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IM開發(fā)干貨分享:網(wǎng)易云信IM客戶端的聊天消息全文檢索技術(shù)實(shí)踐

2021-08-03 14:39 作者:nickkckckck  | 我要投稿

1、引言

在IM客戶端的使用場(chǎng)景中,基于本地?cái)?shù)據(jù)的全文檢索功能扮演著重要的角色,最常用的比如:查找聊天記錄、聯(lián)系人,就像下圖這樣。

▲ 微信的聊天記錄查找功能

類似于IM中的聊天記錄查找、聯(lián)系人搜索這類功能,有了全文檢索能力后,確實(shí)能大大提高內(nèi)容查找的效率,不然,讓用戶手動(dòng)翻找,確實(shí)降低了用戶體驗(yàn)。

本文將具體來(lái)聊聊網(wǎng)易云信是如何實(shí)現(xiàn)IM客戶端全文檢索能力的,希望能帶給你啟發(fā)。

學(xué)習(xí)交流:

- 即時(shí)通訊/推送技術(shù)開發(fā)交流5群:215477170?[推薦]

- 移動(dòng)端IM開發(fā)入門文章:《新手入門一篇就夠:從零開發(fā)移動(dòng)端IM》

- 開源IM框架源碼:https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK

(本文同步發(fā)布于:http://www.52im.net/thread-3651-1-1.html)

2、關(guān)于作者

李寧:網(wǎng)易云信高級(jí)前端開發(fā)工程師,負(fù)責(zé)音視頻 IM SDK 的應(yīng)用開發(fā)、組件化開發(fā)及解決方案開發(fā),對(duì) React、PaaS 組件化設(shè)計(jì)、多平臺(tái)的開發(fā)與編譯有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

3、相關(guān)文章

IM客戶端全文檢索相關(guān)文章:

  1. 《微信手機(jī)端的本地?cái)?shù)據(jù)全文檢索優(yōu)化之路》

  2. 《微信團(tuán)隊(duì)分享:微信移動(dòng)端的全文檢索多音字問(wèn)題解決方案》

網(wǎng)易技術(shù)團(tuán)隊(duì)分享的其它文章:

  1. 《網(wǎng)易視頻云技術(shù)分享:音頻處理與壓縮技術(shù)快速入門》

  2. 《網(wǎng)易云信實(shí)時(shí)視頻直播在TCP數(shù)據(jù)傳輸層的一些優(yōu)化思路》

  3. 《網(wǎng)易云信技術(shù)分享:IM中的萬(wàn)人群聊技術(shù)方案實(shí)踐總結(jié)》

  4. 《Web端即時(shí)通訊實(shí)踐干貨:如何讓你的WebSocket斷網(wǎng)重連更快速?》

  5. 《子彈短信光鮮的背后:網(wǎng)易云信首席架構(gòu)師分享億級(jí)IM平臺(tái)的技術(shù)實(shí)踐》

4、什么是全文檢索

所謂全文檢索,就是要在大量?jī)?nèi)容中找到包含某個(gè)單詞出現(xiàn)位置的技術(shù)。

在傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中,只能通過(guò)?LIKE?條件查詢來(lái)實(shí)現(xiàn),這樣有幾個(gè)弊端:

  • 1)無(wú)法使用數(shù)據(jù)庫(kù)索引,需要遍歷全表,性能較差;

  • 2)搜索效果差,只能首尾位模糊匹配,無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的搜索需求;

  • 3)無(wú)法得到內(nèi)容與搜索條件的相關(guān)性。

我們?cè)?IM 的 iOS、安卓以及桌面端中都實(shí)現(xiàn)了基于 SQLite 等庫(kù)的本地?cái)?shù)據(jù)全文檢索功能,但是在 Web 端和 Electron 上缺少了這部分功能。

因?yàn)樵?Web 端,由于瀏覽器環(huán)境限制,能使用的本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)只有 IndexDB,暫不在討論的范圍內(nèi)。但在 Electron 上,雖然也是內(nèi)置了 Chromium 的內(nèi)核,但是因?yàn)榭梢允褂?Node.js 的能力,于是乎選擇的范圍就多了一些。本文內(nèi)容我們具體以基于Electron的IM客戶端為例,來(lái)討論全文檢索技術(shù)實(shí)現(xiàn)(技術(shù)思路是相通的,并不局限于具體什么端)。

PS:如果你不了解什么是Electron技術(shù),讀一下這篇《快速了解Electron:新一代基于Web的跨平臺(tái)桌面技術(shù)》。

我們先來(lái)具體看下該如何實(shí)現(xiàn)全文檢索。

要實(shí)現(xiàn)全文檢索,離不開以下兩個(gè)知識(shí)點(diǎn):

  • 1)倒排索引;

  • 2)分詞。

這兩個(gè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全文檢索的技術(shù)以及難點(diǎn),其實(shí)現(xiàn)的過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜,在聊全文索引的實(shí)現(xiàn)前,我們具體學(xué)習(xí)一下這兩個(gè)技術(shù)的原理。

5、全文檢索知識(shí)點(diǎn)1:倒排索引

先簡(jiǎn)單介紹下倒排索引,倒排索引的概念區(qū)別于正排索引:

  • 1)正排索引:是以文檔對(duì)象的唯一 ID 作為索引,以文檔內(nèi)容作為記錄的結(jié)構(gòu);

  • 2)倒排索引:是以文檔內(nèi)容中的單詞作為索引,將包含該詞的文檔 ID 作為記錄的結(jié)構(gòu)。

以倒排索引庫(kù) search-index 舉個(gè)實(shí)際的例子:

在我們的 IM 中,每條消息對(duì)象都有 idClient 作為唯一 ID,接下來(lái)我們輸入「今天天氣真好」,將其每個(gè)中文單獨(dú)分詞(分詞的概念我們?cè)谙挛臅?huì)詳細(xì)分享),于是輸入變成了「今」、「天」、「天」、「氣」、「真」、「好」。再通過(guò) search-index 的 PUT 方法將其寫入庫(kù)中。

最后看下上述例子存儲(chǔ)內(nèi)容的結(jié)構(gòu):

如是圖所示:可以看到倒排索引的結(jié)構(gòu),key 是分詞后的單個(gè)中文、value 是包含該中文消息對(duì)象的 idClient 組成的數(shù)組。

當(dāng)然:search-index 除了以上這些內(nèi)容,還有一些其他內(nèi)容,例如 Weight、Count 以及正排的數(shù)據(jù)等,這些是為了排序、分頁(yè)、按字段搜索等功能而存在的,本文就不再細(xì)細(xì)展開了。

6、全文檢索知識(shí)點(diǎn)2:分詞

6.1 基本概念

分詞就是將原先一條消息的內(nèi)容,根據(jù)語(yǔ)義切分成多個(gè)單字或詞句,考慮到中文分詞的效果以及需要在 Node 上運(yùn)行,我們選擇了?Nodejieba?作為基礎(chǔ)分詞庫(kù)。

以下是 jieba 分詞的流程圖:

以“去北京大學(xué)玩”為例,我們選擇其中最為重要的幾個(gè)模塊分析一下。

6.2 加載詞典

jieba 分詞會(huì)在初始化時(shí)先加載詞典,大致內(nèi)容如下:

6.3 構(gòu)建前綴詞典

接下來(lái)會(huì)根據(jù)該詞典構(gòu)建前綴詞典,結(jié)構(gòu)如下:

其中:“北京大”作為“北京大學(xué)”的前綴,它的詞頻是0,這是為了便于后續(xù)構(gòu)建 DAG 圖。

6.4 構(gòu)建 DAG 圖

DAG 圖是?Directed Acyclic Graph?的縮寫,即有向無(wú)環(huán)圖。

基于前綴詞典,對(duì)輸入的內(nèi)容進(jìn)行切分。

其中:

  • 1)“去”沒有前綴,因此只有一種切分方式;

  • 2)對(duì)于“北”,則有“北”、“北京”、“北京大學(xué)”三種切分方式;

  • 3)對(duì)于“京”,也只有一種切分方式;

  • 4)對(duì)于“大”,有“大”、“大學(xué)”兩種切分方式;

  • 5)對(duì)于“學(xué)”和“玩”,依然只有一種切分方式。

如此,可以得到每個(gè)字作為前綴詞的切分方式。

其 DAG 圖如下圖所示:

6.5 最大概率路徑計(jì)算

以上 DAG 圖的所有路徑如下:

去/北/京/大/學(xué)/玩

去/北京/大/學(xué)/玩

去/北京/大學(xué)/玩

去/北京大學(xué)/玩

因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都是有權(quán)重(Weight)的,對(duì)于在前綴詞典里的詞語(yǔ),它的權(quán)重就是它的詞頻。因此我們的問(wèn)題就是想要求得一條最大路徑,使得整個(gè)句子的權(quán)重最高。

這是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題,首先我們確認(rèn)下動(dòng)態(tài)規(guī)劃的兩個(gè)條件。

1)重復(fù)子問(wèn)題:

對(duì)于節(jié)點(diǎn) i 和其可能存在的多個(gè)后繼節(jié)點(diǎn) j 和 k:

  • 1)任意通過(guò)i到達(dá)j的路徑的權(quán)重 = 該路徑通過(guò)i的路徑權(quán)重 + j的權(quán)重,即 R(i -> j) = R(i) + W(j);

  • 2)任意通過(guò)i到達(dá)k的路徑的權(quán)重 = 該路徑通過(guò)i的路徑權(quán)重 + k的權(quán)重,即 R(i -> k) = R(i) + W(k)。

即對(duì)于擁有公共前驅(qū)節(jié)點(diǎn) i 的 j 和 k,需要重復(fù)計(jì)算到達(dá) i 路徑的權(quán)重。

2)最優(yōu)子結(jié)構(gòu):

設(shè)整個(gè)句子的最優(yōu)路徑為 Rmax,末端節(jié)點(diǎn)為 x,多個(gè)可能存在的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)為 i、j、k。

得到公式如下:

Rmax = max(Rmaxi, Rmaxj, Rmaxk) + W(x)

于是問(wèn)題變成了求解 Rmaxi、Rmaxj 以及 Rmaxk,子結(jié)構(gòu)里的最優(yōu)解即是全局最優(yōu)解的一部分。

如上,最后計(jì)算得出最優(yōu)路徑為“去/北京大學(xué)/玩”。

6.6 HMM 隱式馬爾科夫模型

對(duì)于未登陸詞,jieba 分詞采用 HMM(Hidden Markov Model 的縮寫)模型進(jìn)行分詞。

它將分詞問(wèn)題視為一個(gè)序列標(biāo)注問(wèn)題,句子為觀測(cè)序列,分詞結(jié)果為狀態(tài)序列。

jieba 分詞作者在 issue 中提到,HMM 模型的參數(shù)基于網(wǎng)上能下載到的 1998 人民日?qǐng)?bào)的切分語(yǔ)料,一個(gè) MSR 語(yǔ)料以及自己收集的 TXT 小說(shuō)、用 ICTCLAS 切分,最后用 Python 腳本統(tǒng)計(jì)詞頻而成。

該模型由一個(gè)五元組組成,并有兩個(gè)基本假設(shè)。

五元組:

  • 1)狀態(tài)值集合;

  • 2)觀察值集合;

  • 3)狀態(tài)初始概率;

  • 4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率;

  • 5)狀態(tài)發(fā)射概率。

基本假設(shè):

  • 1)齊次性假設(shè):即假設(shè)隱藏的馬爾科夫鏈在任意時(shí)刻 t 的狀態(tài)只依賴于其前一時(shí)刻 t-1 的狀態(tài),與其它時(shí)刻的狀態(tài)及觀測(cè)無(wú)關(guān),也與時(shí)刻 t 無(wú)關(guān);

  • 2)觀察值獨(dú)立性假設(shè):即假設(shè)任意時(shí)刻的觀察值只與該時(shí)刻的馬爾科夫鏈的狀態(tài)有關(guān),與其它觀測(cè)和狀態(tài)無(wú)關(guān)。

狀態(tài)值集合即{ B: begin, E: end, M: middle, S: single },表示每個(gè)字所處在句子中的位置,B 為開始位置,E 為結(jié)束位置,M 為中間位置,S 是單字成詞。

觀察值集合就是我們輸入句子中每個(gè)字組成的集合。

狀態(tài)初始概率表明句子中的第一個(gè)字屬于 B、M、E、S 四種狀態(tài)的概率,其中 E 和 M 的概率都是0,因?yàn)榈谝粋€(gè)字只可能 B 或者 S,這與實(shí)際相符。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率表明從狀態(tài) 1 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) 2 的概率,滿足齊次性假設(shè),結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)嵌套的對(duì)象表示:

P = {

????B: {E: -0.510825623765990, M: -0.916290731874155},

????E: {B: -0.5897149736854513, S: -0.8085250474669937},

????M: {E: -0.33344856811948514, M: -1.2603623820268226},

????S: {B: -0.7211965654669841, S: -0.6658631448798212},

}

P['B']['E'] 表示從狀態(tài) B 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) E 的概率(結(jié)構(gòu)中為概率的對(duì)數(shù),方便計(jì)算)為 0.6,同理,P['B']['M'] 表示下一個(gè)狀態(tài)是 M 的概率為 0.4,說(shuō)明當(dāng)一個(gè)字處于開頭時(shí),下一個(gè)字處于結(jié)尾的概率高于下一個(gè)字處于中間的概率,符合直覺,因?yàn)槎€(gè)字的詞比多個(gè)字的詞要更常見。

狀態(tài)發(fā)射概率表明當(dāng)前狀態(tài),滿足觀察值獨(dú)立性假設(shè),結(jié)構(gòu)同上,也可以用一個(gè)嵌套的對(duì)象表示:

P = {

????B: {'突': -2.70366861046, '肅': -10.2782270947, '適': -5.57547658034},

????M: {'要': -4.26625051239, '合': -2.1517176509, '成': -5.11354837278},

????S: {……},

????E: {……},

}

P['B']['突'] 的含義就是狀態(tài)處于 B,觀測(cè)的字是“突”的概率的對(duì)數(shù)值等于 -2.70366861046。

最后,通過(guò)?Viterbi?算法,輸入觀察值集合,將狀態(tài)初始概率、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、狀態(tài)發(fā)射概率作為參數(shù),輸出狀態(tài)值集合(即最大概率的分詞結(jié)果)。關(guān)于?Viterbi?算法,本文不再詳細(xì)展開,有興趣的讀者可以自行查閱。

7、技術(shù)實(shí)現(xiàn)

上節(jié)中介紹的全文檢索這兩塊技術(shù),是我們架構(gòu)的技術(shù)核心?;诖?,我們對(duì)IM 的 Electron 端技術(shù)架構(gòu)做了改進(jìn)。以下將詳細(xì)介紹之。

7.1 架構(gòu)圖詳解

考慮到全文檢索只是 IM 中的一個(gè)功能,為了不影響其他 IM 的功能,并且能更快的迭代需求,所以采用了如下的架構(gòu)方案。

架構(gòu)圖如下:

如上圖所示,右邊是之前的技術(shù)架構(gòu),底層存儲(chǔ)庫(kù)使用了 indexDB,上層有讀寫兩個(gè)模塊。

讀寫模塊的具體作用是:

  • 1)當(dāng)用戶主動(dòng)發(fā)送消息、主動(dòng)同步消息、主動(dòng)刪除消息以及收到消息的時(shí)候,會(huì)將消息對(duì)象同步到 indexDB;

  • 2)當(dāng)用戶需要查詢關(guān)鍵字的時(shí)候,會(huì)去 indexDB 中遍歷所有的消息對(duì)象,再使用 indexOf 判斷每一條消息對(duì)象是否包含所查詢的關(guān)鍵字(類似 LIKE)。

那么,當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候,查詢的速度是非常緩慢的。

左邊是加入了分詞以及倒排索引數(shù)據(jù)庫(kù)的新的架構(gòu)方案,這個(gè)方案不會(huì)對(duì)之前的方案有任何影響,只是在之前的方案之前加了一層。

現(xiàn)在,讀寫模塊的工作邏輯:

  • 1)當(dāng)用戶主動(dòng)發(fā)送消息、主動(dòng)同步消息、主動(dòng)刪除消息以及收到消息的時(shí)候,會(huì)將每一條消息對(duì)象中的消息經(jīng)過(guò)分詞后同步到倒排索引數(shù)據(jù)庫(kù);

  • 2)當(dāng)用戶需要查詢關(guān)鍵字的時(shí)候,會(huì)先去倒排索引數(shù)據(jù)庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)消息的 idClient,再根據(jù) idClient 去 indexDB 中找出對(duì)應(yīng)的消息對(duì)象返回給用戶。

7.2 架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

該方案有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn):

  • 1)速度快:通過(guò) search-index 實(shí)現(xiàn)倒排索引,從而提升了搜索速度。

  • 2)跨平臺(tái):因?yàn)?search-index 與 indexDB 都是基于 levelDB,因此 search-index 也支持瀏覽器環(huán)境,這樣就為 Web 端實(shí)現(xiàn)全文檢索提供了可能性;

  • 3)獨(dú)立性:倒排索引庫(kù)與 IM 主業(yè)務(wù)庫(kù) indexDB 分離;

  • 4)靈活性:全文檢索以插件的形式接入。

針對(duì)上述第“3)”點(diǎn):當(dāng) indexDB 寫入數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)自動(dòng)通知到倒排索引庫(kù)的寫模塊,將消息內(nèi)容分詞后,插入到存儲(chǔ)隊(duì)列當(dāng)中,最后依次插入到倒排索引數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)需要全文檢索時(shí),通過(guò)倒排索引庫(kù)的讀模塊,能快速找到對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字的消息對(duì)象的 idClient,根據(jù) idClient 再去 indexDB 中找到消息對(duì)象并返回。

針對(duì)上述第“4)”點(diǎn):它暴露出一個(gè)高階函數(shù),包裹 IM 并返回新的經(jīng)過(guò)繼承擴(kuò)展的 IM,因?yàn)?JS 面向原型的機(jī)制,在新的 IM 中不存在的方法,會(huì)自動(dòng)去原型鏈(即老的 IM)當(dāng)中查找,因此,使得插件可以聚焦于自身方法的實(shí)現(xiàn)上,并且不需要關(guān)心 IM 的具體版本,并且插件支持自定義分詞函數(shù),滿足不同用戶不同分詞需求的場(chǎng)景

7.3 使用效果

使用了如上架構(gòu)后,經(jīng)過(guò)我們的測(cè)試,在數(shù)據(jù)量 20W 的級(jí)別上,搜索時(shí)間從最開始的十幾秒降到一秒內(nèi),搜索速度快了 20 倍左右。

8、本文小結(jié)

本文中,我們便基于?Nodejieba?和 search-index 在 Electron 上實(shí)現(xiàn)了IM聊天消息的全文檢索,加快了聊天記錄的搜索速度。

當(dāng)然,后續(xù)我們還會(huì)針對(duì)以下方面做更多的優(yōu)化,比如以下兩點(diǎn):

1)寫入性能 :在實(shí)際的使用中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)數(shù)據(jù)量大了以后,search-index 依賴的底層數(shù)據(jù)庫(kù) levelDB 會(huì)存在寫入性能瓶頸,并且 CPU 和內(nèi)存的消耗較大。經(jīng)過(guò)調(diào)研,SQLite 的寫入性能相對(duì)要好很多,從觀測(cè)來(lái)看,寫入速度只與數(shù)據(jù)量成正比,CPU 和內(nèi)存也相對(duì)穩(wěn)定,因此,后續(xù)可能會(huì)考慮用將 SQLite 編譯成 Node 原生模塊來(lái)替換 search-index。

2)可擴(kuò)展性 :目前對(duì)于業(yè)務(wù)邏輯的解耦還不夠徹底。倒排索引庫(kù)當(dāng)中存儲(chǔ)了某些業(yè)務(wù)字段。后續(xù)可以考慮倒排索引庫(kù)只根據(jù)關(guān)鍵字查找消息對(duì)象的 idClient,將帶業(yè)務(wù)屬性的搜索放到 indexDB 中,將倒排索引庫(kù)與主業(yè)務(wù)庫(kù)徹底解耦。

以上,就是本文的全部分享,希望我的分享能對(duì)大家有所幫助。

附錄:更多IM干貨技術(shù)文章

《新手入門一篇就夠:從零開發(fā)移動(dòng)端IM》

《從客戶端的角度來(lái)談?wù)勔苿?dòng)端IM的消息可靠性和送達(dá)機(jī)制》

《移動(dòng)端IM中大規(guī)模群消息的推送如何保證效率、實(shí)時(shí)性?》

《移動(dòng)端IM開發(fā)需要面對(duì)的技術(shù)問(wèn)題》

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