RPC,即 Remote Procedure Call(遠程過程調用),說得通俗一點就是:調用遠程計算機上的服務,就像調用本地服務一樣。
RPC 可基于 HTTP 或 TCP 協議,Web Service 就是基于 HTTP 協議的 RPC,它具有良好的跨平臺性,但其性能卻不如基于 TCP 協議的 RPC。會兩方面會直接影響 RPC 的性能,一是傳輸方式,二是序列化。
眾所周知,TCP 是傳輸層協議,HTTP 是應用層協議,而傳輸層較應用層更加底層,在數據傳輸方面,越底層越快,因此,在一般情況下,TCP 一定比 HTTP 快。就序列化而言,Java 提供了默認的序列化方式,但在高并發的情況下,這種方式將會帶來一些性能上的瓶頸,于是市面上出現了一系列優秀的序列化框架,比如:Protobuf、Kryo、Hessian、Jackson 等,它們可以取代 Java 默認的序列化,從而提供更高效的性能。
為了支持高并發,傳統的阻塞式 IO 顯然不太合適,因此我們需要異步的 IO,即 NIO。Java 提供了 NIO 的解決方案,Java 7 也提供了更優秀的 NIO.2 支持,用 Java 實現 NIO 并不是遙不可及的事情,只是需要我們熟悉 NIO 的技術細節。
我們需要將服務部署在分布式環境下的不同節點上,通過服務注冊的方式,讓客戶端來自動發現當前可用的服務,并調用這些服務。這需要一種服務注冊表(Service Registry)的組件,讓它來注冊分布式環境下所有的服務地址(包括:主機名與端口號)。
應用、服務、服務注冊表之間的關系見下圖:
每臺 Server 上可發布多個 Service,這些 Service 共用一個 host 與 port,在分布式環境下會提供 Server 共同對外提供 Service。此外,為防止 Service Registry 出現單點故障,因此需要將其搭建為集群環境。
本文將為您揭曉開發輕量級分布式 RPC 框架的具體過程,該框架基于 TCP 協議,提供了 NIO 特性,提供高效的序列化方式,同時也具備服務注冊與發現的能力。
根據以上技術需求,我們可使用如下技術選型:
- Spring:它是最強大的依賴注入框架,也是業界的權威標準。
- Netty:它使 NIO 編程更加容易,屏蔽了 Java 底層的 NIO 細節。
- Protostuff:它基于 Protobuf 序列化框架,面向 POJO,無需編寫 .proto 文件。
- ZooKeeper:提供服務注冊與發現功能,開發分布式系統的必備選擇,同時它也具備天生的集群能力。
相關 Maven 依賴請見最后附錄。
第一步:編寫服務接口
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public interface HelloService { String hello(String name); } |
將該接口放在獨立的客戶端 jar 包中,以供應用使用。
第二步:編寫服務接口的實現類
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@RpcService (HelloService. class ) // 指定遠程接口 public class HelloServiceImpl implements HelloService { @Override public String hello(String name) { return "Hello! " + name; } } |
使用RpcService注解定義在服務接口的實現類上,需要對該實現類指定遠程接口,因為實現類可能會實現多個接口,一定要告訴框架哪個才是遠程接口。
RpcService代碼如下:
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@Target ({ElementType.TYPE}) @Retention (RetentionPolicy.RUNTIME) @Component // 表明可被 Spring 掃描 public @interface RpcService { Class<?> value(); } |
該注解具備 Spring 的Component注解的特性,可被 Spring 掃描。
該實現類放在服務端 jar 包中,該 jar 包還提供了一些服務端的配置文件與啟動服務的引導程序。
第三步:配置服務端
服務端 Spring 配置文件名為spring.xml,內容如下:
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< beans ...> < context:component-scan base-package = "com.xxx.rpc.sample.server" /> < context:property-placeholder location = "classpath:config.properties" /> <!-- 配置服務注冊組件 --> < bean id = "serviceRegistry" class = "com.xxx.rpc.registry.ServiceRegistry" > < constructor-arg name = "registryAddress" value = "${registry.address}" /> </ bean > <!-- 配置 RPC 服務器 --> < bean id = "rpcServer" class = "com.xxx.rpc.server.RpcServer" > < constructor-arg name = "serverAddress" value = "${server.address}" /> < constructor-arg name = "serviceRegistry" ref = "serviceRegistry" /> </ bean > </ beans > |
具體的配置參數在config.properties文件中,內容如下:
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# ZooKeeper 服務器 registry.address=127.0.0.1:2181 # RPC 服務器 server.address=127.0.0.1:8000 |
以上配置表明:連接本地的 ZooKeeper 服務器,并在 8000 端口上發布 RPC 服務。
第四步:啟動服務器并發布服務
為了加載 Spring 配置文件來發布服務,只需編寫一個引導程序即可:
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public class RpcBootstrap { public static void main(String[] args) { new ClassPathXmlApplicationContext( "spring.xml" ); } } |
運行RpcBootstrap類的main方法即可啟動服務端,但還有兩個重要的組件尚未實現,它們分別是:ServiceRegistry與RpcServer,下文會給出具體實現細節。
第五步:實現服務注冊
使用 ZooKeeper 客戶端可輕松實現服務注冊功能,ServiceRegistry代碼如下:
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public class ServiceRegistry { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ServiceRegistry. class ); private CountDownLatch latch = new CountDownLatch( 1 ); private String registryAddress; public ServiceRegistry(String registryAddress) { this .registryAddress = registryAddress; } public void register(String data) { if (data != null ) { ZooKeeper zk = connectServer(); if (zk != null ) { createNode(zk, data); } } } private ZooKeeper connectServer() { ZooKeeper zk = null ; try { zk = new ZooKeeper(registryAddress, Constant.ZK_SESSION_TIMEOUT, new Watcher() { @Override public void process(WatchedEvent event) { if (event.getState() == Event.KeeperState.SyncConnected) { latch.countDown(); } } }); latch.await(); } catch (IOException | InterruptedException e) { LOGGER.error( "" , e); } return zk; } private void createNode(ZooKeeper zk, String data) { try { byte [] bytes = data.getBytes(); String path = zk.create(Constant.ZK_DATA_PATH, bytes, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL); LOGGER.debug( "create zookeeper node ({} => {})" , path, data); } catch (KeeperException | InterruptedException e) { LOGGER.error( "" , e); } } } |
其中,通過Constant配置了所有的常量:
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public interface Constant { int ZK_SESSION_TIMEOUT = 5000 ; String ZK_REGISTRY_PATH = "/registry" ; String ZK_DATA_PATH = ZK_REGISTRY_PATH + "/data" ; } |
注意:首先需要使用 ZooKeeper 客戶端命令行創建/registry永久節點,用于存放所有的服務臨時節點。
第六步:實現 RPC 服務器
使用 Netty 可實現一個支持 NIO 的 RPC 服務器,需要使用ServiceRegistry注冊服務地址,RpcServer代碼如下:
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public class RpcServer implements ApplicationContextAware, InitializingBean { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RpcServer. class ); private String serverAddress; private ServiceRegistry serviceRegistry; private Map<String, Object> handlerMap = new HashMap<>(); // 存放接口名與服務對象之間的映射關系 public RpcServer(String serverAddress) { this .serverAddress = serverAddress; } public RpcServer(String serverAddress, ServiceRegistry serviceRegistry) { this .serverAddress = serverAddress; this .serviceRegistry = serviceRegistry; } @Override public void setApplicationContext(ApplicationContext ctx) throws BeansException { Map<String, Object> serviceBeanMap = ctx.getBeansWithAnnotation(RpcService. class ); // 獲取所有帶有 RpcService 注解的 Spring Bean if (MapUtils.isNotEmpty(serviceBeanMap)) { for (Object serviceBean : serviceBeanMap.values()) { String interfaceName = serviceBean.getClass().getAnnotation(RpcService. class ).value().getName(); handlerMap.put(interfaceName, serviceBean); } } } @Override public void afterPropertiesSet() throws Exception { EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel. class ) .childHandler( new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override public void initChannel(SocketChannel channel) throws Exception { channel.pipeline() .addLast( new RpcDecoder(RpcRequest. class )) // 將 RPC 請求進行解碼(為了處理請求) .addLast( new RpcEncoder(RpcResponse. class )) // 將 RPC 響應進行編碼(為了返回響應) .addLast( new RpcHandler(handlerMap)); // 處理 RPC 請求 } }) .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128 ) .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true ); String[] array = serverAddress.split( ":" ); String host = array[ 0 ]; int port = Integer.parseInt(array[ 1 ]); ChannelFuture future = bootstrap.bind(host, port).sync(); LOGGER.debug( "server started on port {}" , port); if (serviceRegistry != null ) { serviceRegistry.register(serverAddress); // 注冊服務地址 } future.channel().closeFuture().sync(); } finally { workerGroup.shutdownGracefully(); bossGroup.shutdownGracefully(); } } } |
以上代碼中,有兩個重要的 POJO 需要描述一下,它們分別是RpcRequest與RpcResponse。
使用RpcRequest封裝 RPC 請求,代碼如下:
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public class RpcRequest { private String requestId; private String className; private String methodName; private Class<?>[] parameterTypes; private Object[] parameters; // getter/setter... } |
使用RpcResponse封裝 RPC 響應,代碼如下:
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public class RpcResponse { private String requestId; private Throwable error; private Object result; // getter/setter... } |
使用RpcDecoder提供 RPC 解碼,只需擴展 Netty 的ByteToMessageDecoder抽象類的decode方法即可,代碼如下:
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public class RpcDecoder extends ByteToMessageDecoder { private Class<?> genericClass; public RpcDecoder(Class<?> genericClass) { this .genericClass = genericClass; } @Override public void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception { if (in.readableBytes() < 4 ) { return ; } in.markReaderIndex(); int dataLength = in.readInt(); if (dataLength < 0 ) { ctx.close(); } if (in.readableBytes() < dataLength) { in.resetReaderIndex(); return ; } byte [] data = new byte [dataLength]; in.readBytes(data); Object obj = SerializationUtil.deserialize(data, genericClass); out.add(obj); } } |
使用RpcEncoder提供 RPC 編碼,只需擴展 Netty 的MessageToByteEncoder抽象類的encode方法即可,代碼如下:
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public class RpcEncoder extends MessageToByteEncoder { private Class<?> genericClass; public RpcEncoder(Class<?> genericClass) { this .genericClass = genericClass; } @Override public void encode(ChannelHandlerContext ctx, Object in, ByteBuf out) throws Exception { if (genericClass.isInstance(in)) { byte [] data = SerializationUtil.serialize(in); out.writeInt(data.length); out.writeBytes(data); } } } |
編寫一個SerializationUtil工具類,使用Protostuff實現序列化:
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public class SerializationUtil { private static Map<Class<?>, Schema<?>> cachedSchema = new ConcurrentHashMap<>(); private static Objenesis objenesis = new ObjenesisStd( true ); private SerializationUtil() { } @SuppressWarnings ( "unchecked" ) private static <T> Schema<T> getSchema(Class<T> cls) { Schema<T> schema = (Schema<T>) cachedSchema.get(cls); if (schema == null ) { schema = RuntimeSchema.createFrom(cls); if (schema != null ) { cachedSchema.put(cls, schema); } } return schema; } @SuppressWarnings ( "unchecked" ) public static <T> byte [] serialize(T obj) { Class<T> cls = (Class<T>) obj.getClass(); LinkedBuffer buffer = LinkedBuffer.allocate(LinkedBuffer.DEFAULT_BUFFER_SIZE); try { Schema<T> schema = getSchema(cls); return ProtostuffIOUtil.toByteArray(obj, schema, buffer); } catch (Exception e) { throw new IllegalStateException(e.getMessage(), e); } finally { buffer.clear(); } } public static <T> T deserialize( byte [] data, Class<T> cls) { try { T message = (T) objenesis.newInstance(cls); Schema<T> schema = getSchema(cls); ProtostuffIOUtil.mergeFrom(data, message, schema); return message; } catch (Exception e) { throw new IllegalStateException(e.getMessage(), e); } } } |
以上了使用 Objenesis 來實例化對象,它是比 Java 反射更加強大。
注意:如需要替換其它序列化框架,只需修改SerializationUtil即可。當然,更好的實現方式是提供配置項來決定使用哪種序列化方式。
使用RpcHandler中處理 RPC 請求,只需擴展 Netty 的SimpleChannelInboundHandler抽象類即可,代碼如下:
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public class RpcHandler extends SimpleChannelInboundHandler<RpcRequest> { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RpcHandler. class ); private final Map<String, Object> handlerMap; public RpcHandler(Map<String, Object> handlerMap) { this .handlerMap = handlerMap; } @Override public void channelRead0( final ChannelHandlerContext ctx, RpcRequest request) throws Exception { RpcResponse response = new RpcResponse(); response.setRequestId(request.getRequestId()); try { Object result = handle(request); response.setResult(result); } catch (Throwable t) { response.setError(t); } ctx.writeAndFlush(response).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE); } private Object handle(RpcRequest request) throws Throwable { String className = request.getClassName(); Object serviceBean = handlerMap.get(className); Class<?> serviceClass = serviceBean.getClass(); String methodName = request.getMethodName(); Class<?>[] parameterTypes = request.getParameterTypes(); Object[] parameters = request.getParameters(); /*Method method = serviceClass.getMethod(methodName, parameterTypes); method.setAccessible(true); return method.invoke(serviceBean, parameters);*/ FastClass serviceFastClass = FastClass.create(serviceClass); FastMethod serviceFastMethod = serviceFastClass.getMethod(methodName, parameterTypes); return serviceFastMethod.invoke(serviceBean, parameters); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { LOGGER.error( "server caught exception" , cause); ctx.close(); } } |
為了避免使用 Java 反射帶來的性能問題,我們可以使用 CGLib 提供的反射 API,如上面用到的FastClass與FastMethod。
第七步:配置客戶端
同樣使用 Spring 配置文件來配置 RPC 客戶端,spring.xml代碼如下:
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< beans ...> < context:property-placeholder location = "classpath:config.properties" /> <!-- 配置服務發現組件 --> < bean id = "serviceDiscovery" class = "com.xxx.rpc.registry.ServiceDiscovery" > < constructor-arg name = "registryAddress" value = "${registry.address}" /> </ bean > <!-- 配置 RPC 代理 --> < bean id = "rpcProxy" class = "com.xxx.rpc.client.RpcProxy" > < constructor-arg name = "serviceDiscovery" ref = "serviceDiscovery" /> </ bean > </ beans > |
其中config.properties提供了具體的配置:
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# ZooKeeper 服務器 registry.address=127.0.0.1:2181 |
第八步:實現服務發現
同樣使用 ZooKeeper 實現服務發現功能,見如下代碼:
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public class ServiceDiscovery { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ServiceDiscovery. class ); private CountDownLatch latch = new CountDownLatch( 1 ); private volatile List<String> dataList = new ArrayList<>(); private String registryAddress; public ServiceDiscovery(String registryAddress) { this .registryAddress = registryAddress; ZooKeeper zk = connectServer(); if (zk != null ) { watchNode(zk); } } public String discover() { String data = null ; int size = dataList.size(); if (size > 0 ) { if (size == 1 ) { data = dataList.get( 0 ); LOGGER.debug( "using only data: {}" , data); } else { data = dataList.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(size)); LOGGER.debug( "using random data: {}" , data); } } return data; } private ZooKeeper connectServer() { ZooKeeper zk = null ; try { zk = new ZooKeeper(registryAddress, Constant.ZK_SESSION_TIMEOUT, new Watcher() { @Override public void process(WatchedEvent event) { if (event.getState() == Event.KeeperState.SyncConnected) { latch.countDown(); } } }); latch.await(); } catch (IOException | InterruptedException e) { LOGGER.error( "" , e); } return zk; } private void watchNode( final ZooKeeper zk) { try { List<String> nodeList = zk.getChildren(Constant.ZK_REGISTRY_PATH, new Watcher() { @Override public void process(WatchedEvent event) { if (event.getType() == Event.EventType.NodeChildrenChanged) { watchNode(zk); } } }); List<String> dataList = new ArrayList<>(); for (String node : nodeList) { byte [] bytes = zk.getData(Constant.ZK_REGISTRY_PATH + "/" + node, false , null ); dataList.add( new String(bytes)); } LOGGER.debug( "node data: {}" , dataList); this .dataList = dataList; } catch (KeeperException | InterruptedException e) { LOGGER.error( "" , e); } } } |
第九步:實現 RPC 代理
這里使用 Java 提供的動態代理技術實現 RPC 代理(當然也可以使用 CGLib 來實現),具體代碼如下:
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public class RpcProxy { private String serverAddress; private ServiceDiscovery serviceDiscovery; public RpcProxy(String serverAddress) { this .serverAddress = serverAddress; } public RpcProxy(ServiceDiscovery serviceDiscovery) { this .serviceDiscovery = serviceDiscovery; } @SuppressWarnings ( "unchecked" ) public <T> T create(Class<?> interfaceClass) { return (T) Proxy.newProxyInstance( interfaceClass.getClassLoader(), new Class<?>[]{interfaceClass}, new InvocationHandler() { @Override public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { RpcRequest request = new RpcRequest(); // 創建并初始化 RPC 請求 request.setRequestId(UUID.randomUUID().toString()); request.setClassName(method.getDeclaringClass().getName()); request.setMethodName(method.getName()); request.setParameterTypes(method.getParameterTypes()); request.setParameters(args); if (serviceDiscovery != null ) { serverAddress = serviceDiscovery.discover(); // 發現服務 } String[] array = serverAddress.split( ":" ); String host = array[ 0 ]; int port = Integer.parseInt(array[ 1 ]); RpcClient client = new RpcClient(host, port); // 初始化 RPC 客戶端 RpcResponse response = client.send(request); // 通過 RPC 客戶端發送 RPC 請求并獲取 RPC 響應 if (response.isError()) { throw response.getError(); } else { return response.getResult(); } } } ); } } |
使用RpcClient類實現 RPC 客戶端,只需擴展 Netty 提供的SimpleChannelInboundHandler抽象類即可,代碼如下:
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public class RpcClient extends SimpleChannelInboundHandler<RpcResponse> { private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RpcClient. class ); private String host; private int port; private RpcResponse response; private final Object obj = new Object(); public RpcClient(String host, int port) { this .host = host; this .port = port; } @Override public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, RpcResponse response) throws Exception { this .response = response; synchronized (obj) { obj.notifyAll(); // 收到響應,喚醒線程 } } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { LOGGER.error( "client caught exception" , cause); ctx.close(); } public RpcResponse send(RpcRequest request) throws Exception { EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); try { Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel. class ) .handler( new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override public void initChannel(SocketChannel channel) throws Exception { channel.pipeline() .addLast( new RpcEncoder(RpcRequest. class )) // 將 RPC 請求進行編碼(為了發送請求) .addLast( new RpcDecoder(RpcResponse. class )) // 將 RPC 響應進行解碼(為了處理響應) .addLast(RpcClient. this ); // 使用 RpcClient 發送 RPC 請求 } }) .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true ); ChannelFuture future = bootstrap.connect(host, port).sync(); future.channel().writeAndFlush(request).sync(); synchronized (obj) { obj.wait(); // 未收到響應,使線程等待 } if (response != null ) { future.channel().closeFuture().sync(); } return response; } finally { group.shutdownGracefully(); } } } |
第十步:發送 RPC 請求
使用 JUnit 結合 Spring 編寫一個單元測試,代碼如下:
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@RunWith (SpringJUnit4ClassRunner. class ) @ContextConfiguration (locations = "classpath:spring.xml" ) public class HelloServiceTest { @Autowired private RpcProxy rpcProxy; @Test public void helloTest() { HelloService helloService = rpcProxy.create(HelloService. class ); String result = helloService.hello( "World" ); Assert.assertEquals( "Hello! World" , result); } } |
運行以上單元測試,如果不出意外的話,您應該會看到綠條。
總結
本文通過 Spring + Netty + Protostuff + ZooKeeper 實現了一個輕量級 RPC 框架,使用 Spring 提供依賴注入與參數配置,使用 Netty 實現 NIO 方式的數據傳輸,使用 Protostuff 實現對象序列化,使用 ZooKeeper 實現服務注冊與發現。使用該框架,可將服務部署到分布式環境中的任意節點上,客戶端通過遠程接口來調用服務端的具體實現,讓服務端與客戶端的開發完全分離,為實現大規模分布式應用提供了基礎支持。
附錄:Maven 依賴
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