轻量级分布式 RPC 框架
RPC，即 Remote Procedure Call（远程过程调用），说得通俗一点就是：调用远程计算机上的服务，就像调用本地服务一样。
RPC 可基于 HTTP 或 TCP 协议，Web Service 就是基于 HTTP 协议的 RPC，它具有良好的跨平台性，但其性能却不如基于 TCP 协议的 RPC。会两方面会直接影响 RPC 的性能，一是传输方式，二是序列化。
众所周知，TCP 是传输层协议，HTTP 是应用层协议，而传输层较应用层更加底层，在数据传输方面，越底层越快，因此，在一般情况下，TCP 一定比 HTTP 快。就序列化而言，Java 提供了默认的序列化方式，但在高并发的情况下，这种方式将会带来一些性能上的瓶颈，于是市面上出现了一系列优秀的序列化框架，比如：Protobuf、Kryo、Hessian、Jackson 等，它们可以取代 Java 默认的序列化，从而提供更高效的性能。
为了支持高并发，传统的阻塞式 IO 显然不太合适，因此我们需要异步的 IO，即 NIO。Java 提供了 NIO 的解决方案，Java 7 也提供了更优秀的 NIO.2 支持，用 Java 实现 NIO 并不是遥不可及的事情，只是需要我们熟悉 NIO 的技术细节。
我们需要将服务部署在分布式环境下的不同节点上，通过服务注册的方式，让客户端来自动发现当前可用的服务，并调用这些服务。这需要一种服务注册表（Service Registry）的组件，让它来注册分布式环境下所有的服务地址（包括：主机名与端口号）。
应用、服务、服务注册表之间的关系见下图：
每台 Server 上可发布多个 Service，这些 Service 共用一个 host 与 port，在分布式环境下会提供 Server 共同对外提供 Service。此外，为防止 Service Registry 出现单点故障，因此需要将其搭建为集群环境。
本文将为您揭晓开发轻量级分布式 RPC 框架的具体过程，该框架基于 TCP 协议，提供了 NIO 特性，提供高效的序列化方式，同时也具备服务注册与发现的能力。
根据以上技术需求，我们可使用如下技术选型：
- Spring：它是最强大的依赖注入框架，也是业界的权威标准。
- Netty：它使 NIO 编程更加容易，屏蔽了 Java 底层的 NIO 细节。
- Protostuff：它基于 Protobuf 序列化框架，面向 POJO，无需编写 .proto 文件。
- ZooKeeper：提供服务注册与发现功能，开发分布式系统的必备选择，同时它也具备天生的集群能力。
相关 Maven 依赖请见附录。
第一步：编写服务接口
public interface HelloService {
String hello(String name);
}
将该接口放在独立的客户端 jar 包中，以供应用使用。
第二步：编写服务接口的实现类
@RpcService(HelloService.class) // 指定远程接口
public class HelloServiceImpl implements HelloService {
@Override
public String hello(String name) {
return "Hello! " + name;
}
}
使用RpcService注解定义在服务接口的实现类上，需要对该实现类指定远程接口，因为实现类可能会实现多个接口，一定要告诉框架哪个才是远程接口。
RpcService代码如下：
@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Component // 表明可被 Spring 扫描
public @interface RpcService {
Class<?> value();
}
该注解具备 Spring 的Component注解的特性，可被 Spring 扫描。
该实现类放在服务端 jar 包中，该 jar 包还提供了一些服务端的配置文件与启动服务的引导程序。
第三步：配置服务端
服务端 Spring 配置文件名为spring.xml，内容如下：
<beans ...>
<context:component-scan base-package="com.xxx.rpc.sample.server"/>
<context:property-placeholder location="classpath:config.properties"/>
<!-- 配置服务注册组件 -->
<bean id="serviceRegistry" class="com.xxx.rpc.registry.ServiceRegistry">
<constructor-arg name="registryAddress" value="${registry.address}"/>
</bean>
<!-- 配置 RPC 服务器 -->
<bean id="rpcServer" class="com.xxx.rpc.server.RpcServer">
<constructor-arg name="serverAddress" value="${server.address}"/>
<constructor-arg name="serviceRegistry" ref="serviceRegistry"/>
</bean>
</beans>
具体的配置参数在config.properties文件中，内容如下：
# ZooKeeper 服务器
registry.address=127.0.0.1:2181
# RPC 服务器
server.address=127.0.0.1:8000
以上配置表明：连接本地的 ZooKeeper 服务器，并在 8000 端口上发布 RPC 服务。
第四步：启动服务器并发布服务
为了加载 Spring 配置文件来发布服务，只需编写一个引导程序即可：
public class RpcBootstrap {
public static void main(String[] args) {
new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml");
}
}
运行RpcBootstrap类的main方法即可启动服务端，但还有两个重要的组件尚未实现，它们分别是：ServiceRegistry与RpcServer，下文会给出具体实现细节。
第五步：实现服务注册
使用 ZooKeeper 客户端可轻松实现服务注册功能，ServiceRegistry代码如下：
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，通过Constant配置了所有的常量：
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 客户端命令行创建/registry永久节点，用于存放所有的服务临时节点。
第六步：实现 RPC 服务器
使用 Netty 可实现一个支持 NIO 的 RPC 服务器，需要使用ServiceRegistry注册服务地址，RpcServer代码如下：
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<>(); // 存放接口名与服务对象之间的映射关系
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); // 获取所有带有 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)) // 将 RPC 请求进行解码（为了处理请求）
.addLast(new RpcEncoder(RpcResponse.class)) // 将 RPC 响应进行编码（为了返回响应）
.addLast(new RpcHandler(handlerMap)); // 处理 RPC 请求
}
})
.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); // 注册服务地址
}
future.channel().closeFuture().sync();
} finally {
workerGroup.shutdownGracefully();
bossGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
以上代码中，有两个重要的 POJO 需要描述一下，它们分别是RpcRequest与RpcResponse。
使用RpcRequest封装 RPC 请求，代码如下：
public class RpcRequest {
private String requestId;
private String className;
private String methodName;
private Class<?>[] parameterTypes;
private Object[] parameters;
// getter/setter...
}
使用RpcResponse封装 RPC 响应，代码如下：
public class RpcResponse {
private String requestId;
private Throwable error;
private Object result;
// getter/setter...
}
使用RpcDecoder提供 RPC 解码，只需扩展 Netty 的ByteToMessageDecoder抽象类的decode方法即可，代码如下：
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 编码，只需扩展 Netty 的MessageToByteEncoder抽象类的encode方法即可，代码如下：
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);
}
}
}
编写一个SerializationUtil工具类，使用Protostuff实现序列化：
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 来实例化对象，它是比 Java 反射更加强大。
注意：如需要替换其它序列化框架，只需修改SerializationUtil即可。当然，更好的实现方式是提供配置项来决定使用哪种序列化方式。
使用RpcHandler中处理 RPC 请求，只需扩展 Netty 的SimpleChannelInboundHandler抽象类即可，代码如下：
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();
}
}
为了避免使用 Java 反射带来的性能问题，我们可以使用 CGLib 提供的反射 API，如上面用到的FastClass与FastMethod。
第七步：配置客户端
同样使用 Spring 配置文件来配置 RPC 客户端，spring.xml代码如下：
<beans ...>
<context:property-placeholder location="classpath:config.properties"/>
<!-- 配置服务发现组件 -->
<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提供了具体的配置：
# ZooKeeper 服务器
registry.address=127.0.0.1:2181
第八步：实现服务发现
同样使用 ZooKeeper 实现服务发现功能，见如下代码：
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：实现 RPC 代理
这里使用 Java 提供的动态代理技术实现 RPC 代理（当然也可以使用 CGLib 来实现），具体代码如下：
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(); // 创建并初始化 RPC 请求
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(); // 发现服务
}
String[] array = serverAddress.split(":");
String host = array[0];
int port = Integer.parseInt(array[1]);
RpcClient client = new RpcClient(host, port); // 初始化 RPC 客户端
RpcResponse response = client.send(request); // 通过 RPC 客户端发送 RPC 请求并获取 RPC 响应
if (response.isError()) {
throw response.getError();
} else {
return response.getResult();
}
}
}
);
}
}
使用RpcClient类实现 RPC 客户端，只需扩展 Netty 提供的SimpleChannelInboundHandler抽象类即可，代码如下：
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(); // 收到响应，唤醒线程
}
}
@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)) // 将 RPC 请求进行编码（为了发送请求）
.addLast(new RpcDecoder(RpcResponse.class)) // 将 RPC 响应进行解码（为了处理响应）
.addLast(RpcClient.this); // 使用 RpcClient 发送 RPC 请求
}
})
.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
ChannelFuture future = bootstrap.connect(host, port).sync();
future.channel().writeAndFlush(request).sync();
synchronized (obj) {
obj.wait(); // 未收到响应，使线程等待
}
if (response != null) {
future.channel().closeFuture().sync();
}
return response;
} finally {
group.shutdownGracefully();
}
}
}
第十步：发送 RPC 请求
使用 JUnit 结合 Spring 编写一个单元测试，代码如下：
<!-- lang: java -->
@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);
}
}
运行以上单元测试，如果不出意外的话，您应该会看到绿条。
总结
本文通过 Spring + Netty + Protostuff + ZooKeeper 实现了一个轻量级 RPC 框架，使用 Spring 提供依赖注入与参数配置，使用 Netty 实现 NIO 方式的数据传输，使用 Protostuff 实现对象序列化，使用 ZooKeeper 实现服务注册与发现。使用该框架，可将服务部署到分布式环境中的任意节点上，客户端通过远程接口来调用服务端的具体实现，让服务端与客户端的开发完全分离，为实现大规模分布式应用提供了基础支持。
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