一个基于protobuf的极简RPC

前言

RPC采用客户机/服务器模式实现两个进程之间的相互通信，socket是RPC经常采用的通信手段之一。当然，除了socket，RPC还有其他的通信方法：RDMA、http、管道…… 网络开源的RPC框架也比较多，一个功能比较完善的RPC框架代码比较多，如何快速的从这些代码盲海中梳理清楚主要脉络，对于初学者来说比较困难，本文介绍之前自己实现的一个C++极简版的RPC框架（https://github.com/goyas/goya-rpc），代码只有100多行，希望尽量用少的代码来描述框架以减轻初学者的学习负担，同时便于大家阅读网络上复杂的RPC源码。

1、经典的RPC框架echo例子里面，EchoServer_Stub类是哪里来的？
2、为什么stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr); 调用就执行到server端的Echo函数？
3、stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr); 最后一个参数是nullptr，调用到server端的Echo(controller, request, response, done) 函数时，done指针为什么不为空了？
…

让我们通过下面这个简单的RPC框架，一层一层解开上面的疑惑。

echo_server.cc

class EchoServerImpl : public goya::rpc::echo::EchoServer {
public:
  EchoServerImpl() {}
  virtual ~EchoServerImpl() {}

private:
  virtual void Echo(google::protobuf::RpcController* controller,
                    const goya::rpc::echo::EchoRequest* request,
                    goya::rpc::echo::EchoResponse* response,
                    google::protobuf::Closure* done) 
  {
    std::cout << "server received client msg: " << request->message() << std::endl;
    response->set_message(
      "server say: received msg: ***" + request->message() + std::string("***"));
    done->Run();
  }
};

int main(int argc, char* argv[]) 
{
  RpcServer rpc_server;

  goya::rpc::echo::EchoServer* echo_service = new EchoServerImpl();
  if (!rpc_server.RegisterService(echo_service, false)) {
    std::cout << "register service failed" << std::endl;
    return -1;
  }

  std::string server_addr("0.0.0.0:12321");
  if (!rpc_server.Start(server_addr)) {
    std::cout << "start server failed" << std::endl;
    return -1;
  }

  return 0;
}

echo_client.cc

int main(int argc, char* argv[]) 
{ 
  echo::EchoRequest   request;
  echo::EchoResponse  response;
  request.set_message("hello tonull, from client");

  char* ip          = argv[1];
  char* port        = argv[2];
  std::string addr  = std::string(ip) + ":" + std::string(port);
  RpcChannel    rpc_channel(addr);
  echo::EchoServer_Stub stub(&rpc_channel);

  RpcController controller;
  stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr);
  
  if (controller.Failed()) 
    std::cout << "request failed: %s" << controller.ErrorText().c_str();
  else
    std::cout << "resp: " << response.message() << std::endl;

  return 0;
}

上面是一个简单的Echo实例的代码，主要功能是：server端收到client发送来的消息，然后echo返回给client，功能非常简单，但是走完了整个流程。其他特性无非基于此的一些衍生。好了，我们现在来解析下这个源码，首先来看server端。

RpcServer rpc_server;
goya::rpc::echo::EchoServer* echo_service = new EchoServerImpl();
rpc_server.RegisterService(echo_service, false)
rpc_server.Start(server_addr)

最主要就上面四行代码，定义了两个对象rpc_server和echo_service，然后注册对象，启动服务。EchoServerImpl继承于EchoServer，讲到这里也许有人会问，我没有定义EchoServer这个类啊，它是从哪里来的？ok，那我们这里先跳到讲解下protobuf，讲完之后再回过头来继续。

protobuf

通过socket，client和server可以互相交互消息，但这种通信效率不高，一般选择在发送的时候把消息经过序列化，而在接受的时候采用反序列化解析就可以了，本文采用谷歌开源的protobuf作为消息序列化的方法，其他序列化的方法还有json和rlp。。。

首先按照proto格式，定义消息传输的内容， EchoRequest为请求消息，EchoRequest为响应消息，在EchoServer里面定义了Echo方法。

syntax = "proto3";
package goya.rpc.echo;
option cc_generic_services = true;

message EchoRequest {
  string message = 1;
}
message EchoResponse {
  string message = 1;
}
service EchoServer {
  rpc Echo(EchoRequest) returns(EchoResponse);
}

把定义的proto文件用protoc工具生成对应的echo_service.pb.h和 echo_service.pb.cc文件，网上有很多介绍怎么使用proto文件生成对应的pb.h和pb.c的文档，这里就不在过多描述。具体的也可以看工程里面的 sample/echo/CMakeLists.txt 文件。

service EchoService这一句会生成EchoService和EchoService_Stub两个类，分别是 server 端和 client 端需要关心的。

回到server

对 server 端，通过EchoService::Echo来处理请求，代码未实现，需要子类来 override。

void EchoService::Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,
                         const ::echo::EchoRequest*,
                         ::echo::EchoResponse*,
                         ::google::protobuf::Closure* done) {
  // 代码未实现，需要server返回给client什么内容，就在这里填写
  controller->SetFailed("Method Echo() not implemented.");
  done->Run();
}

好了，我们现在回到上面没有讲完的server，server定义了EchoServerImpl对象，实现了Echo方法，功能也就是把client发送来的消息又返回给client。 server里面还没讲解完的是“注册”和“启动”服务两个功能，我们直接跳到代码讲解。

RegisterService注册的功能非常简单，就是把我们自己定义的EchoServerImpl对象echo_service给保存在services_这个数据结构里。

bool RpcServerImpl::RegisterService(google::protobuf::Service* service, bool ownership) {
  services_[0] = service;
  return true;
}

Start启动服务的功能也很简单，就是一个socket不断的accept远端传送过来的数据，然后进行处理。

bool RpcServerImpl::Start(std::string& server_addr) {
  ...
  while (true) {
    auto socket = boost::make_shared<boost::asio::ip::tcp::socket>(io);
    acceptor.accept(*socket);

    std::cout << "recv from client: " << socket->remote_endpoint().address() << std::endl;

    int request_data_len = 256;
    std::vector<char> contents(request_data_len, 0);
    socket->receive(boost::asio::buffer(contents));

    ProcRpcData(std::string(&contents[0], contents.size()), socket);
  }
}

回到client

RpcChannel    rpc_channel(addr);
echo::EchoServer_Stub stub(&rpc_channel);
RpcController controller;
stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr);

对于client 端，最主要就上面四条语句，定义了RpcChannel、EchoServer_Stub、RpcController三个不同的对象，通过EchoService_Stub来发送数据，EchoService_Stub::Echo调用了::google::protobuf::Channel::CallMethod方法，但是Channel是一个纯虚类，需要 RPC 框架在子类里实现需要的功能。

class EchoService_Stub : public EchoService {
  ...
  void Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,
                       const ::echo::EchoRequest* request,
                       ::echo::EchoResponse* response,
                       ::google::protobuf::Closure* done);
 private:
    ::google::protobuf::RpcChannel* channel_;
};

void EchoService_Stub::Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,
                              const ::echo::EchoRequest* request,
                              ::echo::EchoResponse* response,
                              ::google::protobuf::Closure* done) {
  channel_->CallMethod(descriptor()->method(0), controller, request, response, done);
}

也就是说，执行stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr); 这条语句实际是执行到了

void RpcChannelImpl::CallMethod(const ::google::protobuf::MethodDescriptor* method, 
  ::google::protobuf::RpcController* controller,
  const ::google::protobuf::Message* request,
  ::google::protobuf::Message* response,
  ::google::protobuf::Closure* done) {
  std::string request_data = request->SerializeAsString();
  socket_->send(boost::asio::buffer(request_data));

  int  resp_data_len = 256;
  std::vector<char> resp_data(resp_data_len, 0);
  socket_->receive(boost::asio::buffer(resp_data));

  response->ParseFromString(std::string(&resp_data[0], resp_data.size()));
}

RpcChannelImpl::CallMethod主要做了什么呢？主要两件事情：1、把request消息通过socket发送给远端；2、同时接受来自远端的reponse消息。

讲到这里基本流程就梳理的差不多了，文章开头的几个问题也基本在讲解的过程中回答了，对于后面两个问题，这里再划重点讲解下，stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr); 最后一个参数是nullptr，这里你填啥都没啥卵用，因为在RpcChannelImpl::CallMethod中根本就没使用到，而为什么又要加这个参数呢？这纯属是为了给人一种错觉：client端执行stub.Echo(&controller, &request, &response, nullptr)；就是调用到了server端的EchoServerImpl::Echo(*controller, *request, *response, *done)，使远程调用看起来像本地调用一样（至少参数类型及个数是一致的）。而其实这也是最令初学者疑惑的地方。

而本质上，server端的EchoServerImpl::Echo(*controller, *request, *response, *done)函数其实是在接受到数据后，从这里调用过来的，具体见下面代码：

void RpcServerImpl::ProcRpcData(const std::string& serialzied_data,
  const boost::shared_ptr<boost::asio::ip::tcp::socket>& socket) {
  auto service      = services_[0];
  auto m_descriptor = service->GetDescriptor()->method(0);
  auto recv_msg = service->GetRequestPrototype(m_descriptor).New();
  auto resp_msg = service->GetResponsePrototype(m_descriptor).New();
  recv_msg->ParseFromString(serialzied_data);
  
  // 构建NewCallback对象
  auto done = google::protobuf::NewCallback(
    this, &RpcServerImpl::OnCallbackDone, resp_msg, socket);
  RpcController controller;
  service->CallMethod(m_descriptor, &controller, recv_msg, resp_msg, done);
}

service->CallMethod(m_descriptor, &controller, recv_msg, resp_msg, done); 会调用到EchoServer::CallMethod，protobuf会根据method->index()找到对应的执行函数，EchoServerImpl实现了Echo函数，所以上面的service->CallMethod(m_descriptor, &controller, recv_msg, resp_msg, done); 会执行到EchoServerImpl::Echo，这进一步说明了 EchoServerImpl::Echo 跟stub.Echo()调用没有鸡毛关系，唯一有的关系，确实发起动作是stub.Echo(); 中间经过了无数次解析最后确实是调到了EchoServerImpl::Echo。

void EchoServer::CallMethod(const ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::MethodDescriptor* method,
                             ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::RpcController* controller,
                             const ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message* request,
                             ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message* response,
                             ::google::protobuf::Closure* done) {
  GOOGLE_DCHECK_EQ(method->service(), file_level_service_descriptors_echo_5fservice_2eproto[0]);
  switch(method->index()) {
    case 0:
      Echo(controller,
             ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::internal::DownCast<const ::goya::rpc::echo::EchoRequest*>(
                 request),
             ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::internal::DownCast<::goya::rpc::echo::EchoResponse*>(
                 response),
             done);
      break;
    default:
      GOOGLE_LOG(FATAL) << "Bad method index; this should never happen.";
      break;
  }
}