一文吃透Go的內(nèi)置RPC原理

更新時(shí)間：2023年03月03日 08:43:56 作者：捉蟲大師

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Go語言中內(nèi)置RPC的原理。說起?RPC?大家想到的一般是框架，Go?作為編程語言竟然還內(nèi)置了?RPC，著實(shí)讓我有些吃鯨，本文就來一起聊聊吧

從一個(gè) Demo 入手

為了快速進(jìn)入狀態(tài)，我們先搞一個(gè) Demo，當(dāng)然這個(gè) Demo 是參考 Go 源碼 src/net/rpc/server.go，做了一丟丟的修改。

首先定義請(qǐng)求的入?yún)⒑统鰠ⅲ?/p>

package common

type Args struct {
	A, B int
}

type Quotient struct {
	Quo, Rem int
}

接著在定義一個(gè)對(duì)象，并給這個(gè)對(duì)象寫兩個(gè)方法

type Arith struct{}

func (t *Arith) Multiply(args *common.Args, reply *int) error {
	*reply = args.A * args.B
	return nil
}

func (t *Arith) Divide(args *common.Args, quo *common.Quotient) error {
	if args.B == 0 {
		return errors.New("divide by zero")
	}
	quo.Quo = args.A / args.B
	quo.Rem = args.A % args.B
	return nil
}

然后起一個(gè) RPC server：

func main() {
	arith := new(Arith)
	rpc.Register(arith)
	rpc.HandleHTTP()
	l, e := net.Listen("tcp", ":9876")
	if e != nil {
		panic(e)
	}

	go http.Serve(l, nil)

	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1)
	wg.Wait()
}

最后初始化 RPC Client，并發(fā)起調(diào)用：

func main() {
	client, err := rpc.DialHTTP("tcp", "127.0.0.1:9876")
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	args := common.Args{A: 7, B: 8}
	var reply int
  // 同步調(diào)用
	err = client.Call("Arith.Multiply", &args, &reply)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	fmt.Printf("Call Arith: %d * %d = %d\n", args.A, args.B, reply)

  // 異步調(diào)用
	quotient := new(common.Quotient)
	divCall := client.Go("Arith.Divide", args, quotient, nil)
	replyCall := <-divCall.Done

	fmt.Printf("Go Divide: %d divide %d = %+v %+v\n", args.A, args.B, replyCall.Reply, quotient)
}

如果不出意外，RPC 調(diào)用成功

這 RPC 嗎

在剖析原理之前，我們先想想什么是 RPC？

RPC 是 Remote Procedure Call 的縮寫，一般翻譯為遠(yuǎn)程過程調(diào)用，不過我覺得這個(gè)翻譯有點(diǎn)難懂，啥叫過程？如果查一下 Procedure，就能發(fā)現(xiàn)它就是應(yīng)用程序的意思。

所以翻譯過來應(yīng)該是調(diào)用遠(yuǎn)程程序，說人話就是調(diào)用的方法不在本地，不能通過內(nèi)存尋址找到，只能通過遠(yuǎn)程通信來調(diào)用。

一般來說 RPC 框架存在的意義是讓你調(diào)用遠(yuǎn)程方法像調(diào)用本地方法一樣方便，也就是將復(fù)雜的編解碼、通信過程都封裝起來，讓代碼寫起來更簡單。

說到這里其實(shí)我想吐槽一下，網(wǎng)上經(jīng)常有文章說，既然有 Http，為什么還要有 RPC？如果你理解 RPC，我相信你不會(huì)問出這樣的問題，他們是兩個(gè)維度的東西，RPC 關(guān)注的是遠(yuǎn)程調(diào)用的封裝，Http 是一種協(xié)議，RPC 沒有規(guī)定通信協(xié)議，RPC 也可以使用 Http，這不矛盾。這種問法就好像在問既然有了蘋果手機(jī)，為什么還要有中國移動(dòng)？

扯遠(yuǎn)了，我們回頭看一下上述的例子是否符合我們對(duì) RPC 的定義。

首先是遠(yuǎn)程調(diào)用，我們是開了一個(gè) Server，監(jiān)聽了9876端口，然后 Client 與之通信，將這兩個(gè)程序部署在兩臺(tái)機(jī)器上，只要網(wǎng)絡(luò)是通的，照樣可以正常工作
其次它符合調(diào)用遠(yuǎn)程方法像調(diào)用本地方法一樣方便，代碼中沒有處理編解碼，也沒有處理通信，只不過方法名以參數(shù)的形式傳入，和一般的 RPC 稍有不同，倒是很像 Dubbo 的泛化調(diào)用

綜上兩點(diǎn)，這很 RPC。

下面我將用兩段內(nèi)容分別剖析 Go 內(nèi)置的 RPC Server 與 Client 的原理，來看看 Go 是如何實(shí)現(xiàn)一個(gè) RPC 的。

RPC Server 原理

注冊(cè)服務(wù)

這里的服務(wù)指的是一個(gè)具有公開方法的對(duì)象，比如上面 Demo 中的 Arith，只需要調(diào)用 Register 就能注冊(cè)

rpc.Register(arith)

注冊(cè)完成了以下動(dòng)作：

利用反射獲取這個(gè)對(duì)象的類型、類名、值、以及公開方法
將其包裝為 service 對(duì)象，并存在 server 的 serviceMap 中，serviceMap 的 key 默認(rèn)為類名，比如這里是Arith，也可以調(diào)用另一個(gè)注冊(cè)方法 RegisterName 來自定義名稱

注冊(cè) Http Handle

這里你可能會(huì)問，為啥 RPC 要注冊(cè) Http Handle。沒錯(cuò)，Go 內(nèi)置的 RPC 通信是基于 Http 協(xié)議的，所以需要注冊(cè)。只需要一行代碼：

rpc.HandleHTTP()

它調(diào)用的是 Http 的 Handle 方法，也就是 HandleFunc 的底層實(shí)現(xiàn)，這塊如果不清楚，可以看我之前的文章《一文讀懂 Go Http Server 原理》。

它注冊(cè)了兩個(gè)特殊的 Path：/_goRPC_ 和 /debug/rpc，其中有一個(gè)是 Debug 專用，當(dāng)然也可以自定義。

邏輯處理

注冊(cè)時(shí)傳入了 RPC 的 server 對(duì)象，這個(gè)對(duì)象必須實(shí)現(xiàn) Handler 的 ServeHTTP 接口，也就是 RPC 的處理邏輯入口在這個(gè) ServeHTTP 中：

type Handler interface {
	ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}

我們看 RPC Server 是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口的：

// ServeHTTP implements an http.Handler that answers RPC requests.
func (server *Server) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	// ①
  if req.Method != "CONNECT" {
		w.Header().Set("Content-Type", "text/plain; charset=utf-8")
		w.WriteHeader(http.StatusMethodNotAllowed)
		io.WriteString(w, "405 must CONNECT\n")
		return
	}
  // ②
	conn, _, err := w.(http.Hijacker).Hijack()
	if err != nil {
		log.Print("rpc hijacking ", req.RemoteAddr, ": ", err.Error())
		return
	}
  // ③
	io.WriteString(conn, "HTTP/1.0 "+connected+"\n\n")
	// ④
	server.ServeConn(conn)
}

我對(duì)這段代碼標(biāo)了號(hào)，逐一看：

①：限制了請(qǐng)求的 Method 必須是 CONNECT，如果不是則直接返回錯(cuò)誤，這么做是為什么？看下 Method 字段的注釋就恍然大悟：Go 的 Http Client 是發(fā)不出 CONNECT 的請(qǐng)求，也就是 RPC 的 Server 是沒辦法通過 Go 的 Http Client 訪問，限制必須得使用 RPC Client

type Request struct {
	// Method specifies the HTTP method (GET, POST, PUT, etc.).
	// For client requests, an empty string means GET.
	//
	// Go's HTTP client does not support sending a request with
	// the CONNECT method. See the documentation on Transport for
	// details.
	Method string
}

②：Hijack 是劫持 Http 的連接，劫持后需要手動(dòng)處理連接的關(guān)閉，這個(gè)操作是為了復(fù)用連接

③：先寫一行響應(yīng)：

"HTTP/1.0 200 Connected to Go RPC \n\n"

④：開始真正的處理，這里段比較長，大致做了如下幾點(diǎn)事情：

準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)、編解碼器

在一個(gè)大循環(huán)里處理每一個(gè)請(qǐng)求，處理流程是：

讀出請(qǐng)求，包括要調(diào)用的service，參數(shù)等
通過反射異步地調(diào)用對(duì)應(yīng)的方法
將執(zhí)行結(jié)果編碼寫回連接

說到這里，代碼中有個(gè)對(duì)象池的設(shè)計(jì)挺巧妙，這里展開說說。

在高并發(fā)下，Server 端的 Request 對(duì)象和 Response 對(duì)象會(huì)頻繁地創(chuàng)建，這里用了隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)了對(duì)象池。以 Request 對(duì)象池做個(gè)介紹，在 Server 對(duì)象中有一個(gè) Request 指針，Request 中有個(gè) next 指針

type Server struct {
	...
	freeReq    *Request
	..
}

type Request struct {
	ServiceMethod string 
	Seq           uint64
	next          *Request
}

在讀取請(qǐng)求時(shí)需要這個(gè)對(duì)象，如果池中沒有對(duì)象，則 new 一個(gè)出來，有的話就拿到，并將 Server 中的指針指向 next：

func (server *Server) getRequest() *Request {
	server.reqLock.Lock()
	req := server.freeReq
	if req == nil {
		req = new(Request)
	} else {
		server.freeReq = req.next
		*req = Request{}
	}
	server.reqLock.Unlock()
	return req
}

請(qǐng)求處理完成時(shí)，釋放這個(gè)對(duì)象，插入到鏈表的頭部

func (server *Server) freeRequest(req *Request) {
	server.reqLock.Lock()
	req.next = server.freeReq
	server.freeReq = req
	server.reqLock.Unlock()
}

畫個(gè)圖整體感受下：

回到正題，Client 和 Server 之間只有一條連接，如果是異步執(zhí)行，怎么保證返回的數(shù)據(jù)是正確的呢？這里先不說，如果一次性說完了，下一節(jié)的 Client 就沒啥可說的了，你說是吧？

RPC Client 原理

Client 使用第一步是 New 一個(gè) Client 對(duì)象，在這一步，它偷偷起了一個(gè)協(xié)程，干什么呢？用來讀取 Server 端的返回，這也是 Go 慣用的伎倆。

每一次 Client 的調(diào)用都被封裝為一個(gè) Call 對(duì)象，包含了調(diào)用的方法、參數(shù)、響應(yīng)、錯(cuò)誤、是否完成。

同時(shí) Client 對(duì)象有一個(gè) pending map，key 為請(qǐng)求的遞增序號(hào)，當(dāng) Client 發(fā)起調(diào)用時(shí)，將序號(hào)自增，并把當(dāng)前的 Call 對(duì)象放到 pending map 中，然后再向連接寫入請(qǐng)求。

寫入的請(qǐng)求先后分別為 Request 和參數(shù)，可以理解為 header 和 body，其中 Request 就包含了 Client 的請(qǐng)求自增序號(hào)。

Server 端響應(yīng)時(shí)把這個(gè)序號(hào)帶回去，Client 接收響應(yīng)時(shí)讀出返回?cái)?shù)據(jù)，再去 pending map 里找到對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求，通知給對(duì)應(yīng)的阻塞協(xié)程。

這不就能把請(qǐng)求和響應(yīng)串到一起了嗎？這一招很多 RPC 框架也是這么玩的。

Client 、Server 流程都走完，但我們忽略了編解碼細(xì)節(jié)，Go RPC 默認(rèn)使用 gob 編解碼器，這里也稍微介紹下 gob。

gob 編解碼

gob 是 Go 實(shí)現(xiàn)的一個(gè) Go 親和的協(xié)議，可以簡單理解這個(gè)協(xié)議只能在 Go 中用。Go Client RPC 對(duì)編解碼接口的定義如下：

type ClientCodec interface {
	WriteRequest(*Request, interface{}) error
	ReadResponseHeader(*Response) error
	ReadResponseBody(interface{}) error

	Close() error
}

同理，Server 端也有一個(gè)定義：

type ServerCodec interface {
	ReadRequestHeader(*Request) error
	ReadRequestBody(interface{}) error
	WriteResponse(*Response, interface{}) error
  
	Close() error
}

gob 是其一個(gè)實(shí)現(xiàn)，這里只看 Client：

func (c *gobClientCodec) WriteRequest(r *Request, body interface{}) (err error) {
	if err = c.enc.Encode(r); err != nil {
		return
	}
	if err = c.enc.Encode(body); err != nil {
		return
	}
	return c.encBuf.Flush()
}

func (c *gobClientCodec) ReadResponseHeader(r *Response) error {
	return c.dec.Decode(r)
}

func (c *gobClientCodec) ReadResponseBody(body interface{}) error {
	return c.dec.Decode(body)
}

追蹤到底層就是 Encoder 的 EncodeValue 和 DecodeValue 方法，Encode 的細(xì)節(jié)我不打算寫，因?yàn)槲乙膊幌肟催@一塊，最終結(jié)果就是把結(jié)構(gòu)體編碼成了二進(jìn)制數(shù)據(jù)，調(diào)用 writeMessage。