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RPC是一種方便的網(wǎng)絡(luò)通信編程模型,由于和編程語(yǔ)言的高度結(jié)合,大大減少了處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的復(fù)雜度,讓代碼可讀性也有可觀(guān)的提高。但是RPC本身的構(gòu)成卻比較復(fù)雜,由于受到編程語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)模型、使用習(xí)慣的約束,有大量的妥協(xié)和取舍之處。本文就是通過(guò)分析幾種流行的RPC實(shí)現(xiàn)案例,提供大家在設(shè)計(jì)RPC系統(tǒng)時(shí)的參考。
由于RPC底層的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)一般和具體使用環(huán)境有關(guān),而編程實(shí)現(xiàn)手段也非常多樣化,但不影響使用者,因此本文基本涉及如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)RPC系統(tǒng)。
我們?cè)诟鞣N操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言生態(tài)圈中,多少都會(huì)接觸過(guò)“遠(yuǎn)程調(diào)用”的概念。一般來(lái)說(shuō),他們指的是用簡(jiǎn)單的一行代碼,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用另外一個(gè)計(jì)算機(jī)上的某段程序。比如:
遠(yuǎn)程調(diào)用本身是網(wǎng)絡(luò)通信的一種概念,他的特點(diǎn)是把網(wǎng)絡(luò)通信封裝成一個(gè)類(lèi)似函數(shù)的調(diào)用。網(wǎng)絡(luò)通信在遠(yuǎn)程調(diào)用外,一般還有其他的幾種概念:數(shù)據(jù)包處理、消息隊(duì)列、流過(guò)濾、資源拉取等待。下面比較一下他們差異:
方案 |
編程方式 |
信息封裝 |
傳輸模型 |
典型應(yīng)用 |
---|---|---|---|---|
遠(yuǎn)程調(diào)用 |
調(diào)用函數(shù),輸入?yún)?shù),獲得返回值。 |
使用編程語(yǔ)言的變量、類(lèi)型、函數(shù) |
發(fā)出請(qǐng)求,獲得響應(yīng) |
Java RMI |
數(shù)據(jù)包處理 |
調(diào)用Send()/Recv(),使用字節(jié)碼數(shù)據(jù),編解碼,處理內(nèi)容 |
把通信內(nèi)容構(gòu)造成二進(jìn)制的協(xié)議包 |
發(fā)送/接收 |
UDP編程 |
消息隊(duì)列 |
調(diào)用Put()/Get(),使用“包”對(duì)象,處理其包含的內(nèi)容 |
消息被封裝成語(yǔ)言可用的對(duì)象或結(jié)構(gòu) |
對(duì)某隊(duì)列,存入一個(gè)消息;取出一個(gè)消息 |
ActiveMQ |
流過(guò)濾 |
讀取一個(gè)流,或?qū)懗鲆粋€(gè)流,對(duì)流中的單元包即刻處理 |
單元長(zhǎng)度很小的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) |
連接;發(fā)送/接收;處理 |
網(wǎng)絡(luò)視頻 |
資源拉取 |
輸入一個(gè)資源ID,獲得資源內(nèi)容 |
請(qǐng)求或響應(yīng)都包含:頭部+正文 |
請(qǐng)求后等待響應(yīng) |
WWW |
針對(duì)遠(yuǎn)程調(diào)用的特點(diǎn)——調(diào)用函數(shù)。業(yè)界在各種語(yǔ)言下都開(kāi)發(fā)過(guò)類(lèi)似的方案,同時(shí)也有些方案是試圖做到跨語(yǔ)言的。盡管遠(yuǎn)程調(diào)用在編程方式上,看起來(lái)似乎是最簡(jiǎn)單易用的,但是也有明顯的缺點(diǎn)。所以了解清楚遠(yuǎn)程調(diào)用的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),是決定是否要開(kāi)發(fā)、或者使用遠(yuǎn)程調(diào)用這種模型的關(guān)鍵問(wèn)題。
遠(yuǎn)程調(diào)用的優(yōu)勢(shì)有:
遠(yuǎn)程調(diào)用的缺點(diǎn):
因此,遠(yuǎn)程調(diào)用最適合的場(chǎng)景是:業(yè)務(wù)需求多變,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多變。
由于遠(yuǎn)程調(diào)用的使用接口是“函數(shù)”,所以要如何構(gòu)建這個(gè)“函數(shù)”,就產(chǎn)生了三個(gè)方面需要決策的問(wèn)題:
所謂遠(yuǎn)程,就是指網(wǎng)絡(luò)上另外一個(gè)位置,那么網(wǎng)絡(luò)地址就是必須要輸入的部分。在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)下,IP地址和端口號(hào)代表了運(yùn)行中程序的一個(gè)入口。所以指定IP地址和端口是發(fā)起遠(yuǎn)程調(diào)用所必需的。
然而,一個(gè)程序可能會(huì)運(yùn)行很多個(gè)功能,可以接收多個(gè)不同含義的遠(yuǎn)程調(diào)用。這樣如何去讓用戶(hù)指定這些不同含義的遠(yuǎn)程調(diào)用入口,就成為了另外一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然最簡(jiǎn)單的是每個(gè)端口一種調(diào)用,但是一個(gè)IP最多支持65535個(gè)端口,而且別的網(wǎng)絡(luò)功能也可能需要端口,所以這種方案可能會(huì)不夠用,同時(shí)一個(gè)數(shù)字代表一個(gè)功能也不太好理解,必須要查表才能明白。
所以我們必須想別的方法。在面向?qū)ο蟮乃枷胂?,有些方案提出了:以不同的?duì)象來(lái)歸納不同的功能組合,先指定對(duì)象,再指定方法。這個(gè)想法非常符合程序員的理解方式,EJB就是這種方案的。一旦你確定了用對(duì)象這種模型來(lái)定義遠(yuǎn)程調(diào)用的地址,那么你就需要有一種指定遠(yuǎn)程對(duì)象的方法,為了指定對(duì)象,你必須要能把對(duì)象的一些信息,從被調(diào)用方(服務(wù)器端)傳輸給調(diào)用方(客戶(hù)端)。
最簡(jiǎn)單的方案就是客戶(hù)端輸入一串字符串作為對(duì)象的“名字”,發(fā)給服務(wù)器端,查找注冊(cè)了這個(gè)“名字”的對(duì)象,如果找到了,服務(wù)器端就會(huì)用某種技術(shù)“傳輸”這個(gè)對(duì)象給客戶(hù)端,然后客戶(hù)端就可以調(diào)用他的方法了。當(dāng)然這種傳輸不可能是把整個(gè)服務(wù)器上的對(duì)象數(shù)據(jù)拷貝給客戶(hù)端,而是用一些符號(hào)或者標(biāo)志的方法,來(lái)代表這個(gè)服務(wù)器上的對(duì)象,然后發(fā)給客戶(hù)端。
如果你不是使用面向?qū)ο蟮哪P?,那么遠(yuǎn)程的一個(gè)函數(shù),也是必須要定位和傳輸?shù)?,因?yàn)槟阏{(diào)用的函數(shù)必須先能找到,然后成為客戶(hù)端側(cè)的一個(gè)接口,才能調(diào)用。針對(duì)“遠(yuǎn)程對(duì)象”(這里說(shuō)的對(duì)象包括面向?qū)ο蟮膶?duì)象或者僅僅是 函數(shù))如何表達(dá)才能在網(wǎng)絡(luò)上定位;以及定位成功之后以什么形式供客戶(hù)端調(diào)用,都是“遠(yuǎn)程調(diào)用”設(shè)計(jì)方案中第一個(gè)重要的問(wèn)題。
遠(yuǎn)程調(diào)用由于受到網(wǎng)絡(luò)通信的約束,所以往往不能完全的支持編程語(yǔ)言的所有特性。比如C語(yǔ)言函數(shù)中的指針類(lèi)型參數(shù),就無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞出去。因此遠(yuǎn)程調(diào)用的函數(shù)定義,能用語(yǔ)言中的什么特性,不能用什么特性,是需要在設(shè)計(jì)方案是規(guī)定下來(lái)的。
這種規(guī)定如果太嚴(yán)格,會(huì)影響使用者的易用性;如果太寬泛,則可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程調(diào)用的性能低下。如何去設(shè)計(jì)一種方式,把編程語(yǔ)言中的函數(shù),描述成一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用的函數(shù),也是需要考慮的問(wèn)題。很多方案采用了配置文件這種通用的方式,而另外一些方案可以直接在源代碼中里面加特殊的注釋。
一般來(lái)說(shuō),編譯型語(yǔ)言如C/C++只能采用源代碼根據(jù)配置文件生成的方案,虛擬機(jī)型語(yǔ)言如C#/JAVA可以采用反射機(jī)制結(jié)合配置文件(設(shè)置是在源代碼中用特殊注釋來(lái)代替配置文件)的方案,如果是腳本語(yǔ)言就更簡(jiǎn)單,有時(shí)候連配置文件都不需要,因?yàn)槟_本自己就可以充當(dāng)??傊h(yuǎn)程調(diào)用的接口要滿(mǎn)足怎樣的約束,也是一個(gè)需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。
遠(yuǎn)程調(diào)用最重要的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),就是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信。用何種通信方式來(lái)承載遠(yuǎn)程調(diào)用的問(wèn)題,細(xì)化下來(lái)就是兩個(gè)子問(wèn)題:用什么樣的服務(wù)程序提供網(wǎng)絡(luò)功能?用什么樣的通信協(xié)議?
遠(yuǎn)程調(diào)用系統(tǒng)可以自己直接對(duì)TCP/IP編程來(lái)實(shí)現(xiàn)通信,也可以委托一些其他軟件,比如Web服務(wù)器、消息隊(duì)列服務(wù)器等等……也可以使用不同的網(wǎng)絡(luò)通信框架,如Netty/Mina這些開(kāi)源框架。通信協(xié)議則一般有兩層:一個(gè)是傳輸協(xié)議,比如TCP/UDP或者高層一點(diǎn)的HTTP,或者自己定義的傳輸協(xié)議;另外一個(gè)是編碼協(xié)議,就是如何把一個(gè)編程語(yǔ)言中的對(duì)象,序列化和反序列化成為二進(jìn)制字節(jié)流的方案,流行的方案有JSON、Google Protocol Buffer等等,很多開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也有自己的序列化方案,如JAVA/C#都自帶。以上這些技術(shù)細(xì)節(jié),應(yīng)該選擇使用哪些,直接關(guān)系到遠(yuǎn)程調(diào)用系統(tǒng)的性能和環(huán)境兼容性。
以上三個(gè)問(wèn)題,就是遠(yuǎn)程調(diào)用系統(tǒng)必須考慮的核心選型。根據(jù)每個(gè)方案所面對(duì)的約束不同,他們都會(huì)在這三個(gè)問(wèn)題上做出取舍,從而適應(yīng)其約束。但是現(xiàn)在并不存在一個(gè)“萬(wàn)能”或者“通用”的方案,其原因就是:在如此復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)中,如果要照顧的特性越多,需要付出的成本(易用性代價(jià)、性能開(kāi)銷(xiāo))也會(huì)越多。
下面,我們可以研究下業(yè)界現(xiàn)存的各種遠(yuǎn)程調(diào)用方案,看他們是如何在這三個(gè)方面做平衡和選擇的。
CORBA是一個(gè)“古老”的,雄心勃勃的方案,他試圖在完成遠(yuǎn)程調(diào)用的同時(shí),還完成跨語(yǔ)言的通信的任務(wù),因此其復(fù)雜程度是最高的,但是它的設(shè)計(jì)思想,也被后來(lái)更多的其他方案所學(xué)習(xí)。在通信對(duì)象的定位上,它使用URL來(lái)定義一個(gè)遠(yuǎn)程對(duì)象,這是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代非常容易接受的。其對(duì)象的內(nèi)容則限定在C語(yǔ)言類(lèi)型上,并且只能傳遞值,這也是非常容易理解的。為了能讓不同語(yǔ)言的程序通信,所以就必須要在各種編程語(yǔ)言之外獨(dú)立設(shè)計(jì)一種僅僅用于描述遠(yuǎn)程接口的語(yǔ)言,這就是所謂的IDL:Interface Description Language 接口描述語(yǔ)言。
用這個(gè)方法,你就可以先用一種超然于所有語(yǔ)言之外的語(yǔ)言來(lái)定義接口,然后使用工具自動(dòng)生成各種編程語(yǔ)言的代碼。這種方案對(duì)于編譯型語(yǔ)言幾乎是唯一選擇。CORBA并沒(méi)有對(duì)通信問(wèn)題有任何約定,而是留給具體語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)者去處理,這也許是他沒(méi)有廣泛流行的原因之一。
實(shí)際上CORBA有一個(gè)非常著名的繼承者,他就是Facebook公司的Thrift框架。Thrift也是使用一種IDL編譯生成多種語(yǔ)言的遠(yuǎn)程調(diào)用方案,并且用C++/JAVA等多種語(yǔ)言完整的實(shí)現(xiàn)了通信承載,所以在開(kāi)源框架中是特別有號(hào)召力的一個(gè)。Thrfit的通信承載還有個(gè)特點(diǎn),就是能組合使用各種不同的傳輸協(xié)議和編碼協(xié)議,比如TCP/UDP/HTTP配合JSON/BIN/PB……這讓它幾乎可以選擇任何的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
Thrift的模型類(lèi)似下圖,這里有的stub表示“樁代碼”,就是客戶(hù)端直接使用的函數(shù)形式程序;skeleton表示“骨架代碼”,是需要程序員編寫(xiě)具體提供遠(yuǎn)程服務(wù)功能的模板代碼,一般對(duì)模版做填空或者繼承(擴(kuò)展)即可。這個(gè)stub-skeleton模型幾乎是所有遠(yuǎn)程調(diào)用方案的標(biāo)配。
JAVA RMI是JAVA虛擬機(jī)自帶的一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用方案。它也是可以使用URL來(lái)定位遠(yuǎn)程對(duì)象,使用JAVA自帶的序列化編碼協(xié)議傳遞參數(shù)值。在接口描述上,由于這是一個(gè)僅限于JAVA環(huán)境下的方案,所以直接用JAVA語(yǔ)言的Interface類(lèi)型作為定義語(yǔ)言。用戶(hù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口類(lèi)型來(lái)提供遠(yuǎn)程服務(wù),同時(shí)JAVA會(huì)根據(jù)這個(gè)接口文件自動(dòng)生成客戶(hù)端的調(diào)用代碼供調(diào)用者使用。他的底層通信實(shí)現(xiàn),還是用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。在這里,Interface文件就是JAVA語(yǔ)言的IDL,同時(shí)也是skeleton模板,供開(kāi)發(fā)者來(lái)填寫(xiě)遠(yuǎn)程服務(wù)內(nèi)容。而stub代碼則由于JAVA的反射功能,由虛擬機(jī)直接包辦了。
這個(gè)方案由于JAVA虛擬機(jī)的支持,使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單,完全按照標(biāo)志的JAVA編程方法就可以輕松解決問(wèn)題,但是這也僅僅能在JAVA環(huán)境下運(yùn)行,限制了其適用的范圍。魚(yú)與熊掌不可兼得,易用性和適用性往往是互相沖突的。這和CORBA/Thrift追求最大范圍的適用性有很大的差別,也導(dǎo)致了兩者在易用性上的不同。
Windows中對(duì)RPC支持是比較早和比較完善的。首先它通過(guò)GUID來(lái)查詢(xún)對(duì)象,然后使用C語(yǔ)言類(lèi)型作為參數(shù)值的傳遞。由于Windows的API主要是C語(yǔ)言的,所以對(duì)于RPC功能來(lái)說(shuō),還是要用一種IDL來(lái)描述接口,最后生成.h和.c文件來(lái)生產(chǎn)RPC的stub和skeleton代碼。而通信機(jī)制,由于是操作系統(tǒng)自帶的,所以使用內(nèi)核LPC機(jī)制承載,這一點(diǎn)還是對(duì)使用者來(lái)說(shuō)比較方便的。但是也限制了只能用于Windows程序之間做調(diào)用。
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,程序需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)互相調(diào)用。而互聯(lián)網(wǎng)上最流行的協(xié)議是HTTP協(xié)議和WWW服務(wù),因此使用HTTP協(xié)議的Web Service就順理成章的成為跨系統(tǒng)調(diào)用的最流行方案。由于可以使用大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施,所以Web Service的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)幾乎是毫無(wú)難度的。一般來(lái)說(shuō),它都會(huì)使用URL來(lái)定位遠(yuǎn)程對(duì)象,而參數(shù)則通過(guò)一系列預(yù)定義的類(lèi)型(主要是C語(yǔ)言基礎(chǔ)類(lèi)型),以及對(duì)象序列化方式來(lái)傳遞。接口生成方面,你可以自己直接對(duì)HTTP做解析,也可以使用諸如WSDL或者SOAP這樣的規(guī)范。在REST的方案中,則限定了只有PUT/GET/DELETE/POST四種操作函數(shù),其他都是參數(shù)。
總結(jié)一下上面的這些RPC方案,我們發(fā)現(xiàn),針對(duì)遠(yuǎn)程調(diào)用的三個(gè)核心問(wèn)題,一般業(yè)界有以下幾個(gè)選擇:
在我們確定了遠(yuǎn)程調(diào)用系統(tǒng)方案幾個(gè)可行選擇后,自然就要明確一下各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn),這樣才能選擇真正合適需求的設(shè)計(jì):
1. 對(duì)于遠(yuǎn)程對(duì)象的描述: 使用URL是互聯(lián)網(wǎng)通行的標(biāo)準(zhǔn),比較方便用戶(hù)理解,也容易添加日后需要擴(kuò)展到內(nèi)容,因?yàn)閁RL本身是一個(gè)由多個(gè)部分組合的字符串;而名字服務(wù)則老式一些,但是依然有他的好處,就是名字服務(wù)可以附帶負(fù)載均衡、容災(zāi)擴(kuò)容、自定義路由等一系列特性,對(duì)于需求復(fù)雜的定位比較容易實(shí)現(xiàn)。
2. 遠(yuǎn)程調(diào)用的接口描述: 如果只限制于某個(gè)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、平臺(tái)上,直接利用“隱喻”方式的接口描述,或者以“注解”類(lèi)型注釋手段來(lái)標(biāo)注源代碼,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用接口的定義,是最方便不過(guò)的。但是,如果需要兼容編譯型語(yǔ)言,如C/C++,就一定要用某種IDL來(lái)生成這些編譯語(yǔ)言的源代碼了。
3.通信承載: 給用戶(hù)自己定制通信模塊,能提供最好的適用性,但是也讓用戶(hù)增加了使用的復(fù)雜程度。而HTTP/消息隊(duì)列這種承載方式,在系統(tǒng)的部署、運(yùn)維、編程上都會(huì)比較簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)就是對(duì)于性能、傳輸特性的定制空間就比較小。
分析完核心問(wèn)題,我們還需要考慮一些適用性場(chǎng)景:
1. 面向?qū)ο筮€是面向過(guò)程: 如果我們只是考慮做面向過(guò)程的遠(yuǎn)程調(diào)用,只需要定位到“函數(shù)”即可。而如果是面向?qū)ο蟮?,則需要定位到“對(duì)象”。由于函數(shù)是無(wú)狀態(tài)的,所以其定位過(guò)程可以簡(jiǎn)單到一個(gè)名字即可,而對(duì)象則需要?jiǎng)討B(tài)的查找到其ID或句柄。
2.跨語(yǔ)言還是單一語(yǔ)言: 單一語(yǔ)言的方案中,頭文件或接口定義完全用一種語(yǔ)言處理即可,如果是跨語(yǔ)言的,就少不免要IDL
3. 混合式通信承載還是使用HTTP服務(wù)器承載: 混合式承載可能可以用到TCP/UDP/共享內(nèi)存等底層技術(shù),可以提供最優(yōu)的性能,但是使用起來(lái)必然非常麻煩。使用HTTP服務(wù)器的話(huà),則非常簡(jiǎn)單,因?yàn)閃WW服務(wù)的開(kāi)源軟件、庫(kù)眾多,而且客戶(hù)端使用瀏覽器或者一些JS頁(yè)面即可調(diào)試,缺點(diǎn)是其性能較低。
假設(shè)我們現(xiàn)在要為某種業(yè)務(wù)邏輯非常多變的領(lǐng)域,如企業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域,或游戲服務(wù)器端領(lǐng)域,去設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用系統(tǒng),我們可能應(yīng)該如下選擇:
1. 使用名字服務(wù)定位遠(yuǎn)程對(duì)象: 由于企業(yè)服務(wù)是需要高可用性的,使用名字服務(wù)能在查詢(xún)名字時(shí)識(shí)別和選擇可用性 服務(wù)對(duì)象。J2EE方案中的EJB(企業(yè)JavaBean)就是用名字服務(wù)的。
2. 使用IDL來(lái)生成接口定義: 由于企業(yè)服務(wù)或游戲服務(wù),其開(kāi)發(fā)語(yǔ)言可能不是統(tǒng)一的,又或者需要高性能的編程語(yǔ)言如C/C++,所以只能使用IDL。
3.使用混合式通信承載: 雖然企業(yè)服務(wù)看起來(lái)無(wú)需在很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)下運(yùn)行,但是不同的企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境又可能是千差萬(wàn)別的,所以要做一個(gè)通用的系統(tǒng),最好還是不怕麻煩提供混合式的通信承載,這樣可以在TCP/UDP等各種協(xié)議中選擇。
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