如何设计一个 RPC 系统

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-05-23 00:44 198阅读 0赞

RPC是一种方便的网络通信编程模型，由于和编程语言的高度结合，大大减少了处理网络数据的复杂度，让代码可读性也有可观的提高。但是RPC本身的构成却比较复杂，由于受到编程语言、网络模型、使用习惯的约束，有大量的妥协和取舍之处。本文就是通过分析几种流行的RPC实现案例，提供大家在设计RPC系统时的参考。

由于RPC底层的网络开发一般和具体使用环境有关，而编程实现手段也非常多样化，但不影响使用者，因此本文基本涉及如何实现一个RPC系统。

## 认识 RPC （远程调用） ##

我们在各种操作系统、编程语言生态圈中，多少都会接触过“远程调用”的概念。一般来说，他们指的是用简单的一行代码，通过网络调用另外一个计算机上的某段程序。比如：

*  RMI——Remote Method Invoke：调用远程的方法。“方法”一般是附属于某个对象上的，所以通常RMI指对在远程的计算机上的某个对象，进行其方法函数的调用。
 *  RPC——Remote Procedure Call：远程过程调用。指的是对网络上另外一个计算机上的，某段特定的函数代码的调用。

远程调用本身是网络通信的一种概念，他的特点是把网络通信封装成一个类似函数的调用。网络通信在远程调用外，一般还有其他的几种概念：数据包处理、消息队列、流过滤、资源拉取等待。下面比较一下他们差异：

<table> 
 <thead style="list-style:inherit;"> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <th style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-top-width:1px;border-color:rgb(217,217,217);text-align:left;background-color:rgb(242,242,242);font-weight:400;">方案</th> 
 <th style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-top-width:1px;border-color:rgb(217,217,217);text-align:left;background-color:rgb(242,242,242);font-weight:400;">编程方式</th> 
 <th style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-top-width:1px;border-color:rgb(217,217,217);text-align:left;background-color:rgb(242,242,242);font-weight:400;">信息封装</th> 
 <th style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-top-width:1px;border-color:rgb(217,217,217);text-align:left;background-color:rgb(242,242,242);font-weight:400;">传输模型</th> 
 <th style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-top-width:1px;border-color:rgb(217,217,217);text-align:left;background-color:rgb(242,242,242);font-weight:400;">典型应用</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody style="list-style:inherit;"> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">远程调用</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">调用函数，输入参数，获得返回值。</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">使用编程语言的变量、类型、函数</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">发出请求，获得响应</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">Java RMI</td> 
 </tr> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">数据包处理</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">调用Send()/Recv()，使用字节码数据，编解码，处理内容</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">把通信内容构造成二进制的协议包</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">发送/接收</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">UDP编程</td> 
 </tr> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">消息队列</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">调用Put()/Get()，使用“包”对象，处理其包含的内容</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">消息被封装成语言可用的对象或结构</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">对某队列，存入一个消息；取出一个消息</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">ActiveMQ</td> 
 </tr> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">流过滤</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">读取一个流，或写出一个流，对流中的单元包即刻处理</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">单元长度很小的统一数据结构</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">连接；发送/接收；处理</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">网络视频</td> 
 </tr> 
 <tr style="list-style:inherit;background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">资源拉取</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">输入一个资源ID，获得资源内容</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">请求或响应都包含：头部+正文</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">请求后等待响应</td> 
 <td style="padding:8px 13px;list-style:inherit;border-color:rgb(217,217,217);">WWW</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

针对远程调用的特点——调用函数。业界在各种语言下都开发过类似的方案，同时也有些方案是试图做到跨语言的。尽管远程调用在编程方式上，看起来似乎是最简单易用的，但是也有明显的缺点。所以了解清楚远程调用的优势和缺点，是决定是否要开发、或者使用远程调用这种模型的关键问题。

远程调用的优势有：

远程调用的缺点：

因此，远程调用最适合的场景是：业务需求多变，网络环境多变。

## RPC方案的核心问题 ##

由于远程调用的使用接口是“函数”，所以要如何构建这个“函数”，就产生了三个方面需要决策的问题：

### 1 . 如何表示“远程”的信息 ###

所谓远程，就是指网络上另外一个位置，那么网络地址就是必须要输入的部分。在TCP/IP网络下，IP地址和端口号代表了运行中程序的一个入口。所以指定IP地址和端口是发起远程调用所必需的。

然而，一个程序可能会运行很多个功能，可以接收多个不同含义的远程调用。这样如何去让用户指定这些不同含义的远程调用入口，就成为了另外一个问题。当然最简单的是每个端口一种调用，但是一个IP最多支持65535个端口，而且别的网络功能也可能需要端口，所以这种方案可能会不够用，同时一个数字代表一个功能也不太好理解，必须要查表才能明白。

所以我们必须想别的方法。在面向对象的思想下，有些方案提出了：以不同的对象来归纳不同的功能组合，先指定对象，再指定方法。这个想法非常符合程序员的理解方式，EJB就是这种方案的。一旦你确定了用对象这种模型来定义远程调用的地址，那么你就需要有一种指定远程对象的方法，为了指定对象，你必须要能把对象的一些信息，从被调用方（服务器端）传输给调用方（客户端）。

### 2 . 函数的接口形式应该如何表示 ###

远程调用由于受到网络通信的约束，所以往往不能完全的支持编程语言的所有特性。比如C语言函数中的指针类型参数，就无法通过网络传递出去。因此远程调用的函数定义，能用语言中的什么特性，不能用什么特性，是需要在设计方案是规定下来的。

这种规定如果太严格，会影响使用者的易用性；如果太宽泛，则可能导致远程调用的性能低下。如何去设计一种方式，把编程语言中的函数，描述成一个远程调用的函数，也是需要考虑的问题。很多方案采用了配置文件这种通用的方式，而另外一些方案可以直接在源代码中里面加特殊的注释。

一般来说，编译型语言如C/C++只能采用源代码根据配置文件生成的方案，虚拟机型语言如C\#/JAVA可以采用反射机制结合配置文件（设置是在源代码中用特殊注释来代替配置文件）的方案，如果是脚本语言就更简单，有时候连配置文件都不需要，因为脚本自己就可以充当。总之远程调用的接口要满足怎样的约束，也是一个需要仔细考虑的问题。

### 3. 用什么方法来实现网络通信 ###

远程调用最重要的实现细节，就是关于网络通信。用何种通信方式来承载远程调用的问题，细化下来就是两个子问题：用什么样的服务程序提供网络功能？用什么样的通信协议？

远程调用系统可以自己直接对TCP/IP编程来实现通信，也可以委托一些其他软件，比如Web服务器、消息队列服务器等等……也可以使用不同的网络通信框架，如Netty/Mina这些开源框架。通信协议则一般有两层：一个是传输协议，比如TCP/UDP或者高层一点的HTTP，或者自己定义的传输协议；另外一个是编码协议，就是如何把一个编程语言中的对象，序列化和反序列化成为二进制字节流的方案，流行的方案有JSON、Google Protocol Buffer等等，很多开发语言也有自己的序列化方案，如JAVA/C\#都自带。以上这些技术细节，应该选择使用哪些，直接关系到远程调用系统的性能和环境兼容性。

以上三个问题，就是远程调用系统必须考虑的核心选型。根据每个方案所面对的约束不同，他们都会在这三个问题上做出取舍，从而适应其约束。但是现在并不存在一个“万能”或者“通用”的方案，其原因就是：在如此复杂的一个系统中，如果要照顾的特性越多，需要付出的成本（易用性代价、性能开销）也会越多。

下面，我们可以研究下业界现存的各种远程调用方案，看他们是如何在这三个方面做平衡和选择的。

## 业界方案举例 ##

### 1. CORBA ###

实际上CORBA有一个非常著名的继承者，他就是Facebook公司的Thrift框架。Thrift也是使用一种IDL编译生成多种语言的远程调用方案，并且用C++/JAVA等多种语言完整的实现了通信承载，所以在开源框架中是特别有号召力的一个。Thrfit的通信承载还有个特点，就是能组合使用各种不同的传输协议和编码协议，比如TCP/UDP/HTTP配合JSON/BIN/PB……这让它几乎可以选择任何的网络环境。

Thrift的模型类似下图，这里有的stub表示“桩代码”，就是客户端直接使用的函数形式程序；skeleton表示“骨架代码”，是需要程序员编写具体提供远程服务功能的模板代码，一般对模版做填空或者继承（扩展）即可。这个stub-skeleton模型几乎是所有远程调用方案的标配。

### 2. JAVA RMI ###

JAVA RMI是JAVA虚拟机自带的一个远程调用方案。它也是可以使用URL来定位远程对象，使用JAVA自带的序列化编码协议传递参数值。在接口描述上，由于这是一个仅限于JAVA环境下的方案，所以直接用JAVA语言的Interface类型作为定义语言。用户通过实现这个接口类型来提供远程服务，同时JAVA会根据这个接口文件自动生成客户端的调用代码供调用者使用。他的底层通信实现，还是用TCP协议实现的。在这里，Interface文件就是JAVA语言的IDL，同时也是skeleton模板，供开发者来填写远程服务内容。而stub代码则由于JAVA的反射功能，由虚拟机直接包办了。

这个方案由于JAVA虚拟机的支持，使用起来非常简单，完全按照标志的JAVA编程方法就可以轻松解决问题，但是这也仅仅能在JAVA环境下运行，限制了其适用的范围。鱼与熊掌不可兼得，易用性和适用性往往是互相冲突的。这和CORBA/Thrift追求最大范围的适用性有很大的差别，也导致了两者在易用性上的不同。

### 3. Windows RPC ###

Windows中对RPC支持是比较早和比较完善的。首先它通过GUID来查询对象，然后使用C语言类型作为参数值的传递。由于Windows的API主要是C语言的，所以对于RPC功能来说，还是要用一种IDL来描述接口，最后生成.h和.c文件来生产RPC的stub和skeleton代码。而通信机制，由于是操作系统自带的，所以使用内核LPC机制承载，这一点还是对使用者来说比较方便的。但是也限制了只能用于Windows程序之间做调用。

### 4. WebService & REST ###

在互联网时代，程序需要通过互联网来互相调用。而互联网上最流行的协议是HTTP协议和WWW服务，因此使用HTTP协议的Web Service就顺理成章的成为跨系统调用的最流行方案。由于可以使用大多数互联网的基础设施，所以Web Service的开发和实现几乎是毫无难度的。一般来说，它都会使用URL来定位远程对象，而参数则通过一系列预定义的类型（主要是C语言基础类型），以及对象序列化方式来传递。接口生成方面，你可以自己直接对HTTP做解析，也可以使用诸如WSDL或者SOAP这样的规范。在REST的方案中，则限定了只有PUT/GET/DELETE/POST四种操作函数，其他都是参数。

总结一下上面的这些RPC方案，我们发现，针对远程调用的三个核心问题，一般业界有以下几个选择：

*  远程对象定位：使用URL；或者使用名字服务来查找
 *  远程调用参数传递：使用C的基本类型定义；或者使用某种预订的序列化（反序列化）方案
 *  接口定义：使用某种特定格式的技术，直接按预先约定一种接口定义文件；或者使用某种描述协议IDL来生成这些接口文件
 *  通信承载：有使用特定TCP/UDP之类的服务器，也有可以让用户自己开发定制的通信模型；还有使用HTTP或者消息队列这一类更加高级的传输协议

## 方案选型 ##

在我们确定了远程调用系统方案几个可行选择后，自然就要明确一下各个方案的优缺点，这样才能选择真正合适需求的设计：

分析完核心问题，我们还需要考虑一些适用性场景：

1. 面向对象还是面向过程：如果我们只是考虑做面向过程的远程调用，只需要定位到“函数”即可。而如果是面向对象的，则需要定位到“对象”。由于函数是无状态的，所以其定位过程可以简单到一个名字即可，而对象则需要动态的查找到其ID或句柄。

2.跨语言还是单一语言：单一语言的方案中，头文件或接口定义完全用一种语言处理即可，如果是跨语言的，就少不免要IDL

3. 混合式通信承载还是使用HTTP服务器承载：混合式承载可能可以用到TCP/UDP/共享内存等底层技术，可以提供最优的性能，但是使用起来必然非常麻烦。使用HTTP服务器的话，则非常简单，因为WWW服务的开源软件、库众多，而且客户端使用浏览器或者一些JS页面即可调试，缺点是其性能较低。

假设我们现在要为某种业务逻辑非常多变的领域，如企业业务应用领域，或游戏服务器端领域，去设计一个远程调用系统，我们可能应该如下选择：

1. 使用名字服务定位远程对象：由于企业服务是需要高可用性的，使用名字服务能在查询名字时识别和选择可用性服务对象。J2EE方案中的EJB（企业JavaBean）就是用名字服务的。

2. 使用IDL来生成接口定义：由于企业服务或游戏服务，其开发语言可能不是统一的，又或者需要高性能的编程语言如C/C++，所以只能使用IDL。

3.使用混合式通信承载：虽然企业服务看起来无需在很复杂的网络下运行，但是不同的企业的网络环境又可能是千差万别的，所以要做一个通用的系统，最好还是不怕麻烦提供混合式的通信承载，这样可以在TCP/UDP等各种协议中选择。

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