RPC原理简介

it2023-08-10 72

1. 基本的RPC模型

主要介绍RPC是什么，基本的RPC代码，RPC与REST的区别，gRPC的使用

1.1 基本概念

RPC（Remote Procedure Call）远程过程调用，简单的理解是一个节点请求另一个节点提供的服务本地过程调用：如果需要将本地student对象的age+1，可以实现一个addAge()方法，将student对象传入，对年龄进行更新之后返回即可，本地方法调用的函数体通过函数指针来指定。远程过程调用：上述操作的过程中，如果addAge()这个方法在服务端，执行函数的函数体在远程机器上，如何告诉机器需要调用这个方法呢？首先客户端需要告诉服务器，需要调用的函数，这里函数和进程ID存在一个映射，客户端远程调用时，需要查一下函数，找到对应的ID，然后执行函数的代码。客户端需要把本地参数传给远程函数，本地调用的过程中，直接压栈即可，但是在远程调用过程中不再同一个内存里，无法直接传递函数的参数，因此需要客户端把参数转换成字节流，传给服务端，然后服务端将字节流转换成自身能读取的格式，是一个序列化和反序列化的过程。 3.数据准备好了之后，如何进行传输？网络传输层需要把调用的ID和序列化后的参数传给服务端，然后把计算好的结果序列化传给客户端，因此TCP层即可完成上述过程，gRPC中采用的是HTTP2协议。总结一下上述过程：

// Client端 // Student student = Call(ServerAddr, addAge, student) 1. 将这个调用映射为Call ID。 2. 将Call ID，student（params）序列化，以二进制形式打包 3. 把2中得到的数据包发送给ServerAddr，这需要使用网络传输层 4. 等待服务器返回结果 5. 如果服务器调用成功，那么就将结果反序列化，并赋给student，年龄更新 // Server端 1. 在本地维护一个Call ID到函数指针的映射call_id_map，可以用Map<String, Method> callIdMap 2. 等待服务端请求 3. 得到一个请求后，将其数据包反序列化，得到Call ID 4. 通过在callIdMap中查找，得到相应的函数指针 5. 将student（params）反序列化后，在本地调用addAge()函数，得到结果 6. 将student结果序列化后通过网络返回给Client

在微服务的设计中，一个服务A如果访问另一个Module下的服务B，可以采用HTTP REST传输数据，并在两个服务之间进行序列化和反序列化操作，服务B把执行结果返回过来。

由于HTTP在应用层中完成，整个通信的代价较高，远程过程调用中直接基于TCP进行远程调用，数据传输在传输层TCP层完成，更适合对效率要求比较高的场景，RPC主要依赖于客户端和服务端之间建立Socket链接进行，底层实现比REST更复杂。

1.2 rpc demo

系统类图

系统调用过程

客户端：

public class RPCClient<T> { public static <T> T getRemoteProxyObj(final Class<?> serviceInterface, final InetSocketAddress addr) { // 1.将本地的接口调用转换成JDK的动态代理，在动态代理中实现接口的远程调用 return (T) Proxy.newProxyInstance(serviceInterface.getClassLoader(), new Class<?>[]{serviceInterface}, new InvocationHandler() { @Override public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { Socket socket = null; ObjectOutputStream output = null; ObjectInputStream input = null; try{ // 2.创建Socket客户端，根据指定地址连接远程服务提供者 socket = new Socket(); socket.connect(addr); // 3.将远程服务调用所需的接口类、方法名、参数列表等编码后发送给服务提供者 output = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream()); output.writeUTF(serviceInterface.getName()); output.writeUTF(method.getName()); output.writeObject(method.getParameterTypes()); output.writeObject(args); // 4.同步阻塞等待服务器返回应答，获取应答后返回 input = new ObjectInputStream(socket.getInputStream()); return input.readObject(); }finally { if (socket != null){ socket.close(); } if (output != null){ output.close(); } if (input != null){ input.close(); } } } }); } }

服务端：

public class ServiceCenter implements Server { private static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors()); private static final HashMap<String, Class> serviceRegistry = new HashMap<String, Class>(); private static boolean isRunning = false; private static int port; public ServiceCenter(int port){ ServiceCenter.port = port; } @Override public void start() throws IOException { ServerSocket server = new ServerSocket(); server.bind(new InetSocketAddress(port)); System.out.println("Server Start ....."); try{ while(true){ executor.execute(new ServiceTask(server.accept())); } }finally { server.close(); } } @Override public void register(Class serviceInterface, Class impl) { serviceRegistry.put(serviceInterface.getName(), impl); } @Override public boolean isRunning() { return isRunning; } @Override public int getPort() { return port; } @Override public void stop() { isRunning = false; executor.shutdown(); } private static class ServiceTask implements Runnable { Socket client = null; public ServiceTask(Socket client) { this.client = client; } @Override public void run() { ObjectInputStream input = null; ObjectOutputStream output = null; try{ input = new ObjectInputStream(client.getInputStream()); String serviceName = input.readUTF(); String methodName = input.readUTF(); Class<?>[] parameterTypes = (Class<?>[]) input.readObject(); Object[] arguments = (Object[]) input.readObject(); Class serviceClass = serviceRegistry.get(serviceName); if(serviceClass == null){ throw new ClassNotFoundException(serviceName + "not found!"); } Method method = serviceClass.getMethod(methodName, parameterTypes); Object result = method.invoke(serviceClass.newInstance(), arguments); output = new ObjectOutputStream(client.getOutputStream()); output.writeObject(result); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); }finally { if(output!=null){ try{ output.close(); }catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } } if (input != null) { try { input.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } if (client != null) { try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } } }

public class ServiceProducerImpl implements ServiceProducer{ @Override public String sendData(String data) { return "I am service producer!!!, the data is "+ data; } }

public class RPCTest { public static void main(String[] args) throws IOException { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Server serviceServer = new ServiceCenter(8088); serviceServer.register(ServiceProducer.class, ServiceProducerImpl.class); serviceServer.start(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }).start(); ServiceProducer service = RPCClient.getRemoteProxyObj(ServiceProducer.class, new InetSocketAddress("localhost", 8088)); System.out.println(service.sendData("test")); } }

1.3 完整源码

RPCdemo

1.4 分析

这里客户端只需要知道Server端的接口ServiceProducer即可，服务端在执行的时候，会根据具体实例调用实际的方法ServiceProducerImpl，符合面向对象过程中父类引用指向子类对象。

2. gRPC的使用

2.1. gRPC与REST

REST通常以业务为导向，将业务对象上执行的操作映射到HTTP动词，格式非常简单，可以使用浏览器进行扩展和传输，通过JSON数据完成客户端和服务端之间的消息通信，直接支持请求/响应方式的通信。不需要中间的代理，简化了系统的架构，不同系统之间只需要对JSON进行解析和序列化即可完成数据的传递。但是REST也存在一些弊端，比如只支持请求/响应这种单一的通信方式，对象和字符串之间的序列化操作也会影响消息传递速度，客户端需要通过服务发现的方式，知道服务实例的位置，在单个请求获取多个资源时存在着挑战，而且有时候很难将所有的动作都映射到HTTP动词。正是因为REST面临一些问题，因此可以采用gRPC作为一种替代方案，gRPC 是一种基于二进制流的消息协议，可以采用基于Protocol Buffer的IDL定义grpc API,这是Google公司用于序列化结构化数据提供的一套语言中立的序列化机制，客户端和服务端使用HTTP/2以Protocol Buffer格式交换二进制消息。gRPC的优势是，设计复杂更新操作的API非常简单，具有高效紧凑的进程通信机制，在交换大量消息时效率高，远程过程调用和消息传递时可以采用双向的流式消息方式，同时客户端和服务端支持多种语言编写，互操作性强；不过gRPC的缺点是不方便与JavaScript集成，某些防火墙不支持该协议。

注册中心：当项目中有很多服务时，可以把所有的服务在启动的时候注册到一个注册中心里面，用于维护服务和服务器之间的列表，当注册中心接收到客户端请求时，去找到该服务是否远程可以调用，如果可以调用需要提供服务地址返回给客户端，客户端根据返回的地址和端口，去调用远程服务端的方法，执行完成之后将结果返回给客户端。这样在服务端加新功能的时候，客户端不需要直接感知服务端的方法，服务端将更新之后的结果在注册中心注册即可，而且当修改了服务端某些方法的时候，或者服务降级服务多机部署想实现负载均衡的时候，我们只需要更新注册中心的服务群即可。

RPC调用过程

2.2. gRPC与Spring Boot

这里使用SpringBoot+gRPC的形式实现RPC调用过程项目结构分为三部分：client、grpc、server

项目结构

2.2.2 grpc

pom.xml中引入依赖：

引入bulid

<build> <extensions> <extension> <groupId>kr.motd.maven</groupId> <artifactId>os-maven-plugin</artifactId> <version>1.4.1.Final</version> </extension> </extensions> <plugins> <plugin> <groupId>org.xolstice.maven.plugins</groupId> <artifactId>protobuf-maven-plugin</artifactId> <version>0.5.0</version> <configuration> <pluginId>grpc-java</pluginId> <protocArtifact>com.google.protobuf:protoc:3.0.2:exe:${os.detected.classifier}</protocArtifact> <pluginArtifact>io.grpc:protoc-gen-grpc-java:1.2.0:exe:${os.detected.classifier}</pluginArtifact> </configuration> <executions> <execution> <goals> <goal>compile</goal> <goal>compile-custom</goal> </goals> </execution> </executions> </plugin> </plugins> </build>

创建.proto文件

syntax = "proto3"; // 语法版本 // stub选项 option java_package = "com.shgx.grpc.api"; option java_outer_classname = "RPCDateServiceApi"; option java_multiple_files = true; // 定义包名 package com.shgx.grpc.api; // 服务接口定义，服务端和客户端都要遵守该接口进行通信 service RPCDateService { rpc getDate (RPCDateRequest) returns (RPCDateResponse) {} } // 定义消息（请求） message RPCDateRequest { string userName = 1; } // 定义消息（响应） message RPCDateResponse { string serverDate = 1; }

mvn complie

生成代码：

2.2.3 client

根据gRPC中的项目配置在client和server两个Module的pom.xml添加依赖

<dependency> <groupId>com.shgx</groupId> <artifactId>grpc</artifactId> <version>0.0.1-SNAPSHOT</version> <scope>compile</scope> </dependency>

编写GRPCClient

public class GRPCClient { private static final String host = "localhost"; private static final int serverPort = 9999; public static void main( String[] args ) throws Exception { ManagedChannel managedChannel = ManagedChannelBuilder.forAddress( host, serverPort ).usePlaintext().build(); try { RPCDateServiceGrpc.RPCDateServiceBlockingStub rpcDateService = RPCDateServiceGrpc.newBlockingStub( managedChannel ); RPCDateRequest rpcDateRequest = RPCDateRequest .newBuilder() .setUserName("shgx") .build(); RPCDateResponse rpcDateResponse = rpcDateService.getDate( rpcDateRequest ); System.out.println( rpcDateResponse.getServerDate() ); } finally { managedChannel.shutdown(); } } }

2.2.4 server

按照2.2.3 client的方式添加依赖创建RPCDateServiceImpl

public class RPCDateServiceImpl extends RPCDateServiceGrpc.RPCDateServiceImplBase{ @Override public void getDate(RPCDateRequest request, StreamObserver<RPCDateResponse> responseObserver) { RPCDateResponse rpcDateResponse = null; Date now=new Date(); SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("今天是"+"yyyy年MM月dd日 E kk点mm分"); String nowTime = simpleDateFormat.format( now ); try { rpcDateResponse = RPCDateResponse .newBuilder() .setServerDate( "Welcome " + request.getUserName() + ", " + nowTime ) .build(); } catch (Exception e) { responseObserver.onError(e); } finally { responseObserver.onNext( rpcDateResponse ); } responseObserver.onCompleted(); } }

创建GRPCServer

public class GRPCServer { private static final int port = 9999; public static void main( String[] args ) throws Exception { Server server = ServerBuilder. forPort(port) .addService( new RPCDateServiceImpl() ) .build().start(); System.out.println( "grpc服务端启动成功, 端口=" + port ); server.awaitTermination(); } }

2.3. 完整源码

源码参考

3. 参考文章

gRPC - Spring Boot 示例RPC框架解释什么是RPC

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