你好,我是何小锋。上一讲我分享了动态代理,其作用总结起来就是一句话:“我们可以通过动态代理技术,屏蔽 RPC 调用的细节,从而让使用者能够面向接口编程。”
到今天为止,我们已经把 RPC 通信过程中要用到的所有基础知识都讲了一遍,但这些内容多属于理论。这一讲我们就来实战一下,看看具体落实到代码上,我们应该怎么实现一个 RPC 框架?
为了能让咱们快速达成共识,我选择剖析 gRPC 源码(源码地址:https://github.com/grpc/grpc-java)。通过分析 gRPC 的通信过程,我们可以清楚地知道在 gRPC 里面这些知识点是怎么落地到具体代码上的。
gRPC 是由 Google 开发并且开源的一款高性能、跨语言的 RPC 框架,当前支持 C、Java 和 Go 等语言,当前 Java 版本最新 Release 版为 1.27.0。gRPC 有很多特点,比如跨语言,通信协议是基于标准的 HTTP/2 设计的,序列化支持 PB(Protocol Buffer)和 JSON,整个调用示例如下图所示:
如果你想快速地了解一个全新框架的工作原理,我个人认为最快的方式就是从使用示例开始,所以现在我们就以最简单的 HelloWord 为例开始了解。
在这个例子里面,我们会定义一个 say 方法,调用方通过 gRPC 调用服务提供方,然后服务提供方会返回一个字符串给调用方。
为了保证调用方和服务提供方能够正常通信,我们需要先约定一个通信过程中的契约,也就是我们在 Java 里面说的定义一个接口,这个接口里面只会包含一个 say 方法。在 gRPC 里面定义接口是通过写 Protocol Buffer 代码,从而把接口的定义信息通过 Protocol Buffer 语义表达出来。HelloWord 的 Protocol Buffer 代码如下所示:
syntax = "proto3";
option java_multiple_files = true;
option java_package = "io.grpc.hello";
option java_outer_classname = "HelloProto";
option objc_class_prefix = "HLW";
package hello;
service HelloService{
rpc Say(HelloRequest) returns (HelloReply) {}
}
message HelloRequest {
string name = 1;
}
message HelloReply {
string message = 1;
}
有了这段代码,我们就可以为客户端和服务器端生成消息对象和 RPC 基础代码。我们可以利用 Protocol Buffer 的编译器 protoc,再配合 gRPC Java 插件(protoc-gen-grpc-java),通过命令行 protoc3 加上 plugin 和 proto 目录地址参数,我们就可以生成消息对象和 gRPC 通信所需要的基础代码。如果你的项目是 Maven 工程的话,你还可以直接选择使用 Maven 插件来生成同样的代码。
生成完基础代码以后,我们就可以基于生成的代码写下调用端代码,具体如下:
package io.grpc.hello;
import io.grpc.ManagedChannel;
import io.grpc.ManagedChannelBuilder;
import io.grpc.StatusRuntimeException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class HelloWorldClient {
private final ManagedChannel channel;
private final HelloServiceGrpc.HelloServiceBlockingStub blockingStub;
/**
* 构建Channel连接
**/
public HelloWorldClient(String host, int port) {
this(ManagedChannelBuilder.forAddress(host, port)
.usePlaintext()
.build());
}
/**
* 构建Stub用于发请求
**/
HelloWorldClient(ManagedChannel channel) {
this.channel = channel;
blockingStub = HelloServiceGrpc.newBlockingStub(channel);
}
/**
* 调用完手动关闭
**/
public void shutdown() throws InterruptedException {
channel.shutdown().awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
}
/**
* 发送rpc请求
**/
public void say(String name) {
// 构建入参对象
HelloRequest request = HelloRequest.newBuilder().setName(name).build();
HelloReply response;
try {
// 发送请求
response = blockingStub.say(request);
} catch (StatusRuntimeException e) {
return;
}
System.out.println(response);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
HelloWorldClient client = new HelloWorldClient("127.0.0.1", 50051);
try {
client.say("world");
} finally {
client.shutdown();
}
}
}
调用端代码大致分成三个步骤:
为了能看清楚里面具体发生了什么,我们需要进入到 ClientCalls.blockingUnaryCall 方法里面看下逻辑细节。但是为了避免太多的细节影响你理解整体流程,我在下面这张图中只画下了最重要的部分。
我们可以看到,在调用端代码里面,我们只需要一行(第48行)代码就可以发起一个 RPC 调用,而具体这个请求是怎么发送到服务提供者那端的呢?这对于我们 gRPC 使用者来说是完全透明的,我们只要关注是怎么创建出 stub 对象的就可以了。
比如入参是一个字符对象,gRPC 是怎么把这个对象传输到服务提供方的呢?因为在[第 03 讲] 中我们说过,只有二进制才能在网络中传输,但是目前调用端代码的入参是一个字符对象,那在 gRPC 里面我们是怎么把对象转成二进制数据的呢?
回到上面流程图的第3步,在 writePayload 之前,ClientCallImpl 里面有一行代码就是 method.streamRequest(message),看方法签名我们大概就知道它是用来把对象转成一个 InputStream,有了 InputStream 我们就很容易获得入参对象的二进制数据。这个方法返回值很有意思,就是为啥不直接返回我们想要的二进制数组,而是返回一个 InputStream 对象呢?你可以先停下来想下原因,我们会在最后继续讨论这个问题。
我们接着看 streamRequest 方法的拥有者 method 是个什么对象?我们可以看到 method 是 MethodDescriptor 对象关联的一个实例,而 MethodDescriptor 是用来存放要调用 RPC 服务的接口名、方法名、服务调用的方式以及请求和响应的序列化和反序列化实现类。
大白话说就是,MethodDescriptor 是用来存储一些 RPC 调用过程中的元数据,而在 MethodDescriptor 里面 requestMarshaller 是在绑定请求的时候用来序列化方式对象的,所以当我们调用 method.streamRequest(message) 的时候,实际是调用 requestMarshaller.stream(requestMessage) 方法,而 requestMarshaller 里面会绑定一个 Parser,这个 Parser 才真正地把对象转成了 InputStream 对象。
讲完序列化在 gRPC 里面的应用后,我们再来看下在 gRPC 里面是怎么完成请求数据“断句”的,就是我们在[第 02 讲] 中说的那个问题——二进制流经过网络传输后,怎么正确地还原请求前语义?
我们在 gRPC 文档中可以看到,gRPC 的通信协议是基于标准的 HTTP/2 设计的,而 HTTP/2 相对于常用的 HTTP/1.X 来说,它最大的特点就是多路复用、双向流,该怎么理解这个特点呢?这就好比我们生活中的单行道和双行道,HTTP/1.X 就是单行道,HTTP/2 就是双行道。
那既然在请求收到后需要进行请求“断句”,那肯定就需要在发送的时候把断句的符号加上,我们看下在 gRPC 里面是怎么加的?
因为 gRPC 是基于 HTTP/2 协议,而 HTTP/2 传输基本单位是 Frame,Frame 格式是以固定 9 字节长度的 header,后面加上不定长的 payload 组成,协议格式如下图所示:
那在 gRPC 里面就变成怎么构造一个 HTTP/2 的 Frame 了。
现在回看我们上面那个流程图的第 4 步,在 write 到 Netty 里面之前,我们看到在 MessageFramer.writePayload 方法里面会间接调用 writeKnownLengthUncompressed 方法,该方法要做的两件事情就是构造 Frame Header 和 Frame Body,然后再把构造的 Frame 发送到 NettyClientHandler,最后将 Frame 写入到 HTTP/2 Stream 中,完成请求消息的发送。
讲完 gRPC 的请求发送原理,我们再来看下服务提供方收到请求后会怎么处理?我们还是接着前面的那个例子,先看下服务提供方代码,具体如下:
static class HelloServiceImpl extends HelloServiceGrpc.HelloServiceImplBase {
@Override
public void say(HelloRequest req, StreamObserver<HelloReply> responseObserver) {
HelloReply reply = HelloReply.newBuilder().setMessage("Hello " + req.getName()).build();
responseObserver.onNext(reply);
responseObserver.onCompleted();
}
}
上面 HelloServiceImpl 类是按照 gRPC 使用方式实现了 HelloService 接口逻辑,但是对于调用者来说并不能把它调用过来,因为我们没有把这个接口对外暴露,在 gRPC 里面我们是采用 Build 模式对底层服务进行绑定,具体代码如下:
package io.grpc.hello;
import io.grpc.Server;
import io.grpc.ServerBuilder;
import io.grpc.stub.StreamObserver;
import java.io.IOException;
public class HelloWorldServer {
private Server server;
/**
* 对外暴露服务
**/
private void start() throws IOException {
int port = 50051;
server = ServerBuilder.forPort(port)
.addService(new HelloServiceImpl())
.build()
.start();
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
@Override
public void run() {
HelloWorldServer.this.stop();
}
});
}
/**
* 关闭端口
**/
private void stop() {
if (server != null) {
server.shutdown();
}
}
/**
* 优雅关闭
**/
private void blockUntilShutdown() throws InterruptedException {
if (server != null) {
server.awaitTermination();
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
final HelloWorldServer server = new HelloWorldServer();
server.start();
server.blockUntilShutdown();
}
}
服务对外暴露的目的是让过来的请求在被还原成信息后,能找到对应接口的实现。在这之前,我们需要先保证能正常接收请求,通俗地讲就是要先开启一个 TCP 端口,让调用方可以建立连接,并把二进制数据发送到这个连接通道里面,这里依然只展示最重要的部分。
这四个步骤是用来开启一个 Netty Server,并绑定编解码逻辑的,如果你暂时看不懂,没关系的,我们可以先忽略细节。我们重点看下 NettyServerHandler 就行了,在这个 Handler 里面会绑定一个 FrameListener,gRPC 会在这个 Listener 里面处理收到数据请求的 Header 和 Body,并且也会处理 Ping、RST 命令等,具体流程如下图所示:
在收到 Header 或者 Body 二进制数据后,NettyServerHandler 上绑定的FrameListener 会把这些二进制数据转到 MessageDeframer 里面,从而实现 gRPC 协议消息的解析 。
那你可能会问,这些 Header 和 Body 数据是怎么分离出来的呢?按照我们前面说的,调用方发过来的是一串二进制数据,这就是我们前面开启 Netty Server 的时候绑定 Default HTTP/2FrameReader 的作用,它能帮助我们按照 HTTP/2 协议的格式自动切分出 Header 和 Body 数据来,而对我们上层应用 gRPC 来说,它可以直接拿拆分后的数据来用。
这是我们基础篇的最后一讲,我们采用剖析 gRPC 源码的方式来学习如何实现一个完整的 RPC。当然整个 gRPC 的代码量可比这多得多,但今天的主要目就是想让你把前面所学的序列化、协议等方面的知识落实到具体代码上,所以我们这儿只分析了 gRPC 收发请求两个过程。
实现了这两个过程,我们就可以完成一个点对点的 RPC 功能,但在实际使用的时候,我们的服务提供方通常都是以一个集群的方式对外提供服务的,所以在 gRPC 里面你还可以看到负载均衡、服务发现等功能。而且 gRPC 采用的是 HTTP/2 协议,我们还可以通过 Stream 方式来调用服务,以提升调用性能。
总的来说,其实我们可以简单地认为gRPC 就是采用 HTTP/2 协议,并且默认采用 PB 序列化方式的一种 RPC,它充分利用了 HTTP/2 的多路复用特性,使得我们可以在同一条链路上双向发送不同的 Stream 数据,以解决 HTTP/1.X 存在的性能问题。
我们讲到,在 gRPC 调用的时候,我们有一个关键步骤就是把对象转成可传输的二进制,但是在 gRPC 里面,我们并没有直接转成二进制数组,而是返回一个 InputStream,你知道这样做的好处是什么吗?
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