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浅谈 RPC

RPC-远程过程调用,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。

近几年随着微服务化项目的崛起,逐渐成为许多公司中大型分布式系统架构的主流方式,而今天所说的 RPC 在这其中扮演着至关重要的角色。随着这段日子公司项目微服务化的演进,发现在日常开发中都在隐式或显式的使用 RPC,一些刚刚接触 RPC 的小伙伴会感觉无所适从,而一些入行多年的老手虽然使用 RPC 经验丰富,但有些对其原理也一知半解,缺乏对原理的深入理解,往往也会造成开发中的一些误用。

什么是RPC?

RPC(Remote Procedure Call)—远程过程调用,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。也就是说两台服务器A,B,一个应用部署在A服务器上,想要调用B服务器上应用提供的方法,由于不在一个内存空间,不能直接调用,需要通过网络来表达调用的语义和传达调用的数据。

RPC协议假定某些传输协议的存在,如TCP或UDP,为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中,RPC跨越了传输层和应用层。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。现在业界有很多开源的优秀 RPC 框架,例如 Spring Cloud、Dubbo、Thrift 等。

RPC 起源

RPC 这个概念术语在上世纪 80 年代由 Bruce Jay Nelson 提出。这里我们追溯下当初开发 RPC 的原动机是什么?在 Nelson 的论文 “Implementing Remote Procedure Calls” 中他提到了几点:

  • 简单:RPC 概念的语义十分清晰和简单,这样建立分布式计算就更容易。
  • 高效:过程调用看起来十分简单而且高效。
  • 通用:在单机计算中过程往往是不同算法部分间最重要的通信机制。

通俗一点说,就是一般程序员对于本地的过程调用很熟悉,那么我们把 RPC 作成和本地调用完全类似,那么就更容易被接受,使用起来毫无障碍。Nelson 的论文发表于 30 年前,其观点今天看来确实高瞻远瞩,今天我们使用的 RPC 框架基本就是按这个目标来实现的。

RPC 结构

Nelson 的论文中指出实现 RPC 的程序包括 5 个部分:

  1. User
  2. User-stub
  3. RPCRuntime
  4. Server-stub
  5. Server

RPC结构

这里 user 就是 client 端,当 user 想发起一个远程调用时,它实际是通过本地调用 user-stub。user-stub 负责将调用的接口、方法和参数通过约定的协议规范进行编码并通过本地的 RPCRuntime 实例传输到远端的实例。远端 RPCRuntime 实例收到请求后交给 server-stub 进行解码后发起本地端调用,调用结果再返回给 user 端。

以上是粗粒度的 RPC 实现概念结构,接下来我们进一步细化它应该由哪些组件构成,如下图所示。

RPC 结构拆解

RPC 服务方通过 RpcServer 去导出(export)远程接口方法,而客户方通过 RpcClient 去引入(import)远程接口方法。客户方像调用本地方法一样去调用远程接口方法,RPC 框架提供接口的代理实现,实际的调用将委托给代理RpcProxy 。代理封装调用信息并将调用转交给RpcInvoker 去实际执行。在客户端的RpcInvoker 通过连接器RpcConnector 去维持与服务端的通道RpcChannel,并使用RpcProtocol 执行协议编码(encode)并将编码后的请求消息通过通道发送给服务方。

RPC 服务端接收器 RpcAcceptor 接收客户端的调用请求,同样使用RpcProtocol 执行协议解码(decode)。解码后的调用信息传递给RpcProcessor 去控制处理调用过程,最后再委托调用给RpcInvoker 去实际执行并返回调用结果。如下是各个部分的详细职责:

1. RpcServer  

   负责导出(export)远程接口  

2. RpcClient  

   负责导入(import)远程接口的代理实现  

3. RpcProxy  

   远程接口的代理实现  

4. RpcInvoker  

   客户方实现:负责编码调用信息和发送调用请求到服务方并等待调用结果返回  

   服务方实现:负责调用服务端接口的具体实现并返回调用结果  

5. RpcProtocol  

   负责协议编/解码  

6. RpcConnector  

   负责维持客户方和服务方的连接通道和发送数据到服务方  

7. RpcAcceptor  

   负责接收客户方请求并返回请求结果  

8. RpcProcessor  

   负责在服务方控制调用过程,包括管理调用线程池、超时时间等  

9. RpcChannel  

   数据传输通道 

RPC 工作原理

RPC的设计由Client,Client stub,Network ,Server stub,Server构成。 其中Client就是用来调用服务的,Cient stub是用来把调用的方法和参数序列化的(因为要在网络中传输,必须要把对象转变成字节),Network用来传输这些信息到Server stub, Server stub用来把这些信息反序列化的,Server就是服务的提供者,最终调用的就是Server提供的方法。

RPC工作原理

  1. Client像调用本地服务似的调用远程服务;

  2. Client stub接收到调用后,将方法、参数序列化

  3. 客户端通过sockets将消息发送到服务端

  4. Server stub 收到消息后进行解码(将消息对象反序列化)

  5. Server stub 根据解码结果调用本地的服务

  6. 本地服务执行(对于服务端来说是本地执行)并将结果返回给Server stub

  7. Server stub将返回结果打包成消息(将结果消息对象序列化)

  8. 服务端通过sockets将消息发送到客户端

  9. Client stub接收到结果消息,并进行解码(将结果消息反序列化)

  10. 客户端得到最终结果。

RPC 调用分以下两种:

  1. 同步调用:客户方等待调用执行完成并返回结果。

  2. 异步调用:客户方调用后不用等待执行结果返回,但依然可以通过回调通知等方式获取返回结果。若客户方不关心调用返回结果,则变成单向异步调用,单向调用不用返回结果。

异步和同步的区分在于是否等待服务端执行完成并返回结果。

RPC 能干什么?

RPC 的主要功能目标是让构建分布式计算(应用)更容易,在提供强大的远程调用能力时不损失本地调用的语义简洁性。为实现该目标,RPC 框架需提供一种透明调用机制,让使用者不必显式的区分本地调用和远程调用,在之前给出的一种实现结构,基于 stub 的结构来实现。下面我们将具体细化 stub 结构的实现。

  • 可以做到分布式,现代化的微服务
  • 部署灵活
  • 解耦服务
  • 扩展性强

RPC的目的是让你在本地调用远程的方法,而对你来说这个调用是透明的,你并不知道这个调用的方法是部署哪里。通过RPC能解耦服务,这才是使用RPC的真正目的。

总结

这篇文章介绍了 RPC 的一些基本原理,相信到这里您已经对 RPC 有了一定理解。其实发现实现一个 RPC 不算难,难的是实现一个高性能高可靠的RPC框架。比如,既然是分布式了,那么一个服务可能有多个实例,你在调用时,要如何获取这些实例的地址呢?这时候就需要一个服务注册中心,比如在Dubbo中,就可以使用Zookeeper作为注册中心,在调用时,从Zookeeper获取服务的实例列表,再从中选择一个进行调用。那么选哪个调用好呢?这时候就需要负载均衡了,于是你又得考虑如何实现复杂均衡,比如Dubbo就提供了好几种负载均衡策略。所以请继续关注我的另外两篇文章RPC与服务化的关系注册中心,配置中心, 服务发现浅谈,相信会帮助对RPC设计和实现有更多的理解。

最后修改 February 22, 2023: Merge refactor website (#2293) (4517e8c1c9c)