從零開始實現一個分散式RPC框架

小猴子_X發表於2022-02-15

該rpc框架是一個mini版的dubbo。學習rpc之前，建議先了解NIO，Netty和Dubbo等知識。請移步網路程式設計

前言：(借用阿里大佬的一段話)

為什麼要自己寫一個RPC框架，我覺得從個人成長上說，如果一個程式設計師能清楚的瞭解RPC框架所具備的要素，掌握RPC框架中涉及的服務註冊發現、負載均衡、序列化協議、RPC通訊協議、Socket通訊、非同步呼叫、熔斷降級等技術，可以全方位的提升基本素質。雖然也有相關原始碼，但是隻看原始碼容易眼高手低，動手寫一個才是自己真正掌握這門技術的最優路徑。

一.概述

什麼是RPC？

遠端服務呼叫
官方：一種通過網路從遠端計算機程式上請求服務，而不需要了解底層網路技術的思想
通俗一點：客戶端在不知道呼叫細節的情況下，呼叫存在於遠端計算機上的某個物件，就像呼叫本地應用程式中的物件一樣。
市面上常見的rpc框架：dobbo，springCloud，gRPC...

那為什麼要有 RPC，HTTP 不好麼？

因為 RPC 和 HTTP 就不是一個層級的東西，所以嚴格意義上這兩個沒有可比性，也不應該來作比較。
HTTP 只是傳輸協議，協議只是規範了一定的交流格式
RPC 對比的是本地過程呼叫，是用來作為分散式系統之間的通訊，它可以用 HTTP 來傳輸，也可以基於 TCP 自定義協議傳輸。
HTTP 協議比較冗餘，所以 RPC 大多都是基於 TCP 自定義協議，定製化的才是最適合自己的。

專案總體結構

整體架構

接下來，分別解釋上述的過程

二.自定義註解

服務的提供者和消費者公用一個介面，@ServiceExpose是為了暴露服務，放在生產者的某個實現類上；@ServiceReference是為了引用服務，放在消費者的需要注入的屬性上。

Target：指定被修飾的Annotation可以放置的位置(被修飾的目標)
- @Target(ElementType.TYPE) //介面、類
- @Target(ElementType.FIELD) //屬性
- @Target(ElementType.METHOD) //方法
- @Target(ElementType.PARAMETER) //方法引數
- @Target(ElementType.CONSTRUCTOR) //建構函式
- @Target(ElementType.LOCAL_VARIABLE) //區域性變數
- @Target(ElementType.ANNOTATION_TYPE) //註解
- @Target(ElementType.PACKAGE) //包
Retention：定義註解的保留策略
- @Retention(RetentionPolicy.SOURCE) //註解僅存在於原始碼中，在class位元組碼檔案中不包含
- @Retention(RetentionPolicy.CLASS) //預設的保留策略，註解會在class位元組碼檔案中存在，但執行時無法獲得
- @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) //註解會在class位元組碼檔案中存在，在執行時可以通過反射獲取到
Documented：指定被修飾的該Annotation可以被javadoc工具提取成文件
Inherited：指定被修飾的Annotation將具有繼承性

二.啟動配置

主要是載入一些rpc相關的配置類，使用SpringBoot自動裝配。可以使用SPI機制加入一些自定義的類，放到指定資料夾中。

三.rpc介面注入/rpc服務掃描

這裡主要就是通過反射獲得對應註解的屬性/類，進行服務暴露/服務引用。這裡需要關注的是什麼時候進行服務暴露/引用？如下：

客戶端：一般有倆種方案

- 餓漢式：餓漢式是通過實現 Spring 的InitializingBean介面中的 afterPropertiesSet方法，容器通過呼叫 ReferenceBean的 afterPropertiesSet方法時引入服務。(在Spring啟動時，給所有的屬性注入實現類，包含遠端和本地的實現類)
- 懶漢式：只有當這個服務被注入到其他類中時啟動引入流程，也就是說用到了才會開始服務引入。
  - 在應用的Spring IOC 容器重新整理完畢(spring Context初始化)之後，掃描所有的Bean，將Bean中帶有@ServiceExpose/@ServiceReference註解的field獲取到，然後建立field型別的代理物件，建立完成後，將代理物件set給此field。後續就通過該代理物件建立服務端連線，併發起呼叫。(dubbo預設)

服務端：與懶漢式一樣。

那麼怎麼知道Spring IOC重新整理完成，這裡就使用一個Spring提供的監聽器，當Spring IOC重新整理完成，就會觸發監聽器。

四.服務註冊到ZK/從Zk獲得服務

Zookeeper採用節點樹的資料模型，類似linux檔案系統，/，/node1，/node2 比較簡單。不懂Zookeeper請移步：Zookeeper原理

我們採用的是對每個服務名建立一個持久節點，服務註冊時實際上就是在zookeeper中該持久節點下建立了一個臨時節點，該臨時節點儲存了服務的IP、埠、序列化方式等。

客戶端獲取服務時通過獲取持久節點下的臨時節點列表，解析服務地址資料：

客戶端監聽服務變化：

五.生成代理類物件

這裡使用JDK的動態代理，也可以使用cglib或者Javassist(dobbo使用)。

public class ClientProxyFactory {
    /**
     * 獲取代理物件，繫結 invoke 行為
     *
     * @param clazz 介面 class 物件
     * @param <T>   型別
     * @return 代理物件
     */public <T> T getProxyInstance(Class<T> clazz) {
        return (T) Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(), new Class[]{clazz}, new InvocationHandler() {
            final Random random = new Random();

            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                // 第一步：通過服務發現機制選擇一個服務提供者暴露的服務
                String serviceName = clazz.getName();
                final List<ServiceInfo> serviceInfos = serviceDiscovery.listServices(serviceName);
                logger.info("Rpc server instance list: {}", serviceInfos);
                if (CollectionUtils.isEmpty(serviceInfos)) {
                    throw new RpcException("No rpc servers found.");
                }

                // TODO: 這裡模擬負載均衡，從多個服務提供者暴露的服務中隨機挑選一個，後期寫方法實現負載均衡
                final ServiceInfo serviceInfo = serviceInfos.get(random.nextInt(serviceInfos.size()));

                // 第二步：構造 rpc 請求物件
                final RpcRequest rpcRequest = new RpcRequest();
                rpcRequest.setServiceName(serviceName);
                rpcRequest.setMethod(method.getName());
                rpcRequest.setParameterTypes(method.getParameterTypes());
                rpcRequest.setParameters(args);

                // 第三步：編碼請求訊息， TODO: 這裡可以配置多種編碼方式
                byte[] data = messageProtocol.marshallingReqMessage(rpcRequest);

                // 第四步：呼叫 rpc client 開始傳送訊息
                byte[] byteResponse = rpcClient.sendMessage(data, serviceInfo);

                // 第五步：解碼響應訊息
                final RpcResponse rpcResponse = messageProtocol.unmarshallingRespMessage(byteResponse);

                // 第六步：解析返回結果進行處理
                if (rpcResponse.getException() != null) {
                    throw rpcResponse.getException();
                }
                return rpcResponse.getRetValue();
            }
        });
    }
}

六.負載均衡

本實現支援兩種主要負載均衡策略，隨機和輪詢，其中他們都支援帶權重的隨機和輪詢，其實也就是四種策略。

七.Netty通訊

服務端和客戶端基本一樣，這裡只展示服務端的程式碼。代理物件在Spring啟動的時候就生成了，但是沒有呼叫，每一個呼叫(請求)都會生成一個Netty的連線。

public class NettyRpcServer extends RpcServer {
   
    @Override
    public void start() {
        // 建立兩個執行緒組
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 建立服務端的啟動物件
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap()
                    // 設定兩個執行緒組
                    .group(bossGroup, workerGroup)
                    // 設定服務端通道實現型別
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    // 服務端用於接收進來的連線，也就是boosGroup執行緒, 執行緒佇列大小
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                    // child 通道，worker 執行緒處理器
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        // 給 pipeline 管道設定自定義的處理器
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel channel) {
                            ChannelPipeline pipeline = channel.pipeline();
                            pipeline.addLast(new NettyServerHandler());
                        }
                    });

            // 繫結埠號，同步啟動服務
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(port).sync();
            channel = channelFuture.channel();
            // 對關閉通道進行監聽，變為同步
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("server error.", e);
        } finally {
            // 釋放執行緒組資源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

實現具體handler

public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    //當通道就緒就會觸發該方法
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //進行記錄
        logger.info("channel active: {}", ctx);
    }

    //讀取資料實際(這裡我們可以讀取客戶端傳送的訊息)
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, MyDataInfo.MyMessage msg) throws Exception {
        //將資料讀到buffer中
        final ByteBuf msgBuf = (ByteBuf) msg;
        final byte[] reqBytes = new byte[msgBuf.readableBytes()];
        msgBuf.readBytes(reqBytes);
    }

    //資料讀取完畢
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //使用反射獲找到目標方法進行返回
        final byte[] respBytes = requestHandler.handleRequest(reqBytes);
        ctx.writeAndFlush(respBytes);
    }

    //處理異常, 一般是需要關閉通道
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

八.序列化協議

對計算機網路稍微有一點了解的同學都知道，資料在網路中傳輸是二進位制的：01010101010101010，類似這種，只有二進位制資料才能在網路中傳輸。但是在編碼之前我們一般先進行序列化，目的是為了優化傳輸的資料量。因為有的資料太大，需要進行空間優化。

那麼我們來區分一下序列化和編碼：我畫一張圖大家都全明白了

定義一個序列化協議，放入作為一個handler放入pipeline中。

Netty支援多種序列化，比如jdk，Json，ProtoBuf 等，這裡使用ProtoBuf，其序列化後碼流小效能高，非常適合RPC呼叫。接下來看怎麼使用ProtoBuf?

1.編寫需要序列化的類xxx.proto：ProtoBuf有自己的語法規則(自行百度)

2.通過官網提供的protoc.exe生成對應的Java程式碼
3.前面通過工具生成的程式碼（AnimalProto）已經幫我們封裝好了序列化和反序列化的方法，我們只需要呼叫對應方法即可

引入Protobuf的依賴

<dependency>
    <groupId>com.google.protobuf</groupId>
    <artifactId>protobuf-java</artifactId>
    <version>2.4.1</version>
</dependency>

序列化：

/**
 * 呼叫物件構造好的Builder，完成屬性賦值和序列化操作
 * @return
 */
public static byte[] protobufSerializer(){
    AnimalProto.Animal.Builder builder = AnimalProto.Animal.newBuilder();
    builder.setId(1L);
    builder.setName("小豬");
    List<String> actions = new ArrayList<>();
    actions.add("eat");
    actions.add("run");
    builder.addAllActions(actions);
    return builder.build().toByteArray();
}

反序列化：

/**
 * 通過呼叫parseFrom則完成反序列化
 * @param bytes
 * @return
 * @throws InvalidProtocolBufferException
 */
public static Animal deserialize(byte[] bytes) throws Exception {
    AnimalProto.Animal pAnimal = AnimalProto.Animal.parseFrom(bytes);
    Animal animal = new Animal();
    animal.setId(pAnimal.getId());
    animal.setName(pAnimal.getName());
    animal.setActions(pAnimal.getActionsList());
    return animal;
}

測試：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    byte[] bytes = serializer();
    Animal animal = deserialize(bytes);
    System.out.println(animal);
}

以下看到是能正常序列化和反序列化的：