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,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：

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。

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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?？蛻舴较裾{(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。

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，下面我們詳細(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(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：

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：

-- 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

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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(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(shí)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。

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(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(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?？赡苁且粋€(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(gè)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(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。

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