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如何设计优雅的RPC接口

RPC 是一种方便的网络通信编程模型,由于和编程语言的高度结合,大大减少了处理网络数据的复杂度,让代码可读性也有可观的提高。但是 RPC 本身的构成却比较复杂,由于受到编程语言、网络模型、使用习惯的约束,有大量的妥协和取舍之处。

RPC 框架的讨论一直是各个技术交流群中的热点话题,例如阿里的 dubbo、新浪微博的 motan、谷歌的 grpc 以及不久前蚂蚁金服开源的 sofa 都是比较出名的 RPC 框架。

认识 RPC(远程调用)

我们在各种操作系统、编程语言生态圈中,多少都会接触过“远程调用”的概念。一般来说,它们指的是用一行简单的代码,通过网络调用另外一个计算机上的某段程序。比如:
  • RMI(Remote Method Invoke):调用远程的方法,“方法”一般是附属于某个对象上的,所以通常 RMI 指对在远程的计算机上的某个对象,进行其方法函数的调用。
  • RPC(Remote Procedure Call):远程过程调用,指的是对网络上另外一个计算机上的,某段特定的函数代码的调用。

远程调用本身是网络通信的一种概念,它的特点是把网络通信封装成一个类似函数的调用。网络通信在远程调用外,一般还有其他的几种概念:数据包处理、消息队列、流过滤、资源拉取等待,它们的差异如下表所示:

方案 编程方式 信息封装 传输模型 典型应用
远程调用 调用函数、输入参数、获得返回值 使用编程语言的变量、类型、函数 发出请求、获得响应 Java RMI
数据包处理 调用 Send()/Recv(),使用字节码数据、编解码、处理内容 把通信内容构造成二进制的协议包 发送/接收 UDP 编程
消息队列 调用 Put()/Get(),使用“包”对象,处理其包含的内容 消息被封装成语言可用的对象或结构 对某队列存入一个消息或取出一个消息 ActiveMQ
流过滤 读取一个流或写出一个流,对流中的单元包即刻处理 单元长度很小的统一数据结构 连接、发送/接收、处理 网络视频
资源拉取 输入一个资源 ID,获得资源内容 请求或响应都包含:头部和正文 请求后等待响应 WWW

远程调用的优势

1) 屏蔽了网络层

因此在传输协议和编码协议上,我们可以选择不同的方案。比如 WebService 方案就是用的 HTTP 传输协议 +SOAP 编码协议,而 REST 的方案往往使用 HTTP+JSON 协议。

Facebook 的 Thrift 可以定制任何不同的传输协议和编码协议,可以用 TCP+Google Protocol Buffer 也可以用 UDP+JSON 等。

由于屏蔽了网络层,可以根据实际需要来独立的优化网络部分,而无需涉及业务逻辑的处理代码,这对于需要在各种网络环境下运行的程序来说,非常有价值。

2) 函数映射协议

可以直接用编程语言来书写数据结构和函数定义,取代编写大量的编码协议格式和分包处理逻辑。对于那些业务逻辑非常复杂的系统,比如网络游戏,可以节省大量定义消息格式的时间。

函数调用模型非常容易学习,不需要学习通信协议和流程,让经验较浅的程序员也能很容易的开始使用网络编程。

远程调用的缺点

1) 增加了性能消耗

由于把网络通信包装成“函数”,需要大量额外的处理,比如需要预生产代码,或者使用反射机制。这些都是额外消耗 CPU 和内存的操作。而且为了表达复杂的数据类型,比如变长的类型 string/map/list,这些都要数据包中增加更多的描述性信息,则会占用更多的网络包长度。

2) 不必要的复杂化

如果是为了某些特定的业务需求,比如传送一个固定的文件,那么应该用 HTTP/FTP 协议模型;如果为了做监控或者 IM 软件,用简单的消息编码收发会更快速高效;如果是为了做代理服务器,用流式的处理会很简单。另外,如果要做数据广播,那么消息队列会很容易做到,而远程调用这几乎无法完成。

因此,远程调用最适合是业务需求多变或者网络环境多变的场景。

RPC 结构拆解

RPC 的结构如下图所示:

RPC 结构图
图:RPC 结构图

RPC 服务端通过 RpcServer 去导出(export)远程接口方法,而客户端通过 RpcClient 去引入(import)远程接口方法。客户端像调用本地方法一样去调用远程接口方法,RPC 框架提供接口的代理实现,实际的调用将委托给代理 RpcProxy,代理封装调用信息并将调用转交给 RpcInvoker 去实际执行。

在客户端的 RpcInvoker 通过连接器 RpcConnector 去维持与服务端的通道 RpcChannel,并使用 RpcProtocol 执行协议编码(encode)并将编码后的请求消息通过通道发送给服务端。

RPC 服务端接收器 RpcAcceptor 接收客户端的调用请求,同样使用 RpcProtocol 执行协议解码(decode),解码后的调用信息传递给 RpcProcessor 去控制处理调用过程,最后再委托调用给 RpcInvoker 去实际执行并返回调用结果。

RPC 各个组件的职责如下所示:
  • RpcServer:负责导出(export)远程接口
  • RpcClient:负责导入(import)远程接口的代理实现
  • RpcProxy:远程接口的代理实现
  • RpcInvoker:
  • 客户方实现:负责编码调用信息和发送调用请求到服务方并等待调用结果返回
  • 服务方实现:负责调用服务端接口的具体实现并返回调用结果
  • RpcProtocol:负责协议编/解码
  • RpcConnector:负责维持客户方和服务方的连接通道和发送数据到服务方
  • RpcAcceptor:负责接收客户方请求并返回请求结果
  • RpcProcessor:负责在服务方控制调用过程,包括管理调用线程池、超时时间等
  • RpcChannel:数据传输通道

RPC 接口设计

Go语言的 net/rpc 很灵活,它在数据传输前后实现了编码解码器的接口定义。这意味着,开发者可以自定义数据的传输方式以及 RPC 服务端和客户端之间的交互行为。

RPC 提供的编码解码器接口如下:
type ClientCodec interface {
    WriteRequest(*Request, interface{}) error
    ReadResponseHeader(*Response) error
    ReadResponseBody(interface{}) error
    Close() error
}
type ServerCodec interface {
    ReadRequestHeader(*Request) error
    ReadRequestBody(interface{}) error
    WriteResponse(*Response, interface{}) error
    Close() error
}
接口 ClientCodec 定义了 RPC 客户端如何在一个 RPC 会话中发送请求和读取响应。客户端程序通过 WriteRequest() 方法将一个请求写入到 RPC 连接中,并通过 ReadResponseHeader() 和 ReadResponseBody() 读取服务端的响应信息。当整个过程执行完毕后,再通过 Close() 方法来关闭该连接。

接口 ServerCodec 定义了 RPC 服务端如何在一个 RPC 会话中接收请求并发送响应。服务端程序通过 ReadRequestHeader() 和 ReadRequestBody() 方法从一个 RPC 连接中读取请求信息,然后再通过 WriteResponse() 方法向该连接中的 RPC 客户端发送响应。当完成该过程后,通过 Close() 方法来关闭连接。

通过实现上述接口,我们可以自定义数据传输前后的编码解码方式,而不仅仅局限于 Gob。

同样,可以自定义 RPC 服务端和客户端的交互行为。实际上,Go标准库提供的 net/rpc/json 包,就是一套实现了 rpc.ClientCodec 和 rpc.ServerCodec 接口的 JSON-RPC 模块。

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