使用反射实现简易的Golang RPC 框架

发布于2020-06-07 | 429 阅读 | 0 喜欢 | golang rpc

背景

微服务架构下数据交互一般是对内 RPC,对外 REST,拿笔者所在的社交 App 后端业务举例:用户注册时客户端会带上输入的手机号请求 API 层,API 将手机号传递给短信微服务,短信微服务再调用阿里大鱼的短信接口,下发验证码。

其实短信发送的业务完全可以放到 API 层直接做,session 和 profile 的业务同理。但这么做有 3 个缺点:

  • 部署效率低:如果加上 websocket(保持与客户端长连接)、goexif(用户头像解码)... 等各种第三方依赖,API 项目下的 vendor/ 将会变得臃肿,上辄几百 MB,每次编译、部署和测试过程都需要大量时间等待。

  • 开发成本高:当业务繁杂模块较多时,每个模块添加新功能或 fix bug 都要重新完整发布 API 项目,重新测试,测试不通过还得重新发布。

  • 系统可用性差:所有模块功能都编译到一个可执行文件中,若某一模块代码出现问题,将可能导致整个 API 项目挂掉,所有服务不可用。比如在用户位置模块中有经纬度转城市的功能,需要调用高德地图的 API,使用 gopool 库批量并发的去请求转换,忘记调用 batch.QueueComplete() 结果导致 pool 中 goroutine 的数量只增不减,可能拖垮整个 API 项目。

将业务按功能模块拆分到各个微服务,具有提高项目协作效率、降低模块耦合度、提高系统可用性等优点,但是开发门槛比较高,比如 RPC 框架的使用、后期的服务监控等工作。

本文实现一个极简的 RPC 框架,完成 Client 远程调用 Server 的核心功能,姑且不考虑超时重连、心跳保活等网络层机制。

本地调用

在程序中,常常将代码段封装成函数执行。如:

package main

import "fmt"

type User struct {
    Name string
    Age  int
}

func main() {
    u, err := queryUser(6)
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
        return
    }
    fmt.Printf("name: %s, age: %d\n", u.Name, u.Age)
}

// 模拟数据库查询
func queryUser(uid int) (User, error) {
    userDB := make(map[int]User)
    userDB[0] = User{"Dennis", 70}
    userDB[1] = User{"Ken", 75}
    userDB[2] = User{"Rob", 62}
    if u, ok := userDB[uid]; ok {
        return u, nil
    }
    return User{}, fmt.Errorf("id %d not in user db", uid)
}

函数 queryUser() 在本地代码库中直接调用,就能查询到想要的用户信息。

RPC 调用

现将模拟的用户数据作为单独的服务运行,客户端通过网络实现调用。大致流程图如下: 8319546885b9913daa8cd6_articlex.jpeg

注:client 和 server 可以是两台不同 IP 的主机,也可以是本机上两个端口不同的程序。

如上图,实现调用的前提是 server 能解析请求数据,client 能解析响应数据,即两端要约定好数据包的格式。

网络传输数据格式

成熟的 RPC 框架会有自定义 TLV 协议(固定长度消息头 + 变长消息体)等。

读取网络字节流时,需要知道要读取多少字节作为的数据部分,故在头部中使用 4 字节长的 header 部分来标识 data 的长度。读写如下:

package simple_rpc

import (
    "encoding/binary"
    "io"
    "net"
)

type Session struct {
    conn net.Conn
}

// 向连接中写数据
func (s *Session) Write(data []byte) error {
    buf := make([]byte, 4+len(data))                       // 4 字节头部 + 数据长度
    binary.BigEndian.PutUint32(buf[:4], uint32(len(data))) // 写入头部
    copy(buf[4:], data)                                    // 写入数据
    _, err := s.conn.Write(buf)
    if err != nil {
        return err
    }
    return nil
}

// 从连接中读数据
func (s *Session) Read() ([]byte, error) {
    header := make([]byte, 4)
    _, err := io.ReadFull(s.conn, header)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    dataLen := binary.BigEndian.Uint32(header)
    data := make([]byte, dataLen)
    _, err = io.ReadFull(s.conn, data)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return data, nil
}

注:binary 包只认固定长度的类型,故 header 使用 uint32 而非 int

func TestSession_ReadWrite(t *testing.T) {
    addr := "0.0.0.0:2333"
    cont := "yep"
    wg := sync.WaitGroup{}
    wg.Add(2)
    go func() {
        defer wg.Done()
        l, err := net.Listen("tcp", addr)
        if err != nil {
            t.Fatal(err)
        }
        conn, _ := l.Accept()
        s := Session{conn: conn}
        err = s.Write([]byte(cont))
        if err != nil {
            t.Fatal(err)
        }
    }()

    go func() {
        defer wg.Done()
        conn, err := net.Dial("tcp", addr)
        if err != nil {
            t.Fatal(err)
        }
        s := Session{conn: conn}
        data, err := s.Read()
        if err != nil {
            t.Fatal(err)
        }
        if string(data) != cont {
            t.FailNow()
        }
    }()

    wg.Wait()
}

反射与 RPC

server 端接收到的数据需要包括:调用的函数名、参数列表。一般我们会约定第二个返回值是 error 类型,表示 RPC 调用结结果(gRPC 标准)

Call 执行调用

RPC Server 需解决 2 个问题:

  • Client 调用时只传过来函数名,需要维护函数名到函数之间的 map,才能知道 Client 想要执行什么函数

  • 从 reflect.Value 到函数调用,使用 Value.Call() 函数

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    funcs := make(map[string]reflect.Value) // server 端维护 funcName => func 的 map
    funcs["incr"] = reflect.ValueOf(incr)
    args := []reflect.Value{reflect.ValueOf(1)} // 构建参数(client 传递上来)
    vals := funcs["incr"].Call(args)            // 调用执行
    var res []interface{}
    for _, val := range vals {
        res = append(res, val.Interface()) // 处理返回值
    }
    fmt.Println(res)    // [2, <nil>]
}

func incr(n int) (int, error) {
    return n + 1, nil
}

看到这里,RPC Server 端的核心工作如下:

  • 维护函数名到函数反射值的 map

  • client 端传递函数名、参数列表后,解析为反射值,调用执行

  • 函数的返回值打包通过网络返回给客户端

MakeFunc 生成调用

RPC Client 需解决问题:函数的具体实现在 Server 端,Client 只有该函数的原型。使用 MakeFunc() 完成原型到函数的调用。

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    swap := func(args []reflect.Value) []reflect.Value {
        return []reflect.Value{args[1], args[0]}
    }

    var intSwap func(int, int) (int, int)
    fn := reflect.ValueOf(&intSwap).Elem() // 获取 intSwap 未初始化的函数原型
    v := reflect.MakeFunc(fn.Type(), swap) // MakeFunc 使用传入的函数原型创建一个绑定 swap 的新函数
    fn.Set(v)                              // 为函数 intSwap 赋值

    fmt.Println(intSwap(1, 2)) // 2 1
}

RPC 数据

我们定义 RPC 交互的数据格式,即要存储到上边网络字节流中 data 部分的数据:

type RPCData struct {
    Name string
    Args []interface{}
}

定义其对应的编码解码函数:

func encode(data RPCData) ([]byte, error) {
    var buf bytes.Buffer
    bufEnc := gob.NewEncoder(&buf)
    if err := bufEnc.Encode(data); err != nil {
        return nil, err
    }
    return buf.Bytes(), nil
}

func decode(b []byte) (RPCData, error) {
    buf := bytes.NewBuffer(b)
    bufDec := gob.NewDecoder(buf)
    var data RPCData
    if err := bufDec.Decode(&data); err != nil {
        return data, err
    }
    return data, nil
}

Server 端

结构

server 端需要维护连接与 RPC 函数名到 RPC 函数本身的映射,结构如下:

type Server struct {
    addr  string
    funcs map[string]reflect.Value
}

注册函数

将函数名与函数的真正实现对应起来:

func (s *Server) Register(rpcName string, f interface{}) {
    if _, ok := s.funcs[rpcName]; ok {
        return
    }
    fVal := reflect.ValueOf(f)
    s.funcs[rpcName] = fVal
}

执行调用

为了看清楚服务端的工作流程,暂且忽略错误处理:

// 等待
func (s *Server) Run() {
    l, _ := net.Listen("tcp", s.addr)
    for {
        conn, _ := l.Accept()
        srvSession := NewSession(conn)

        // 读取 RPC 调用数据
        b, _ := srvSession.Read()

        // 解码 RPC 调用数据
        rpcData, _ := decode(b)

        f, ok := s.funcs[rpcData.Name]
        if !ok {
            fmt.Printf("func %s not exists", rpcData.Name)
            return
        }
        
        // 构造函数的参数
        inArgs := make([]reflect.Value, 0, len(rpcData.Args))
        for _, arg := range rpcData.Args {
            inArgs = append(inArgs, reflect.ValueOf(arg))
        }

        // 执行调用
        out := f.Call(inArgs)
        outArgs := make([]interface{}, 0, len(out))
        for _, o := range out {
            outArgs = append(outArgs, o.Interface())
        }

        // 包装数据返回给客户端
        respRPCData := RPCData{rpcData.Name, outArgs}
        respBytes, _ := encode(respRPCData)
        srvSession.Write(respBytes)
    }
}

Client 端

直接调用即可:

// fPtr 指向函数原型
func (c *Client) callRPC(rpcName string, fPtr interface{}) {
    fn := reflect.ValueOf(fPtr).Elem()

    // 完成与 Server 的交互
    f := func(args []reflect.Value) []reflect.Value {
        // 处理输入参数
        inArgs := make([]interface{}, 0, len(args))
        for _, arg := range args {
            inArgs = append(inArgs, arg.Interface())
        }

        // 编码 RPC 数据并请求
        cliSession := NewSession(c.conn)
        reqRPC := RPCData{Name: rpcName, Args: inArgs}    
        b, _ := encode(reqRPC)
        cliSession.Write(b)
        
        // 解码响应数据,得到返回参数
        respBytes, _ := cliSession.Read()
        respRPC, _ := decode(respBytes)

        outArgs := make([]reflect.Value, 0, len(respRPC.Args))
        for i, arg := range respRPC.Args {
            // 必须进行 nil 转换
            if arg == nil {
                outArgs = append(outArgs, reflect.Zero(fn.Type().Out(i)))
                continue
            }
            outArgs = append(outArgs, reflect.ValueOf(arg))
        }
        return outArgs
    }
    v := reflect.MakeFunc(fn.Type(), f)
    fn.Set(v)
}

MakeFunc 是 Client 从函数原型到网络调用的关键。

测试

func TestRPC(t *testing.T) {
    gob.Register(User{})

    addr := "0.0.0.0:2333"
    srv := NewServer(addr)
    srv.Register("queryUser", queryUser)
    go srv.Run()

    conn, err := net.Dial("tcp", addr)
    if err != nil {
        t.Error(err)
    }
    cli := NewClient(conn)

    var query func(int) (User, error)
    cli.callRPC("queryUser", &query)
    
    // RPC 调用
    u, err := query(1)
    fmt.Println(err, u)
}

type User struct {
    Name string
    Age  int
}

func queryUser(uid int) (User, error) {
    userDB := make(map[int]User)
    userDB[0] = User{"Dennis", 70}
    userDB[1] = User{"Ken", 75}
    userDB[2] = User{"Rob", 62}
    if u, ok := userDB[uid]; ok {
        return u, nil
    }
    return User{}, fmt.Errorf("id %d not in user db", uid)
}

总结

如测试文件中所示,queryUser() 没有在 server.go 中实现,所以本文的 demo 并不是完全意义上的 RPC 框架,不过阐释清楚了 RPC 的核心点:反射调用。

上边的 demo 使用裸 net.Conn 进行阻塞式的读写。投入生产环境的 RPC 框架往往有着健壮的底层网络机制,比如使用非阻塞式 IO 读写、实现 Client 与 Server 端保持超时重连、心跳检测等等复杂的机制。