RPC
轉(zhuǎn)載:http://blog.csdn.net/mindfloating/article/details/39474123
1.主要框架
近幾年的項(xiàng)目中,服務(wù)化和微服務(wù)化漸漸成為中大型分布式系統(tǒng)架構(gòu)的主流方式,而 RPC 在其中扮演著關(guān)鍵的作用。在平時(shí)的日常開發(fā)中我們都在隱式或顯式的使用 RPC,一些剛?cè)胄械某绦騿T會(huì)感覺 RPC 比較神秘,而一些有多年使用 RPC 經(jīng)驗(yàn)的程序員雖然使用經(jīng)驗(yàn)豐富,但有些對(duì)其原理也不甚了了。缺乏對(duì)原理層面的理解,往往也會(huì)造成開發(fā)中的一些誤用。
本文分上下兩篇《淺出篇》和《深入篇》,其目標(biāo)就是想嘗試深入淺出的分析下 RPC 本質(zhì),我總是這么認(rèn)為理解了本質(zhì)才能更好的應(yīng)用。
RPC 是什么?
RPC 的全稱是 Remote Procedure Call 是一種進(jìn)程間通信方式。它允許程序調(diào)用另一個(gè)地址空間(通常是共享網(wǎng)絡(luò)的另一臺(tái)機(jī)器上)的過程或函數(shù),而不用程序員顯式編碼這個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用的細(xì)節(jié)。即程序員無論是調(diào)用本地的還是遠(yuǎn)程的,本質(zhì)上編寫的調(diào)用代碼基本相同。
RPC 起源
RPC 這個(gè)概念術(shù)語在上世紀(jì) 80 年代由 Bruce Jay Nelson 提出。這里我們追溯下當(dāng)初開發(fā) RPC 的原動(dòng)機(jī)是什么?在 Nelson 的論文 "Implementing Remote Procedure Calls" 中他提到了幾點(diǎn):
\1. 簡(jiǎn)單:RPC 概念的語義十分清晰和簡(jiǎn)單,這樣建立分布式計(jì)算就更容易。
\2. 高效:過程調(diào)用看起來十分簡(jiǎn)單而且高效。
\3. 通用:在單機(jī)計(jì)算中過程往往是不同算法部分間最重要的通信機(jī)制。
通俗一點(diǎn)說,就是一般程序員對(duì)于本地的過程調(diào)用很熟悉,那么我們把 RPC 作成和本地調(diào)用完全類似,那么就更容易被接受,使用起來毫無障礙。Nelson 的論文發(fā)表于 30 年前,其觀點(diǎn)今天看來確實(shí)高瞻遠(yuǎn)矚,今天我們使用的 RPC 框架基本就是按這個(gè)目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。
RPC 結(jié)構(gòu)
Nelson 的論文中指出實(shí)現(xiàn) RPC 的程序包括 5 個(gè)部分:
\1. User
\2. User-stub
\3. RPCRuntime
\4. Server-stub
\5. Server
這 5 個(gè)部分的關(guān)系如下圖所示
這里 user 就是 client 端,當(dāng) user 想發(fā)起一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí),它實(shí)際是通過本地調(diào)用 user-stub。user-stub 負(fù)責(zé)將調(diào)用的接口、方法和參數(shù)通過約定的協(xié)議規(guī)范進(jìn)行編碼并通過本地的 RPCRuntime 實(shí)例傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的實(shí)例。遠(yuǎn)端 RPCRuntime 實(shí)例收到請(qǐng)求后交給 server-stub 進(jìn)行解碼后發(fā)起本地端調(diào)用,調(diào)用結(jié)果再返回給 user 端。
RPC 實(shí)現(xiàn)
Nelson 論文中給出的這個(gè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)也成為后來大家參考的標(biāo)準(zhǔn)范本。大約 10 年前,我最早接觸分布式計(jì)算時(shí)使用的 CORBAR 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基本與此類似。CORBAR 為了解決異構(gòu)平臺(tái)的 RPC,使用了 IDL(Interface Definition Language)來定義遠(yuǎn)程接口,并將其映射到特定的平臺(tái)語言中。后來大部分的跨語言平臺(tái) RPC 基本都采用了此類方式,比如我們熟悉的 Web Service(SOAP),近年開源的 Thrift 等。他們大部分都通過 IDL 定義,并提供工具來映射生成不同語言平臺(tái)的 user-stub 和 server-stub,并通過框架庫(kù)來提供 RPCRuntime 的支持。不過貌似每個(gè)不同的 RPC 框架都定義了各自不同的 IDL 格式,導(dǎo)致程序員的學(xué)習(xí)成本進(jìn)一步上升(苦逼啊),Web Service 嘗試建立業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),無賴標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范復(fù)雜而效率偏低,否則 Thrift 等更高效的 RPC 框架就沒必要出現(xiàn)了。
IDL 是為了跨平臺(tái)語言實(shí)現(xiàn) RPC 不得已的選擇,要解決更廣泛的問題自然導(dǎo)致了更復(fù)雜的方案。而對(duì)于同一平臺(tái)內(nèi)的 RPC 而言顯然沒必要搞個(gè)中間語言出來,例如 java 原生的 RMI,這樣對(duì)于 java 程序員而言顯得更直接簡(jiǎn)單,降低使用的學(xué)習(xí)成本。目前市面上提供的 RPC 框架已經(jīng)可算是五花八門,百家爭(zhēng)鳴了。需要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景謹(jǐn)慎選型,需要考慮的選型因素我覺得至少包括下面幾點(diǎn):
\1. 性能指標(biāo)
\2. 是否需要跨語言平臺(tái)
\3. 內(nèi)網(wǎng)開放還是公網(wǎng)開放
\4. 開源 RPC 框架本身的質(zhì)量、社區(qū)活躍度
2.細(xì)節(jié)
RPC 功能目標(biāo)
RPC 的主要功能目標(biāo)是讓構(gòu)建分布式計(jì)算(應(yīng)用)更容易,在提供強(qiáng)大的遠(yuǎn)程調(diào)用能力時(shí)不損失本地調(diào)用的語義簡(jiǎn)潔性。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),RPC 框架需提供一種透明調(diào)用機(jī)制讓使用者不必顯式的區(qū)分本地調(diào)用和遠(yuǎn)程調(diào)用,在前文《淺出篇》中給出了一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),基于 stub 的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。下面我們將具體細(xì)化 stub 結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。
RPC 調(diào)用分類
RPC 調(diào)用分以下兩種:
-
同步調(diào)用
客戶方等待調(diào)用執(zhí)行完成并返回結(jié)果。
-
異步調(diào)用
客戶方調(diào)用后不用等待執(zhí)行結(jié)果返回,但依然可以通過回調(diào)通知等方式獲取返回結(jié)果。
若客戶方不關(guān)心調(diào)用返回結(jié)果,則變成單向異步調(diào)用,單向調(diào)用不用返回結(jié)果。
異步和同步的區(qū)分在于是否等待服務(wù)端執(zhí)行完成并返回結(jié)果。
RPC 結(jié)構(gòu)拆解
《淺出篇》給出了一個(gè)比較粗粒度的 RPC 實(shí)現(xiàn)概念結(jié)構(gòu),這里我們進(jìn)一步細(xì)化它應(yīng)該由哪些組件構(gòu)成,如下圖所示。
RPC 服務(wù)方通過 RpcServer
去導(dǎo)出(export)遠(yuǎn)程接口方法,而客戶方通過 RpcClient
去引入(import)遠(yuǎn)程接口方法。客戶方像調(diào)用本地方法一樣去調(diào)用遠(yuǎn)程接口方法,RPC 框架提供接口的代理實(shí)現(xiàn),實(shí)際的調(diào)用將委托給代理RpcProxy
。代理封裝調(diào)用信息并將調(diào)用轉(zhuǎn)交給RpcInvoker
去實(shí)際執(zhí)行。在客戶端的RpcInvoker
通過連接器RpcConnector
去維持與服務(wù)端的通道RpcChannel
,并使用RpcProtocol
執(zhí)行協(xié)議編碼(encode)并將編碼后的請(qǐng)求消息通過通道發(fā)送給服務(wù)方。
RPC 服務(wù)端接收器 RpcAcceptor
接收客戶端的調(diào)用請(qǐng)求,同樣使用RpcProtocol
執(zhí)行協(xié)議解碼(decode)。解碼后的調(diào)用信息傳遞給RpcProcessor
去控制處理調(diào)用過程,最后再委托調(diào)用給RpcInvoker
去實(shí)際執(zhí)行并返回調(diào)用結(jié)果。
RPC 組件職責(zé)
上面我們進(jìn)一步拆解了 RPC 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的各個(gè)組件組成部分,下面我們?cè)敿?xì)說明下每個(gè)組件的職責(zé)劃分。
1. RpcServer
負(fù)責(zé)導(dǎo)出(export)遠(yuǎn)程接口
2. RpcClient
負(fù)責(zé)導(dǎo)入(import)遠(yuǎn)程接口的代理實(shí)現(xiàn)
3. RpcProxy
遠(yuǎn)程接口的代理實(shí)現(xiàn)
4. RpcInvoker
客戶方實(shí)現(xiàn):負(fù)責(zé)編碼調(diào)用信息和發(fā)送調(diào)用請(qǐng)求到服務(wù)方并等待調(diào)用結(jié)果返回
服務(wù)方實(shí)現(xiàn):負(fù)責(zé)調(diào)用服務(wù)端接口的具體實(shí)現(xiàn)并返回調(diào)用結(jié)果
5. RpcProtocol
負(fù)責(zé)協(xié)議編/解碼
6. RpcConnector
負(fù)責(zé)維持客戶方和服務(wù)方的連接通道和發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)方
7. RpcAcceptor
負(fù)責(zé)接收客戶方請(qǐng)求并返回請(qǐng)求結(jié)果
8. RpcProcessor
負(fù)責(zé)在服務(wù)方控制調(diào)用過程,包括管理調(diào)用線程池、超時(shí)時(shí)間等
9. RpcChannel
數(shù)據(jù)傳輸通道
RPC 實(shí)現(xiàn)分析
在進(jìn)一步拆解了組件并劃分了職責(zé)之后,這里以在 java 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)該 RPC 框架概念模型為例,詳細(xì)分析下實(shí)現(xiàn)中需要考慮的因素。
導(dǎo)出遠(yuǎn)程接口
導(dǎo)出遠(yuǎn)程接口的意思是指只有導(dǎo)出的接口可以供遠(yuǎn)程調(diào)用,而未導(dǎo)出的接口則不能。在 java 中導(dǎo)出接口的代碼片段可能如下:
DemoService demo = new ...;
RpcServer server = new ...;
server.export(DemoService.class, demo, options);
我們可以導(dǎo)出整個(gè)接口,也可以更細(xì)粒度一點(diǎn)只導(dǎo)出接口中的某些方法,如:
// 只導(dǎo)出 DemoService 中簽名為 hi(String s) 的方法
server.export(DemoService.class, demo, "hi", new Class<?>[] { String.class }, options);
java 中還有一種比較特殊的調(diào)用就是多態(tài),也就是一個(gè)接口可能有多個(gè)實(shí)現(xiàn),那么遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)到底調(diào)用哪個(gè)?這個(gè)本地調(diào)用的語義是通過 jvm 提供的引用多態(tài)性隱式實(shí)現(xiàn)的,那么對(duì)于 RPC 來說跨進(jìn)程的調(diào)用就沒法隱式實(shí)現(xiàn)了。如果前面DemoService
接口有 2 個(gè)實(shí)現(xiàn),那么在導(dǎo)出接口時(shí)就需要特殊標(biāo)記不同的實(shí)現(xiàn),如:
DemoService demo = new ...;
DemoService demo2 = new ...;
RpcServer server = new ...;
server.export(DemoService.class, demo, options);
server.export("demo2", DemoService.class, demo2, options);
上面 demo2 是另一個(gè)實(shí)現(xiàn),我們標(biāo)記為 "demo2" 來導(dǎo)出,那么遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)也需要傳遞該標(biāo)記才能調(diào)用到正確的實(shí)現(xiàn)類,這樣就解決了多態(tài)調(diào)用的語義。
導(dǎo)入遠(yuǎn)程接口與客戶端代理
導(dǎo)入相對(duì)于導(dǎo)出遠(yuǎn)程接口,客戶端代碼為了能夠發(fā)起調(diào)用必須要獲得遠(yuǎn)程接口的方法或過程定義。目前,大部分跨語言平臺(tái) RPC 框架采用根據(jù) IDL 定義通過 code generator 去生成 stub 代碼,這種方式下實(shí)際導(dǎo)入的過程就是通過代碼生成器在編譯期完成的。我所使用過的一些跨語言平臺(tái) RPC 框架如 CORBAR、WebService、ICE、Thrift 均是此類方式。
代碼生成的方式對(duì)跨語言平臺(tái) RPC 框架而言是必然的選擇,而對(duì)于同一語言平臺(tái)的 RPC 則可以通過共享接口定義來實(shí)現(xiàn)。在 java 中導(dǎo)入接口的代碼片段可能如下:
RpcClient client = new ...;
DemoService demo = client.refer(DemoService.class);
demo.hi("how are you?");
在 java 中 'import' 是關(guān)鍵字,所以代碼片段中我們用 refer 來表達(dá)導(dǎo)入接口的意思。這里的導(dǎo)入方式本質(zhì)也是一種代碼生成技術(shù),只不過是在運(yùn)行時(shí)生成,比靜態(tài)編譯期的代碼生成看起來更簡(jiǎn)潔些。java 里至少提供了兩種技術(shù)來提供動(dòng)態(tài)代碼生成,一種是 jdk 動(dòng)態(tài)代理,另外一種是字節(jié)碼生成。動(dòng)態(tài)代理相比字節(jié)碼生成使用起來更方便,但動(dòng)態(tài)代理方式在性能上是要遜色于直接的字節(jié)碼生成的,而字節(jié)碼生成在代碼可讀性上要差很多。兩者權(quán)衡起來,個(gè)人認(rèn)為犧牲一些性能來獲得代碼可讀性和可維護(hù)性顯得更重要。
協(xié)議編解碼
客戶端代理在發(fā)起調(diào)用前需要對(duì)調(diào)用信息進(jìn)行編碼,這就要考慮需要編碼些什么信息并以什么格式傳輸?shù)椒?wù)端才能讓服務(wù)端完成調(diào)用。出于效率考慮,編碼的信息越少越好(傳輸數(shù)據(jù)少),編碼的規(guī)則越簡(jiǎn)單越好(執(zhí)行效率高)。我們先看下需要編碼些什么信息:
-- 調(diào)用編碼 --
1. 接口方法
包括接口名、方法名
2. 方法參數(shù)
包括參數(shù)類型、參數(shù)值
3. 調(diào)用屬性
包括調(diào)用屬性信息,例如調(diào)用附件隱式參數(shù)、調(diào)用超時(shí)時(shí)間等
-- 返回編碼 --
1. 返回結(jié)果
接口方法中定義的返回值
2. 返回碼
異常返回碼
3. 返回異常信息
調(diào)用異常信息
除了以上這些必須的調(diào)用信息,我們可能還需要一些元信息以方便程序編解碼以及未來可能的擴(kuò)展。這樣我們的編碼消息里面就分成了兩部分,一部分是元信息、另一部分是調(diào)用的必要信息。如果設(shè)計(jì)一種 RPC 協(xié)議消息的話,元信息我們把它放在協(xié)議消息頭中,而必要信息放在協(xié)議消息體中。下面給出一種概念上的 RPC 協(xié)議消息設(shè)計(jì)格式:
-- 消息頭 --
magic : 協(xié)議魔數(shù),為解碼設(shè)計(jì)
header size: 協(xié)議頭長(zhǎng)度,為擴(kuò)展設(shè)計(jì)
version : 協(xié)議版本,為兼容設(shè)計(jì)
st : 消息體序列化類型
hb : 心跳消息標(biāo)記,為長(zhǎng)連接傳輸層心跳設(shè)計(jì)
ow : 單向消息標(biāo)記,
rp : 響應(yīng)消息標(biāo)記,不置位默認(rèn)是請(qǐng)求消息
status code: 響應(yīng)消息狀態(tài)碼
reserved : 為字節(jié)對(duì)齊保留
message id : 消息 id
body size : 消息體長(zhǎng)度
-- 消息體 --
采用序列化編碼,常見有以下格式
xml : 如 webservie soap
json : 如 JSON-RPC
binary: 如 thrift; hession; kryo 等
格式確定后編解碼就簡(jiǎn)單了,由于頭長(zhǎng)度一定所以我們比較關(guān)心的就是消息體的序列化方式。序列化我們關(guān)心三個(gè)方面:
\1. 序列化和反序列化的效率,越快越好。
\2. 序列化后的字節(jié)長(zhǎng)度,越小越好。
\3. 序列化和反序列化的兼容性,接口參數(shù)對(duì)象若增加了字段,是否兼容。
上面這三點(diǎn)有時(shí)是魚與熊掌不可兼得,這里面涉及到具體的序列化庫(kù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),就不在本文進(jìn)一步展開分析了。
傳輸服務(wù)
協(xié)議編碼之后,自然就是需要將編碼后的 RPC 請(qǐng)求消息傳輸?shù)椒?wù)方,服務(wù)方執(zhí)行后返回結(jié)果消息或確認(rèn)消息給客戶方。RPC 的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)質(zhì)是一種可靠的請(qǐng)求應(yīng)答消息流,和 HTTP 類似。因此選擇長(zhǎng)連接方式的 TCP 協(xié)議會(huì)更高效,與 HTTP 不同的是在協(xié)議層面我們定義了每個(gè)消息的唯一 id,因此可以更容易的復(fù)用連接。
既然使用長(zhǎng)連接,那么第一個(gè)問題是到底 client 和 server 之間需要多少根連接?實(shí)際上單連接和多連接在使用上沒有區(qū)別,對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量較小的應(yīng)用類型,單連接基本足夠。單連接和多連接最大的區(qū)別在于,每根連接都有自己私有的發(fā)送和接收緩沖區(qū),因此大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)分散在不同的連接緩沖區(qū)會(huì)得到更好的吞吐效率。所以,如果你的數(shù)據(jù)傳輸量不足以讓單連接的緩沖區(qū)一直處于飽和狀態(tài)的話,那么使用多連接并不會(huì)產(chǎn)生任何明顯的提升,反而會(huì)增加連接管理的開銷。
連接是由 client 端發(fā)起建立并維持。如果 client 和 server 之間是直連的,那么連接一般不會(huì)中斷(當(dāng)然物理鏈路故障除外)。如果 client 和 server 連接經(jīng)過一些負(fù)載中轉(zhuǎn)設(shè)備,有可能連接一段時(shí)間不活躍時(shí)會(huì)被這些中間設(shè)備中斷。為了保持連接有必要定時(shí)為每個(gè)連接發(fā)送心跳數(shù)據(jù)以維持連接不中斷。心跳消息是 RPC 框架庫(kù)使用的內(nèi)部消息,在前文協(xié)議頭結(jié)構(gòu)中也有一個(gè)專門的心跳位,就是用來標(biāo)記心跳消息的,它對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用透明。
執(zhí)行調(diào)用
client stub 所做的事情僅僅是編碼消息并傳輸給服務(wù)方,而真正調(diào)用過程發(fā)生在服務(wù)方。server stub 從前文的結(jié)構(gòu)拆解中我們細(xì)分了 RpcProcessor
和 RpcInvoker
兩個(gè)組件,一個(gè)負(fù)責(zé)控制調(diào)用過程,一個(gè)負(fù)責(zé)真正調(diào)用。這里我們還是以 java 中實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)組件為例來分析下它們到底需要做什么?
java 中實(shí)現(xiàn)代碼的動(dòng)態(tài)接口調(diào)用目前一般通過反射調(diào)用。除了原生的 jdk 自帶的反射,一些第三方庫(kù)也提供了性能更優(yōu)的反射調(diào)用,因此 RpcInvoker
就是封裝了反射調(diào)用的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
調(diào)用過程的控制需要考慮哪些因素,RpcProcessor
需要提供什么樣地調(diào)用控制服務(wù)呢?下面提出幾點(diǎn)以啟發(fā)思考:
1. 效率提升
每個(gè)請(qǐng)求應(yīng)該盡快被執(zhí)行,因此我們不能每請(qǐng)求來再創(chuàng)建線程去執(zhí)行,需要提供線程池服務(wù)。
2. 資源隔離
當(dāng)我們導(dǎo)出多個(gè)遠(yuǎn)程接口時(shí),如何避免單一接口調(diào)用占據(jù)所有線程資源,而引發(fā)其他接口執(zhí)行阻塞。
3. 超時(shí)控制
當(dāng)某個(gè)接口執(zhí)行緩慢,而 client 端已經(jīng)超時(shí)放棄等待后,server 端的線程繼續(xù)執(zhí)行此時(shí)顯得毫無意義。
RPC 異常處理
無論 RPC 怎樣努力把遠(yuǎn)程調(diào)用偽裝的像本地調(diào)用,但它們依然有很大的不同點(diǎn),而且有一些異常情況是在本地調(diào)用時(shí)絕對(duì)不會(huì)碰到的。在說異常處理之前,我們先比較下本地調(diào)用和 RPC 調(diào)用的一些差異:
\1. 本地調(diào)用一定會(huì)執(zhí)行,而遠(yuǎn)程調(diào)用則不一定,調(diào)用消息可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因并未發(fā)送到服務(wù)方。
\2. 本地調(diào)用只會(huì)拋出接口聲明的異常,而遠(yuǎn)程調(diào)用還會(huì)跑出 RPC 框架運(yùn)行時(shí)的其他異常。
\3. 本地調(diào)用和遠(yuǎn)程調(diào)用的性能可能差距很大,這取決于 RPC 固有消耗所占的比重。
正是這些區(qū)別決定了使用 RPC 時(shí)需要更多考量。當(dāng)調(diào)用遠(yuǎn)程接口拋出異常時(shí),異常可能是一個(gè)業(yè)務(wù)異常,也可能是 RPC 框架拋出的運(yùn)行時(shí)異常(如:網(wǎng)絡(luò)中斷等)。業(yè)務(wù)異常表明服務(wù)方已經(jīng)執(zhí)行了調(diào)用,可能因?yàn)槟承┰驅(qū)е挛茨苷?zhí)行,而 RPC 運(yùn)行時(shí)異常則有可能服務(wù)方根本沒有執(zhí)行,對(duì)調(diào)用方而言的異常處理策略自然需要區(qū)分。
由于 RPC 固有的消耗相對(duì)本地調(diào)用高出幾個(gè)數(shù)量級(jí),本地調(diào)用的固有消耗是納秒級(jí),而 RPC 的固有消耗是在毫秒級(jí)。那么對(duì)于過于輕量的計(jì)算任務(wù)就并不合適導(dǎo)出遠(yuǎn)程接口由獨(dú)立的進(jìn)程提供服務(wù),只有花在計(jì)算任務(wù)上時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 RPC 的固有消耗才值得導(dǎo)出為遠(yuǎn)程接口提供服務(wù)。
總結(jié)
至此我們提出了一個(gè) RPC 實(shí)現(xiàn)的概念框架,并詳細(xì)分析了需要考慮的一些實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。無論 RPC 的概念是如何優(yōu)雅,但是“草叢中依然有幾條蛇隱藏著”,只有深刻理解了 RPC 的本質(zhì),才能更好地應(yīng)用。