Args[1]
  conn.Write([]byte(data))
}

输出结果

> go run .\server3.go
2022/04/18 23:56:11 accept a new connection2022/04/18 23:56:21 start to read from conn
2022/04/18 23:56:21 read 5 bytes, content is hello
2022/04/18 23:56:31 start to read from conn
2022/04/18 23:56:31 conn read error: EOF


...

> go run .\client3.go hello
2022/04/18 23:56:11 begin dial...
2022/04/18 23:56:11 dial ok

从输出结果来看，当client端close socket退出后，server3依旧没有开始Read，10s后第一次Read成功读出了5个字节的数据，当第二次Read时，由于client端 socket关闭，Read返回EOF error。


:::


通过上面这个例子，我们也可以猜测出“无数据关闭”情形下的结果，那就是Read直接返回EOF error。

5、读取操作超时

有些场合对Read的阻塞时间有严格限制，在这种情况下，Read的行为到底是什么样的呢？在返回超时错误时，是否也同时Read了一部分数据了呢？这个实验比较难于模拟，下面的测试结果也未必能反映出所有可能结果。我们编写了client4.go和server4.go来模拟这一情形。


:::details

package main

import (
  "log"
  "net"
  "time"
)

func process(c net.Conn) {
  defer c.Close()
  for {
    // read from the connection
    time.Sleep(10 * time.Second)
    var buf = make([]byte, 65536)
    log.Println("start to read from conn")
    c.SetReadDeadline(time.Now().Add(time.Microsecond * 10))
    n, err := c.Read(buf)
    if err != nil {
      log.Printf("conn read %d bytes,  error: %s", n, err)
      if nerr, ok := err.(net.Error); ok && nerr.Timeout() {
        continue
      }
      return
    }
    log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
  }
}

func main() {
  listen, err := net.Listen("tcp", ":8001")
  if err != nil {
    log.Println("listen occurs an error", err)
  }
  for {
    con, err := listen.Accept()
    if err != nil {
      log.Println("accept occurs an error: ", err)
    }
    go process(con)
  }
}




package main

import (
  "log"
  "net"
  "time"
)

func main() {
  log.Println("begin dial...")
  conn, err := net.Dial("tcp", ":8001")
  if err != nil {
    log.Println("dial error:", err)
    return
  }
  defer conn.Close()
  log.Println("dial ok")

  data := make([]byte, 65536)
  conn.Write(data)

  time.Sleep(time.Second * 10000)
}

在Server端我们通过Conn的SetReadDeadline方法设置了10微秒的读超时时间，Server的执行结果如下：


> go version
go version go1.17 windows/amd64


> go run .\server4.go
2022/04/20 22:26:30 start to read from conn
2022/04/20 22:26:30 read 65536 bytes, content is 
2022/04/20 22:26:40 start to read from conn
2022/04/20 22:26:40 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8001->127.0.0.1:50548: i/o timeout
2022/04/20 22:26:50 start to read from conn
2022/04/20 22:26:50 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8001->127.0.0.1:50548: i/o timeout
2022/04/20 22:27:00 start to read from conn
2022/04/20 22:27:00 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8001->127.0.0.1:50548: i/o timeout
2022/04/20 22:27:10 start to read from conn
2022/04/20 22:27:10 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8001->127.0.0.1:50548: i/o timeout
2022/04/20 22:27:20 start to read from conn
2022/04/20 22:27:20 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8001->127.0.0.1:50548: i/o timeout

exit status 0xc000013a


> go run .\client4.go
2022/04/20 22:26:20 begin dial...
2022/04/20 22:26:20 dial ok

第一次读取所有数据成功，没有超时。后面全是`read 0 bytes ... i/o timeout`,因为`client`仅仅是`sleep`而没有`down`，而`server`一直延时`10us` 在读取。

:::


Go语言TCP Socket编程（下)：https://developer.aliyun.com/article/1490870

文章标签：
Go
网络协议
Unix
调度
Ubuntu
关键词：
Go语言
socket编程
socket tcp
tcp socket
Go编程
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【6月更文挑战第21天】Java Socket编程用于构建客户端-服务器通信。`Socket`和`ServerSocket`类分别处理两端的连接。实战案例展示了一个简单的聊天应用，服务器监听端口，接收客户端连接，并使用多线程处理每个客户端消息。客户端连接服务器，发送并接收消息。了解这些基础，加上错误处理和优化，能帮你开始构建高效网络应用。
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叫个什么名字
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4天前
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安全 测试技术 Go
Go语言在高并发场景下的应用
在当今互联网高速发展的时代，高并发已成为众多应用系统面临的核心问题。本文探讨了Go语言在高并发场景下的优势，并通过具体实例展示了其在实际应用中的效果和性能表现。
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5天前
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IDE Java 开发工具
从零开始学Java Socket编程：客户端与服务器通信实战
【6月更文挑战第21天】Java Socket编程教程带你从零开始构建简单的客户端-服务器通信。安装JDK后，在命令行分别运行`SimpleServer`和`SimpleClient`。服务器监听端口，接收并回显客户端消息；客户端连接服务器，发送“Hello, Server!”并显示服务器响应。这是网络通信基础，为更复杂的网络应用打下基础。开始你的Socket编程之旅吧！
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众所周知
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5天前
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网络协议 安全 Java
Java网络编程入门涉及TCP/IP协议理解与Socket通信。
【6月更文挑战第21天】Java网络编程入门涉及TCP/IP协议理解与Socket通信。TCP/IP协议包括应用层、传输层、网络层和数据链路层。使用Java的`ServerSocket`和`Socket`类，服务器监听端口，接受客户端连接，而客户端连接指定服务器并交换数据。基础示例展示如何创建服务器和发送消息。进阶可涉及多线程、NIO和安全传输。学习这些基础知识能助你构建网络应用。
众所周知
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5天前
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Java
Java Socket编程与多线程：提升客户端-服务器通信的并发性能
【6月更文挑战第21天】Java网络编程中，Socket结合多线程提升并发性能，服务器对每个客户端连接启动新线程处理，如示例所示，实现每个客户端的独立操作。多线程利用多核处理器能力，避免串行等待，提升响应速度。防止死锁需减少共享资源，统一锁定顺序，使用超时和重试策略。使用synchronized、ReentrantLock等维持数据一致性。多线程带来性能提升的同时，也伴随复杂性和挑战。
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5天前
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安全 Java 网络安全
Java Socket编程教程：构建安全可靠的客户端-服务器通信
【6月更文挑战第21天】构建安全的Java Socket通信涉及SSL/TLS加密、异常处理和重连策略。示例中，`SecureServer`使用SSLServerSocketFactory创建加密连接，而`ReliableClient`展示异常捕获与自动重连。理解安全意识，如防数据截获和中间人攻击，是首要步骤。通过良好的编程实践，确保网络应用在复杂环境中稳定且安全。
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weixin_836869520
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2天前
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网络协议 程序员 数据安全/隐私保护
socket编程原理
socket编程原理
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兀码
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3天前
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存储 中间件 Go
在go语言服务中封装路由和示例
【6月更文挑战第23天】本文介绍golang后端按协议处理、中间件（一次性与每次请求执行）划分、以及服务架构Controller、Logic/Service、DAO/Repository和Routers划分。代码仓库在GitHub上提供。使用框架简化了交互和处理。后续章节深入探讨服务构建。
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在go语言服务中封装路由和示例
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5天前
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Java 数据安全/隐私保护
深入剖析：Java Socket编程原理及客户端-服务器通信机制
【6月更文挑战第21天】Java Socket编程用于构建网络通信，如在线聊天室。服务器通过`ServerSocket`监听，接收客户端`Socket`连接请求。客户端使用`Socket`连接服务器，双方通过`PrintWriter`和`BufferedReader`交换数据。案例展示了服务器如何处理每个新连接并广播消息，以及客户端如何发送和接收消息。此基础为理解更复杂的网络应用奠定了基础。
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