【golang微服务】RPC原理与Go RPC

本文介绍了RPC的概念以及Go语言中标准库rpc的基本使用。

什么是RPC

RPC（Remote Procedure Call），即远程过程调用。它允许像调用本地服务一样调用远程服务。

RPC是一种服务器-客户端（Client/Server）模式，经典实现是一个通过发送请求-接受回应进行信息交互的系统。

首先与RPC（远程过程调用）相对应的是本地调用。

本地调用

package main

import "fmt"

func add(x, y int)int{
    return x + y
}

func main(){
    // 调用本地函数add
    a := 10
    b := 20
    ret := add(x, y)
    fmt.Println(ret)
}

将上述程序编译成二进制文件——app1后运行，会输出结果30。

在app1程序中本地调用add函数的执行流程，可以理解为以下四个步骤。

将变量 a 和 b 的值分别压入堆栈上
执行 add 函数，从堆栈中获取 a 和 b 的值，并将它们分配给 x 和 y
计算 x + y 的值并将其保存到堆栈中
退出 add 函数并将 x + y 的值赋给 ret

RPC调用

本地过程调用发生在同一进程中——定义add函数的代码和调用add函数的代码共享同一个内存空间，所以调用能够正常执行。[图片上传失败...(image-fcec6a-1667543799475)]但是我们无法直接在另一个程序——app2中调用add函数，因为它们是两个程序——内存空间是相互隔离的。（app1和app2可能部署在同一台服务器上也可能部署在互联网的不同服务器上。）[图片上传失败...(image-3d129d-1667543799475)]RPC就是为了解决类似远程、跨内存空间、的函数/方法调用的。要实现RPC就需要解决以下三个问题。

如何确定要执行的函数？在本地调用中，函数主体通过函数指针函数指定，然后调用 add 函数，编译器通过函数指针函数自动确定 add 函数在内存中的位置。但是在 RPC 中，调用不能通过函数指针完成，因为它们的内存地址可能完全不同。因此，调用方和被调用方都需要维护一个{ function <-> ID }映射表，以确保调用正确的函数。
如何表达参数？本地过程调用中传递的参数是通过堆栈内存结构实现的，但 RPC 不能直接使用内存传递参数，因此参数或返回值需要在传输期间序列化并转换成字节流，反之亦然。
如何进行网络传输？函数的调用方和被调用方通常是通过网络连接的，也就是说，function ID 和序列化字节流需要通过网络传输，因此，只要能够完成传输，调用方和被调用方就不受某个网络协议的限制。.例如，一些 RPC 框架使用 TCP 协议，一些使用 HTTP。

以往实现跨服务调用的时候，我们会采用RESTful API的方式，被调用方会对外提供一个HTTP接口，调用方按要求发起HTTP请求并接收API接口返回的响应数据。下面的示例是将add函数包装成一个RESTful API。

HTTP调用RESTful API

首先，我们编写一个基于HTTP的server服务，它将接收其他程序发来的HTTP请求，执行特定的程序并将结果返回。

// server/main.go

package main

import (
    "encoding/json"
    "io/ioutil"
    "log"
    "net/http"
)

type addParam struct {
    X int `json:"x"`
    Y int `json:"y"`
}

type addResult struct {
    Code int `json:"code"`
    Data int `json:"data"`
}

func add(x, y int) int {
    return x + y
}

func addHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // 解析参数
    b, _ := ioutil.ReadAll(r.Body)
    var param addParam
    json.Unmarshal(b, ¶m)
    // 业务逻辑
    ret := add(param.X, param.Y)
    // 返回响应
    respBytes , _ := json.Marshal(addResult{Code: 0, Data: ret})
    w.Write(respBytes)
}

func main() {
    http.HandleFunc("/add", addHandler)
    log.Fatal(http.ListenAndServe(":9090", nil))
}

我们编写一个客户端来请求上述HTTP服务，传递x和y两个整数，等待返回结果。

// client/main.go

package main

import (
    "bytes"
    "encoding/json"
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "net/http"
)

type addParam struct {
    X int `json:"x"`
    Y int `json:"y"`
}

type addResult struct {
    Code int `json:"code"`
    Data int `json:"data"`
}

func main() {
    // 通过HTTP请求调用其他服务器上的add服务
    url := "http://127.0.0.1:9090/add"
    param := addParam{
        X: 10,
        Y: 20,
    }
    paramBytes, _ := json.Marshal(param)
    resp, _ := http.Post(url, "application/json", bytes.NewReader(paramBytes))
    defer resp.Body.Close()

    respBytes, _ := ioutil.ReadAll(resp.Body)
    var respData addResult
    json.Unmarshal(respBytes, &respData)
    fmt.Println(respData.Data) // 30
}

这种模式是我们目前比较常见的跨服务或跨语言之间基于RESTful API的服务调用模式。既然使用API调用也能实现类似远程调用的目的，为什么还要用RPC呢？

使用 RPC 的目的是让我们调用远程方法像调用本地方法一样无差别。并且基于RESTful API通常是基于HTTP协议，传输数据采用JSON等文本协议，相较于RPC 直接使用TCP协议，传输数据多采用二进制协议来说，RPC通常相比RESTful API性能会更好。

RESTful API多用于前后端之间的数据传输，而目前微服务架构下各个微服务之间多采用RPC调用。

net/rpc

基础RPC示例

Go语言的 rpc 包提供对通过网络或其他 i/o 连接导出的对象方法的访问，服务器注册一个对象，并把它作为服务对外可见（服务名称就是类型名称）。注册后，对象的导出方法将支持远程访问。服务器可以注册不同类型的多个对象(服务) ，但是不支持注册同一类型的多个对象。

在下面的代码中我们定义一个ServiceA类型，并为其定义了一个可导出的Add方法。

// rpc demo/service.go

package main

type Args struct {
    X, Y int
}

// ServiceA 自定义一个结构体类型
type ServiceA struct{}

// Add 为ServiceA类型增加一个可导出的Add方法
func (s *ServiceA) Add(args *Args, reply *int) error {
    *reply = args.X + args.Y
    return nil
}

通过下面的代码将上面定义的ServiceA类型注册为一个服务，其Add方法就支持RPC调用了。

// rpc demo/server.go

package main

import (
    "log"
    "net"
    "net/http"
    "net/rpc"
)

func main() {
    service := new(ServiceA)
    rpc.Register(service) // 注册RPC服务
    rpc.HandleHTTP()      // 基于HTTP协议
    l, e := net.Listen("tcp", ":9091")
    if e != nil {
        log.Fatal("listen error:", e)
    }
    http.Serve(l, nil)
}

此时，client 端便能看到一个拥有“Add”方法的“ServiceA”服务，想要调用这个服务需要使用下面的代码先连接到server端再执行远程调用。

// rpc demo/client.go

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net/rpc"
)

func main() {
    // 建立HTTP连接
    client, err := rpc.DialHTTP("tcp", "127.0.0.1:9091")
    if err != nil {
        log.Fatal("dialing:", err)
    }

    // 同步调用
    args := &Args{10, 20}
    var reply int
    err = client.Call("ServiceA.Add", args, &reply)
    if err != nil {
        log.Fatal("ServiceA.Add error:", err)
    }
    fmt.Printf("ServiceA.Add: %d+%d=%d\n", args.X, args.Y, reply)

    // 异步调用
    var reply2 int
    divCall := client.Go("ServiceA.Add", args, &reply2, nil)
    replyCall := <-divCall.Done // 接收调用结果
    fmt.Println(replyCall.Error)
    fmt.Println(reply2)
}

执行上述程序，查看 RPC 调用的结果。

先启动 server 端。

go run server.go service.go

再启动 client 端。

go run client.go service.go

会看到如下输出结果。

ServiceA.Add: 10+20=30

30

这个RPC调用过程可以简化如下图所示。[图片上传失败...(image-b40a20-1667543799475)]

基于TCP协议的RPC

当然 rpc 包也支持直接使用 TCP 协议而不使用HTTP协议。

server 端代码修改如下。

// rpc_demo/server2.go

package main

import (
    "log"
    "net"
    "net/rpc"
)

func main() {
    service := new(ServiceA)
    rpc.Register(service) // 注册RPC服务
    l, e := net.Listen("tcp", ":9091")
    if e != nil {
        log.Fatal("listen error:", e)
    }
    for {
        conn, _ := l.Accept()
        rpc.ServeConn(conn)
    }
}

client 端代码修改如下。

// rpc demo/client2.go

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net/rpc"
)

func main() {
    // 建立TCP连接
    client, err := rpc.Dial("tcp", "127.0.0.1:9091")
    if err != nil {
        log.Fatal("dialing:", err)
    }

    // 同步调用
    args := &Args{10, 20}
    var reply int
    err = client.Call("ServiceA.Add", args, &reply)
    if err != nil {
        log.Fatal("ServiceA.Add error:", err)
    }
    fmt.Printf("ServiceA.Add: %d+%d=%d\n", args.X, args.Y, reply)

    // 异步调用
    var reply2 int
    divCall := client.Go("ServiceA.Add", args, &reply2, nil)
    replyCall := <-divCall.Done // 接收调用结果
    fmt.Println(replyCall.Error)
    fmt.Println(reply2)
}

使用JSON协议的RPC

rpc 包默认使用的是 gob 协议对传输数据进行序列化/反序列化，比较有局限性。下面的代码将尝试使用 JSON 协议对传输数据进行序列化与反序列化。

server 端代码修改如下。

// rpc demo/server3.go

package main

import (
    "log"
    "net"
    "net/rpc"
    "net/rpc/jsonrpc"
)

func main() {
    service := new(ServiceA)
    rpc.Register(service) // 注册RPC服务
    l, e := net.Listen("tcp", ":9091")
    if e != nil {
        log.Fatal("listen error:", e)
    }
    for {
        conn, _ := l.Accept()
        // 使用JSON协议
        rpc.ServeCodec(jsonrpc.NewServerCodec(conn))
    }
}

client 端代码修改如下。

// rpc demo/client3.go

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "net/rpc"
    "net/rpc/jsonrpc"
)

func main() {
    // 建立TCP连接
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:9091")
    if err != nil {
        log.Fatal("dialing:", err)
    }
    // 使用JSON协议
    client := rpc.NewClientWithCodec(jsonrpc.NewClientCodec(conn))
    // 同步调用
    args := &Args{10, 20}
    var reply int
    err = client.Call("ServiceA.Add", args, &reply)
    if err != nil {
        log.Fatal("ServiceA.Add error:", err)
    }
    fmt.Printf("ServiceA.Add: %d+%d=%d\n", args.X, args.Y, reply)

    // 异步调用
    var reply2 int
    divCall := client.Go("ServiceA.Add", args, &reply2, nil)
    replyCall := <-divCall.Done // 接收调用结果
    fmt.Println(replyCall.Error)
    fmt.Println(reply2)
}

Python调用RPC

下面的代码演示了如何使用 python client 远程调用上面 Go server中 serviceA的Add方法。

import socket
import json

request = {
    "id": 0,
    "params": [{"x":10, "y":20}],  # 参数要对应上Args结构体
    "method": "ServiceA.Add"
}

client = socket.create_connection(("127.0.0.1", 9091),5)
client.sendall(json.dumps(request).encode())

rsp = client.recv(1024)
rsp = json.loads(rsp.decode())
print(rsp)

RPC原理

RPC 让远程调用就像本地调用一样，其调用过程可拆解为以下步骤。

[图片上传失败...(image-e9bf32-1667543799475)]

① 服务调用方（client）以本地调用方式调用服务；

② client stub接收到调用后负责将方法、参数等组装成能够进行网络传输的消息体；

③ client stub找到服务地址，并将消息发送到服务端；

④ server 端接收到消息；

⑤ server stub收到消息后进行解码；

⑥ server stub根据解码结果调用本地的服务；

⑦ 本地服务执行并将结果返回给server stub；

⑧ server stub将返回结果打包成能够进行网络传输的消息体；

⑨ 按地址将消息发送至调用方；

⑩ client 端接收到消息；

⑪ client stub收到消息并进行解码；

⑫ 调用方得到最终结果。

使用RPC框架的目标是只需要关心第1步和最后1步，中间的其他步骤统统封装起来，让使用者无需关心。例如社区中各式RPC框架（grpc、thrift等）就是为了让RPC调用更方便。