微服务理论之三：RPC框架原理

RPC调用是面向服务架构场景下进行服务间调用的常用组件，一个完整的RPC调用的流程如图1所示：

图1 RPC调用流程

为了方便RPC调用者和服务者的开发，开发者们开发了很多RPC框架。比较有名的RPC框架有Google的gRPC、Facebook的Thrift 和 阿里的 Dubbo 等。这些框架在具体实现上虽然各不相同，但其工作原理基本上是一致的。

一个设计良好的RPC框架的愿景是简化服务提供者和调用者的开发，将图1中 2~8 步骤的所有操作全部隐藏，让开发者可以像开发和调用本地方法一样开发和调用远程方法。为了隐藏这些实现细节，RPC框架需要关注如下几点：

1. 方法调用：方法调用的过程如何转换为可以传输的消息内容；
2. 服务发现：如何发布服务并告知调用者服务地址；
3. 数据传输：服务调用者和提供者之间如何进行数据传输。

下面我们以Java语言为例，就以上几点分别做出分析。

1. 方法调用

1.1 “协议”设定

要完成一个完整的方法调用，需要在调用者和被调用者之间设计一套“协议”对被调接口、被调方法、参数类型、参数值、返回类型、返回值等进行定义，如下是一段比较合理的通信“协议”：

public class Request implements Serializable {
    private long sid;
    private String serviceName;
    private String methodName;
    private Class<?>[] paramTypes;
    private Object[] params;
}

public class Response implements Serializable {
    private long sid;
    private Class<?> resultType;
    private Object result;
}

Request里面，需要指定具体的服务、方法名，以及调用方法时需要传入的参数类型和参数值；Response里面直接指定返回值及其类型(因为返回值最多只有一个)。特别地，在Request 和 Response里面分别有一个 sid 字段，是为了在异步处理时能正确地对应请求和返回的关系。

1.2 请求、返回与“协议”对象的转化

为了简化服务方和调用方的实现，RPC框架里面需要完成方法请求与request对象之间的转换 和 处理结果与reponse对象之间的转换。对于Java，可以采用JDK的动态代理来实现这个转换；如果采用Spring框架，还可以通过Spring的动态代理类 -- FactoryBean进行实现。下面一段代码是通过JDK的动态代理实现本地调用转化为消息的一个demo：

// 动态代理类
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class RpcProxyInvoker implements InvocationHandler {
    private Class<?> clazz;

    public RpcProxyInvoker(Class<?> clazz) {
        this.clazz = clazz;
    }

    public static Object getProxy(Class<?> clazz) {
        RpcProxyInvoker invoker = new RpcProxyInvoker(clazz);
        return Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(), new Class[] { clazz }, invoker);
    }

    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        Class<?>[] paramTypes = new Class[] {};
        for (int idx = 0; idx < args.length; ++idx) {
            paramTypes[idx] = args[idx].getClass();
        }

        Request req = new Request();
        req.setServiceName(clazz.getClass().getName());
        req.setMethodName(method.getName());
        req.setParameterTypes(paramTypes);
        req.setParameters(args);

        /// ... 后续操作：序列化、网络传输等
        return null;
    }
}

// 暴露给调用方的接口
public interface UserService {
    UserDTO get(int userId);
}

// 调用方调用简单示例
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        UserService userService = (UserService) RpcProxyInvoker.getProxy(UserService.class);
        userService.get(1);
    }
}

为了方便传输，需要对生成的Request对象进行序列化。最简单的序列化方法是采用Java的ObjectInput/OutputStream实现，当然也可以通过JSON等格式进行对象的序列化。
序列化结束后，交给网络模块进行网络传输并等待返回结果进行后续处理。

2. 服务发现

当RPC框架应用于大型分布式系统时，不可能将服务的地址人为地告知到每个调用方，应该自动化地完成这个“告知”工作。这个工作的流程如图2所示：

图2 服务发现

注册中心可以采用redis或者zookeeper等方式进行实现。
从服务提供者的角度看：当提供者服务启动时，需要自动向注册中心注册服务；当提供者服务停止时，需要向注册中心注销服务；提供者需要定时向注册中心发送心跳，一段时间未收到来自提供者的心跳后，认为提供者已经停止服务，从注册中心上摘取掉对应的服务。从调用者的角度看：调用者启动时订阅注册中心的消息并从注册中心获取提供者的地址；当有提供者上线或者下线时，注册中心会告知到调用者；调用者下线时，取消订阅。

3. 数据传输

服务提供者和调用者之间进行数据传输，可以借助基于端口的协议和基于HTTP的协议进行，如使用TCP协议通信 或 使用HTTP协议通信。通信方式上，可以使用传统的BIO(Blocked I/O) 或 NIO(New I/O)方式进行，在此不再一一赘述。

虽然RPC框架的原理比较简单，但要实现一个功能齐全、适应性强、对代码无侵入的RPC框架并非易事，需要在网络传输、序列化、Stub和Skeleton功能等方面下功夫。当然，在了解原理的情况下，使用一个RPC框架，对业务代码的编写和优化也有一定的促进作用。

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