一文搞懂RPC原理

Posted 2021-06-16 漂流小王子日记

RPC原理解析

什么是RPC

RPC(Remote Procedure Call Protocol)——远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。RPC协议假定某些传输协议的存在，如TCP/IP或UDP，为通信程序之间携带信息数据。RPC将原来的本地调用转变为调用远端的服务器上的方法，给系统的处理能力和吞吐量带来了近似于无限制提升的可能。在OSI网络通信模型中，RPC跨域了传输层和应用层。RPC使得开发包括网络分布式多程序在内的应用程序更加容易。

RPC架构

一个完整的RPC架构里面包含了四个核心的组件，分别是Client，Client Stub，Server以及Server Stub，这个Stub可以理解为存根。

客户端(Client)：服务的调用方。
客户端存根(Client Stub)：存放服务端的地址消息，再将客户端的请求参数打包成网络消息，然后通过网络远程发送给服务方。
服务端(Server)：真正的服务提供者。
服务端存根(Server Stub)：接收客户端发送过来的消息，将消息解包，并调用本地的方法。

RPC调用过程

(1) 客户端（client）以本地调用方式（即以接口的方式）调用服务；
(2) 客户端存根（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（将消息体对象序列化为二进制）；
(3) 客户端通过sockets将消息发送到服务端；
(4) 服务端存根( server stub）收到消息后进行解码（将消息对象反序列化）；
(5) 服务端存根( server stub）根据解码结果调用本地的服务；
(6) 本地服务执行并将结果返回给服务端存根( server stub）；
(7) 服务端存根( server stub）将返回结果打包成消息（将结果消息对象序列化）；
(8) 服务端（server）通过sockets将消息发送到客户端；
(9) 客户端存根（client stub）接收到结果消息，并进行解码（将结果消息发序列化）；
(10) 客户端（client）得到最终结果。
RPC的目标是要把2、3、4、7、8、9这些步骤都封装起来。
注意：无论是何种类型的数据，最终都需要转换成二进制流在网络上进行传输，数据的发送方需要将对象转换为二进制流，而数据的接收方则需要把二进制流再恢复为对象。

RPC框架

RPC是分布式系统/应用中应用最为广泛的一种协议，最常见的RPC框架为grpc、Dubble等，下面以Dubble为示例，分析下Dubble框架中RPC的具体使用和实现原理；

Dubble中RPC实现分析

	//客户端
	@Component
	public class HelloClient {

		@Reference // dubbo 注解
		private HelloService helloService;

		public String hello() {
			return helloService.hello("World");
		}
	}

	// 服务端
	@Service // dubbo 注解
	@Component
	public class HelloServiceImpl implements HelloService {

		@Override
		public String hello(String name) {
			return "Hello " + name;
		}
	}

示例分析

在客户端，我们可以通过 @Reference 注解，获得一个实现了 HelloServicer 这个接口的对象，我们的业务代码只要调用这个对象的方法，就可以获得结果。对于客户端代码来说，调用就是 helloService 这个本地对象，但实际上，真正的服务是在远程的服务端进程中实现的。

再来看服务端，在服务端我们的实现类 HelloServiceImpl，实现了 HelloService 这个接口。然后，我们通过 @Service 这个注解（注意，这个 @Service 是 Dubbo 提供的注解，不是 Spring 提供的同名注解），在 Dubbo 框架中注册了这个实现类 HelloServiceImpl。在服务端，我们只是提供了接口 HelloService 的实现，并没有任何远程调用的实现代码。

对于业务代码来说，无论是客户端还是服务端，除了增加了两个注解以外，和实现一个进程内调用没有任何区别。Dubbo 看起来就像把服务端进程中的实现类“映射”到了客户端进程中一样。接下来我们一起来看一下，Dubbo 这类 RPC 框架是如何来实现调用远程服务的。

实现分析

在客户端，业务代码得到的 HelloService 这个接口的实例，并不是我们在服务端提供的真正的实现类 HelloServiceImpl 的一个实例。它实际上是由 RPC 框架提供的一个代理类的实例。这个代理类有一个专属的名称，叫“桩（Stub）”。

在不同的 RPC 框架中，这个桩的生成方式并不一样，有些是在编译阶段生成的，有些是在运行时动态生成的，这个和编程语言的语言特性是密切相关的，所以在不同的编程语言中有不同的实现，这部分很复杂，可以先不用过多关注。我们只需要知道这个桩它做了哪些事儿就可以了。

我们知道，HelloService 的桩，同样要实现 HelloService 接口，客户端在调用 HelloService 的 hello 方法时，实际上调用的是桩的 hello 方法，在这个桩的 hello 方法里面，它会构造一个请求，这个请求就是一段数据结构，请求中包含两个重要的信息：

1. 请求的服务名，在我们这个例子中，就是 HelloService#hello(String)，也就是说，客户端调用的是 HelloService 的 hello 方法；
2. 请求的所有参数，在我们这个例子中，就只有一个参数 name， 它的值是“World”。
   然后，它会把这个请求发送给服务端，等待服务的响应。这个时候，请求到达了服务端，然后我们来看服务端是怎么处理这个请求的。

服务端的 RPC 框架收到这个请求之后，先把请求中的服务名解析出来，然后，根据这个服务名找一下，在服务端进程中，有没有这个服务名对应的服务提供者。

在这个例子的服务端中，由于我们已经通过 @Service 注解向 RPC 框架注册过 HelloService 的实现类，所以，RPC 框架在收到请求后，可以通过请求中的服务名找到 HelloService 真正的实现类 HelloServiceImpl。找到实现类之后，RPC 框架会调用这个实现类的 hello 方法，使用的参数值就是客户端发送过来的参数值。服务端的 RPC 框架在获得返回结果之后，再将结果封装成响应，返回给客户端。

客户端 RPC 框架的桩收到服务端的响应之后，从响应中解析出返回值，返回给客户端的调用方。这样就完成了一次远程调用。我把这个调用过程画成一张图放在下面，你可以对着这张图再消化一下上面的流程。

在上面的这个调用流程中，客户端是如何找到服务端的呢？在 RPC 框架中，这部分的实现原理和消息队列的实现是完全一样的，都是通过一个 NamingService来解决的。

在 RPC 框架中，这个 NamingService 一般称为注册中心。服务端的业务代码在向 RPC 框架中注册服务之后，RPC 框架就会把这个服务的名称和地址发布到注册中心上。客户端的桩stud在调用服务端之前，会向注册中心请求服务端的地址，请求的参数就是服务名称，也就是我们上面例子中的方法签名 HelloService#hello，注册中心会返回提供这个服务的地址，然后客户r55555767 端再去请求服务端。

有些 RPC 框架，比如 gRPC，是可以支持跨语言调用的。它的服务提供方和服务调用方是可以用不同的编程语言来实现的。比如，我们可以用 Python 编写客户端，用 Go 语言来编写服务端，这两种语言开发的服务端和客户端仍然可以正常通信。这种支持跨语言调用的 RPC 框架的实现原理和普通的单语言的 RPC 框架并没有什么本质的不同。

我们可以再回顾一下上面那张调用的流程图，如果需要实现跨语言的调用，也就是说，图中的客户端进程和服务端进程是由两种不同的编程语言开发的。其实，只要客户端发出去的请求能被服务端正确解析，同样，服务端返回的响应，客户端也能正确解析，其他的步骤完全不用做任何改变，不就可以实现跨语言调用了吗？

在客户端和服务端，收发请求响应的工作都是 RPC 框架来实现的，所以，只要 RPC 框架保证在不同的编程语言中，使用相同的序列化协议，就可以实现跨语言的通信。另外，为了在不同的语言中能描述相同的服务定义，也就是我们上面例子中的 HelloService 接口，跨语言的 RPC 框架还需要提供一套描述服务的语言，称为 IDL（Interface description language）。所有的服务都需要用 IDL 定义，再由 RPC 框架转换为特定编程语言的接口或者抽象类。这样，就可以实现跨语言调用了。

讲到这里，RPC 框架的基本实现原理就很清楚了，可以看到，实现一个简单的 RPC 框架并不是很难，这里面用到的绝大部分技术，包括：高性能网络传输、序列化和反序列化、服务路由的发现方法等，与消息队列实现原理中的内容基本类似。

总结

学习一个东西最好的方法就是动手实践，后面文章中我们会手动实现一个RPC框架，并解析一下现存优秀的RPC框架