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原文地址:http://blog.csdn.net/mindfloating/article/details/39474123
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,但有些對其原理也不甚了了。缺乏對原理層面的理解,往往也會造成開發(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 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)用另一個地址空間(通常是共享網(wǎng)絡(luò)的另一臺機(jī)器上)的過程或函數(shù),而不用程序員顯式編碼這個遠(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 這個概念術(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 的原動機(jī)是什么?在 Nelson 的論文"Implementing Remote Procedure Calls"中他提到了幾點(diǎn):
1. 簡單:RPC 概念的語義十分清晰和簡單,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目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。
Nelson 的論文中指出實(shí)現(xiàn) RPC 的程序包括 5 個部分:
1. User
2. User-stub
3. RPCRuntime
4. Server-stub
5. Server
這 5 個部分的關(guān)系如下圖所示
這里 user 就是 client 端,當(dāng) user 想發(fā)起一個遠(yuǎn)程調(diào)用時,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。
Nelson 論文中給出的這個實(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語言中。后來大部分的跨語言平臺 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的 user-stub 和 server-stub,并通過框架庫來提供 RPCRuntime 的支持。不過貌似每個不同的 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。而對于同一平臺內(nèi)的 RPC 而言顯然沒必要搞個中間語言出來,例如Java原生的 RMI,這樣對于 java 程序員而言顯得更直接簡單,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,百家爭鳴了。需要根據(jù)實(shí)際使用場景謹(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
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
《淺出篇》大概就到這里結(jié)束了,《深入篇》會具體深入講解一個 RPC 框架需要實(shí)現(xiàn)哪里基本功能,達(dá)到什么目標(biāo),并以在 java 平臺上去具體實(shí)現(xiàn)一個 RPC 框架為例,分析其需要考慮的實(shí)現(xiàn)因素。
《深入篇》我們主要圍繞 RPC 的功能目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)考量去展開,一個基本的 RPC 框架應(yīng)該提供什么功能,滿足什么要求以及如何去實(shí)現(xiàn)它?
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)用能力時不損失本地調(diào)用的語義簡潔性。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)用分以下兩種:
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1.?同步調(diào)用??
???客戶方等待調(diào)用執(zhí)行完成并返回結(jié)果。??
2.?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。
《淺出篇》給出了一個比較粗粒度的 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。
上面我們進(jìn)一步拆解了 RPC 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的各個組件組成部分,下面我們詳細(xì)說明下每個組件的職責(zé)劃分。
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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)接收客戶方請求并返回請求結(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、超時時間等??
9.?RpcChannel??
???數(shù)據(jù)傳輸通道??
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:
[java]view plaincopy
DemoService?demo???=?new?...;??
RpcServer???server?=new?...;??
server.export(DemoService.class,?demo,?options);??
我們可以導(dǎo)出整個接口,也可以更細(xì)粒度一點(diǎn)只導(dǎo)出接口中的某些方法,如:
[java]view plaincopy
//?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),也就是一個接口可能有多個實(shí)現(xiàn),那么遠(yuǎn)程調(diào)用時到底調(diào)用哪個?這個本地調(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 個實(shí)現(xiàn),那么在導(dǎo)出接口時就需要特殊標(biāo)記不同的實(shí)現(xiàn),如:
[java]view plaincopy
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 是另一個實(shí)現(xiàn),我們標(biāo)記為 "demo2" 來導(dǎo)出,那么遠(yuǎn)程調(diào)用時也需要傳遞該標(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)入相對于導(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
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 RPC 框架如
CORBAR、WebService、ICE、Thrift 均是此類方式。
代碼生成的方式對跨語言平臺 RPC 框架而言是必然的選擇,而對于同一語言平臺的 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:
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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)行時生成,比靜態(tài)編譯期的代碼生成看起來更簡潔些。java
里至少提供了兩種技術(shù)來提供動態(tài)代碼生成,一種是 jdk
動態(tài)代理,另外一種是字節(jié)碼生成。動態(tài)代理相比字節(jié)碼生成使用起來更方便,但動態(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。
客戶端代理在發(fā)起調(diào)用前需要對調(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)則越簡單越好(執(zhí)行效率高)。我們先看下需要編碼些什么信息:
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--?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)用超時時間等??
--?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:
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--?消息頭?--??
magic??????:?協(xié)議魔數(shù),為解碼設(shè)計(jì)??
header?size:?協(xié)議頭長度,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)是請求消息??
status?code:?響應(yīng)消息狀態(tài)碼??
reserved???:?為字節(jié)對齊保留??
message?id?:?消息?id??
body?size??:?消息體長度??
--?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單了,由于頭長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)長度,越小越好。
3. 序列化和反序列化的兼容性,接口參數(shù)對象若增加了字段,是否兼容。
上面這三點(diǎn)有時是魚與熊掌不可兼得,這里面涉及到具體的序列化庫實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),就不在本文進(jìn)一步展開分析了。
協(xié)議編碼之后,自然就是需要將編碼后的
RPC 請求消息傳輸?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)用場景實(shí)質(zhì)是一種可靠的請求應(yīng)答消息流,和 HTTP
類似。因此選擇長連接方式的 TCP 協(xié)議會更高效,與 HTTP 不同的是在協(xié)議層面我們定義了每個消息的唯一 id,因此可以更容易的復(fù)用連接。
既然使用長連接,那么第一個問題是到底
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)量傳輸時分散在不同的連接緩沖區(qū)會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產(chǎn)生任何明顯的提升,反而會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,有可能連接一段時間不活躍時會被這些中間設(shè)備中斷。為了保持連接有必要定時為每個連接發(fā)送心跳數(shù)據(jù)以維持連接不中斷。心跳消息是
RPC 框架庫使用的內(nèi)部消息,在前文協(xié)議頭結(jié)構(gòu)中也有一個專門的心跳位,就是用來標(biāo)記心跳消息的,它對業(yè)務(wù)應(yīng)用透明。
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兩個組件,一個負(fù)責(zé)控制調(diào)用過程,一個負(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:
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1.?效率提升??
???每個請求應(yīng)該盡快被執(zhí)行,因此我們不能每請求來再創(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)出多個遠(yuǎn)程接口時,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.?超時控制??
???當(dāng)某個接口執(zhí)行緩慢,而?client?端已經(jīng)超時放棄等待后,server?端的線程繼續(xù)執(zhí)行此時顯得毫無意義。??
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)用時絕對不會碰到的。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)用只會拋出接口聲明的異常,而遠(yuǎn)程調(diào)用還會跑出 RPC 框架運(yùn)行時的其他異常。
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 時需要更多考量。當(dāng)調(diào)用遠(yuǎn)程接口拋出異常時,異常可能是一個業(yè)務(wù)異常,也可能是 RPC 框架拋出的運(yùn)行時異常(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)行時異常則有可能服務(wù)方根本沒有執(zhí)行,對調(diào)用方而言的異常處理策略自然需要區(qū)分。
由于 RPC
固有的消耗相對本地調(diào)用高出幾個數(shù)量級,本地調(diào)用的固有消耗是納秒級,而 RPC
的固有消耗是在毫秒級。那么對于過于輕量的計(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)。
至此我們提出了一個 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。