300行Go代码玩转RPC

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女主宣言

最近，小编一直在研究RPC的原理及实现方式。在本篇文章中将通过用300行纯Golang编写简单的RPC框架来解释RPC。希望能帮助大家梳理RPC相关知识点。

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我们通过从头开始在Golang中构建一个简单的RPC框架来学习RPC基础构成。

什么是RPC

简单地说，服务A想调用服务B的函数。但是这两个服务不在同一个内存空间中。所以不能直接调用它。

因此，为了实现这个调用，我们需要表达如何调用以及如何通过网络传递通信的语义。

让我们考虑一下，当我们可以在相同的内存空间（本地调用）中运行时，我们要怎么做。

type User struct {
Name string
Age int
}

var userDB = map[int]User{
1: User{"Ankur", 85},
9: User{"Anand", 25},
8: User{"Ankur Anand", 27},
}


func QueryUser(id int) (User, error) {
if u, ok := userDB[id]; ok {
return u, nil
}

return User{}, fmt.Errorf("id %d not in user db", id)
}


func main() {
u , err := QueryUser(8)
if err != nil {
fmt.Println(err)
return
}

fmt.Printf("name: %s, age: %d \n", u.Name, u.Age)
}

现在我们如何在网络上进行相同的函数调用

客户端将通过网络调用 QueryUser(id int) 函数，并且将有一个服务端提供对该函数的调用，并返回响应 User{"Name", id}, nil。

网络传输数据格式

我们将采用TLV（定长报头+变长消息体）编码方案来规范 tcp 上的数据传输。稍后会详细介绍

在通过网络发送数据之前，我们需要定义如何通过网络发送数据的结构。

这有助于我们定义一个通用协议，客户端和服务端都可以理解这个协议。（protobuf IDL定义了服务端和客户端都能理解的内容）。

因此，服务端接收到的数据、要调用的函数名和参数列表，或者来自客户端的数据都需要传递这些参数。

另外，让我们约定第二个返回值的类型为 error，表示RPC调用结果。

// RPC数据传输格式
type RPCdata struct {
Name string        // name of the function
Args []interface{} // request's or response's body expect error.
Err  string        // Error any executing remote server
}

现在我们有了一个格式，我们需要序列化它以便我们可以通过网络发送它。在本例中，我们将使用 go 默认的二进制序列化协议进行编码和解码。

// be sent over the network.
func Encode(data RPCdata) ([]byte, error) {
var buf bytes.Buffer
encoder := gob.NewEncoder(&buf)
if err := encoder.Encode(data); err != nil {
return nil, err
}
return buf.Bytes(), nil
}

// Decode the binary data into the Go struct
func Decode(b []byte) (RPCdata, error) {
buf := bytes.NewBuffer(b)
decoder := gob.NewDecoder(buf)
var data RPCdata
if err := decoder.Decode(&data); err != nil {
return Data{}, err
}
return data, nil
}

网络传输

选择 TLV 协议的原因是由于其非常容易实现，同时也完成了我们需要识别的数据读取的长度，因为我们需要确定这个请求读取的字节数的传入请求流。发送和接收都执行相同的操作。

// Transport will use TLV protocol
type Transport struct {
conn net.Conn // Conn is a generic stream-oriented network connection.
}

// NewTransport creates a Transport
func NewTransport(conn net.Conn) *Transport {
return &Transport{conn}
}

// Send TLV data over the network
func (t *Transport) Send(data []byte) error {
// we will need 4 more byte then the len of data
// as TLV header is 4bytes and in this header
// we will encode how much byte of data
// we are sending for this request.
buf := make([]byte, 4+len(data))
binary.BigEndian.PutUint32(buf[:4], uint32(len(data)))
copy(buf[4:], data)
_, err := t.conn.Write(buf)
if err != nil {
return err
}
return nil
}

// Read TLV sent over the wire
func (t *Transport) Read() ([]byte, error) {
header := make([]byte, 4)
_, err := io.ReadFull(t.conn, header)
if err != nil {
return nil, err
}
dataLen := binary.BigEndian.Uint32(header)
data := make([]byte, dataLen)
_, err = io.ReadFull(t.conn, data)
if err != nil {
return nil, err
}
return data, nil
}

现在我们已经定义了数据格式和传输协议。下面我们还需要RPC服务器和RPC客户端的实现。

RPC服务器

RPC服务器将接收具有函数名的 RPCData。因此，我们需要维护和映射包含函数名到实际函数映射的函数

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

// Register the name of the function and its entries
func (s *RPCServer) Register(fnName string, fFunc interface{}) {
if _,ok := s.funcs[fnName]; ok {
return
}

s.funcs[fnName] = reflect.ValueOf(fFunc)
}

现在我们已经注册了 func，当我们收到请求时，我们将检查函数执行期间传递的func的名称是否存在。然后执行相应的操作

// Execute the given function if present
func (s *RPCServer) Execute(req RPCdata) RPCdata {
// get method by name
f, ok := s.funcs[req.Name]
if !ok {
// since method is not present
e := fmt.Sprintf("func %s not Registered", req.Name)
log.Println(e)
return RPCdata{Name: req.Name, Args: nil, Err: e}
}

log.Printf("func %s is called\n", req.Name)
// unpackage request arguments
inArgs := make([]reflect.Value, len(req.Args))
for i := range req.Args {
inArgs[i] = reflect.ValueOf(req.Args[i])
}

// invoke requested method
out := f.Call(inArgs)
// now since we have followed the function signature style where last argument will be an error
// so we will pack the response arguments expect error.
resArgs := make([]interface{}, len(out) - 1)
for i := 0; i < len(out) - 1; i ++ {
// Interface returns the constant value stored in v as an interface{}.
resArgs[i] = out[i].Interface()
}

// pack error argument
var er string
if e, ok := out[len(out) - 1].Interface().(error); ok {
// convert the error into error string value
er = e.Error()
}
return RPCdata{Name: req.Name, Args: resArgs, Err: er}
}

RPC客户端

由于函数的具体实现在服务器端，客户端只有函数的原型，所以我们需要调用函数的完整原型，这样我们才能调用它。

func (c *Client) callRPC(rpcName string, fPtr interface{}) {
container := reflect.ValueOf(fPtr).Elem()
f := func(req []reflect.Value) []reflect.Value {
cReqTransport := NewTransport(c.conn)
errorHandler := func(err error) []reflect.Value {
outArgs := make([]reflect.Value, container.Type().NumOut())
for i := 0; i < len(outArgs)-1; i++ {
outArgs[i] = reflect.Zero(container.Type().Out(i))
}
outArgs[len(outArgs)-1] = reflect.ValueOf(&err).Elem()
return outArgs
}

// Process input parameters
inArgs := make([]interface{}, 0, len(req))
for _, arg := range req {
inArgs = append(inArgs, arg.Interface())
}

// ReqRPC
reqRPC := RPCdata{Name: rpcName, Args: inArgs}
b, err := Encode(reqRPC)
if err != nil {
panic(err)
}
err = cReqTransport.Send(b)
if err != nil {
return errorHandler(err)
}
// receive response from server
rsp, err := cReqTransport.Read()
if err != nil { // local network error or decode error
return errorHandler(err)
}
rspDecode, _ := Decode(rsp)
if rspDecode.Err != "" { // remote server error
return errorHandler(errors.New(rspDecode.Err))
}

if len(rspDecode.Args) == 0 {
rspDecode.Args = make([]interface{}, container.Type().NumOut())
}
// unpackage response arguments
numOut := container.Type().NumOut()
outArgs := make([]reflect.Value, numOut)
for i := 0; i < numOut; i++ {
if i != numOut-1 { // unpackage arguments (except error)
if rspDecode.Args[i] == nil { // if argument is nil (gob will ignore "Zero" in transmission), set "Zero" value
outArgs[i] = reflect.Zero(container.Type().Out(i))
} else {
outArgs[i] = reflect.ValueOf(rspDecode.Args[i])
}
} else { // unpackage error argument
outArgs[i] = reflect.Zero(container.Type().Out(i))
}
}

return outArgs
}
container.Set(reflect.MakeFunc(container.Type(), f))
}

测试一下我们的框架

package main

import (
"encoding/gob"
"fmt"
"net"
)

type User struct {
Name string
Age  int
}

var userDB = map[int]User{
1: User{"Ankur", 85},
9: User{"Anand", 25},
8: User{"Ankur Anand", 27},
}

func QueryUser(id int) (User, error) {
if u, ok := userDB[id]; ok {
return u, nil
}

return User{}, fmt.Errorf("id %d not in user db", id)
}

func main() {
// new Type needs to be registered
gob.Register(User{})
addr := "localhost:3212"
srv := NewServer(addr)

// start server
srv.Register("QueryUser", QueryUser)
go srv.Run()

// wait for server to start.
time.Sleep(1 * time.Second)

// start client
conn, err := net.Dial("tcp", addr)
if err != nil {
panic(err)
}
cli := NewClient(conn)

var Query func(int) (User, error)
cli.callRPC("QueryUser", &Query)

u, err := Query(1)
if err != nil {
panic(err)
}
fmt.Println(u)

u2, err := Query(8)
if err != nil {
panic(err)
}
fmt.Println(u2)
}

执行：go run main.go

输出内容

2019/07/23 20:26:18 func QueryUser is called
{Ankur 85}
2019/07/23 20:26:18 func QueryUser is called
{Ankur Anand 27}

总结

致此我们简单的RPC框架就实现完成了，旨在帮大家理解RPC的原理及上手简单实践。如果大家对这篇文章中所讲内容有异议，或者想进一步讨论，请留言回复。

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