13-API风格（下）：RPCAPI介绍

吃胖点儿2024-04-02 12:56

RPC在Go项目开发中用得也非常多，需要我们认真掌握。

RPC介绍

根据维基百科的定义，RPC（Remote Procedure Call），即远程过程调用，是一个计算机通信协议。该协议允许运行于一台计算机的程序调用另一台计算机的子程序，而程序员不用额外地为这个交互作用编程。

通俗来讲，就是服务端实现了一个函数，客户端使用RPC框架提供的接口，像调用本地函数一样调用这个函数，并获取返回值。

RPC的调用过程如下图所示：

RPC调用具体流程如下：

  1. Client通过本地调用，调用Client Stub。
  2. Client Stub将参数打包（也叫Marshalling）成一个消息，然后发送这个消息。
  3. Client所在的OS将消息发送给Server。
  4. Server端接收到消息后，将消息传递给Server Stub。
  5. Server Stub将消息解包（也叫 Unmarshalling）得到参数。
  6. Server Stub调用服务端的子程序（函数），处理完后，将最终结果按照相反的步骤返回给 Client。

这里需要注意，Stub负责调用参数和返回值的流化（serialization）、参数的打包和解包，以及网络层的通信。Client端一般叫Stub，Server端一般叫Skeleton。

目前，业界有很多优秀的RPC协议，例如腾讯的Tars、阿里的Dubbo、微博的Motan、Facebook的Thrift、RPCX，等等。但使用最多的还是gRPC

gRPC介绍

gRPC是由Google开发的高性能、开源、跨多种编程语言的通用RPC框架，基于HTTP 2.0协议开发，默认采用Protocol Buffers数据序列化协议。gRPC具有如下特性：

  • 支持多种语言，例如 Go、Java、C、C++、C#、Node.js、PHP、Python、Ruby等。
  • 基于IDL（Interface Definition Language）文件定义服务，通过proto3工具生成指定语言的数据结构、服务端接口以及客户端Stub。通过这种方式，也可以将服务端和客户端解耦，使客户端和服务端可以并行开发。
  • 通信协议基于标准的HTTP/2设计，支持双向流、消息头压缩、单TCP的多路复用、服务端推送等特性。
  • 支持Protobuf和JSON序列化数据格式。Protobuf是一种语言无关的高性能序列化框架，可以减少网络传输流量，提高通信效率。

这里要注意的是，gRPC的全称不是golang Remote Procedure Call，而是google Remote Procedure Call。

gRPC的调用如下图所示：

，通过gRPC调用**，我们可以非常容易地构建出一个分布式应用。**

gRPC支持多种语言，比如我们可以用Go语言实现gRPC服务，并通过Java语言客户端调用gRPC服务所提供的方法。通过多语言支持，我们编写的gRPC服务能满足客户端多语言的需求。

gRPC API接口通常使用的数据传输格式是Protocol Buffers。接下来，我们就一起了解下Protocol Buffers。

Protocol Buffers介绍

Protocol Buffers（ProtocolBuffer/ protobuf）是Google开发的一套对数据结构进行序列化的方法，可用作（数据）通信协议、数据存储格式等，也是一种更加灵活、高效的数据格式，与XML、JSON类似。它的传输性能非常好，所以常被用在一些对数据传输性能要求比较高的系统中，作为数据传输格式。Protocol Buffers的主要特性有下面这几个。

  • 更快的数据传输速度：protobuf在传输时，会将数据序列化为二进制数据，和XML、JSON的文本传输格式相比，这可以节省大量的IO操作，从而提高数据传输速度。
  • 跨平台多语言：protobuf自带的编译工具 protoc 可以基于protobuf定义文件，编译出不同语言的客户端或者服务端，供程序直接调用，因此可以满足多语言需求的场景。
  • 具有非常好的扩展性和兼容性，可以更新已有的数据结构，而不破坏和影响原有的程序。
  • 基于IDL文件定义服务，通过proto3工具生成指定语言的数据结构、服务端和客户端接口。

在gRPC的框架中，Protocol Buffers主要有三个作用。

**第一，可以用来定义数据结构。**举个例子，下面的代码定义了一个SecretInfo数据结构：

// SecretInfo contains secret details.
message SecretInfo {
    string name = 1;
    string secret_id  = 2;
    string username   = 3;
    string secret_key = 4;
    int64 expires = 5;
    string description = 6;
    string created_at = 7;
    string updated_at = 8;
}

**第二，可以用来定义服务接口。**下面的代码定义了一个Cache服务，服务包含了ListSecrets和ListPolicies 两个API接口。

// Cache implements a cache rpc service.
service Cache{
  rpc ListSecrets(ListSecretsRequest) returns (ListSecretsResponse) {}
  rpc ListPolicies(ListPoliciesRequest) returns (ListPoliciesResponse) {}
}

第三，可以通过protobuf序列化和反序列化，提升传输效率。

gRPC示例

运行本示例需要在Linux服务器上安装Go编译器、Protocol buffer编译器（protoc，v3）和 protoc 的Go语言插件，在 02讲 中我们已经安装过，这里不再讲具体的安装方法。

这个示例分为下面几个步骤：

  1. 定义gRPC服务。
  2. 生成客户端和服务器代码。
  3. 实现gRPC服务。
  4. 实现gRPC客户端。

示例代码存放在gopractise-demo/apistyle/greeter目录下。代码结构如下：

$ tree
├── client
│   └── main.go
├── helloworld
│   ├── helloworld.pb.go
│   └── helloworld.proto
└── server
    └── main.go

client目录存放Client端的代码，helloworld目录用来存放服务的IDL定义，server目录用来存放Server端的代码。

下面我具体介绍下这个示例的四个步骤。

  1. 定义gRPC服务。

首先，需要定义我们的服务。进入helloworld目录，新建文件helloworld.proto：

$ cd helloworld
$ vi helloworld.proto

内容如下：

syntax = "proto3";

option go_package = "github.com/marmotedu/gopractise-demo/apistyle/greeter/helloworld";

package helloworld;

// The greeting service definition.
service Greeter {
  // Sends a greeting
  rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}
}

// The request message containing the user's name.
message HelloRequest {
  string name = 1;
}

// The response message containing the greetings
message HelloReply {
  string message = 1;
}

在helloworld.proto定义文件中，option关键字用来对.proto文件进行一些设置，其中go_package是必需的设置，而且go_package的值必须是包导入的路径。package关键字指定生成的.pb.go文件所在的包名。我们通过service关键字定义服务，然后再指定该服务拥有的RPC方法，并定义方法的请求和返回的结构体类型：

service Greeter {
  // Sends a greeting
  rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}
}

gRPC支持定义4种类型的服务方法，分别是简单模式、服务端数据流模式、客户端数据流模式和双向数据流模式。

  • 简单模式（Simple RPC）：是最简单的gRPC模式。客户端发起一次请求，服务端响应一个数据。定义格式为rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}。

  • 服务端数据流模式（Server-side streaming RPC）：客户端发送一个请求，服务器返回数据流响应，客户端从流中读取数据直到为空。定义格式为rpc SayHello (HelloRequest) returns (stream HelloReply) {}。

  • 客户端数据流模式（Client-side streaming RPC）：客户端将消息以流的方式发送给服务器，服务器全部处理完成之后返回一次响应。定义格式为rpc SayHello (stream HelloRequest) returns (HelloReply) {}。

  • 双向数据流模式（Bidirectional streaming RPC）：客户端和服务端都可以向对方发送数据流，这个时候双方的数据可以同时互相发送，也就是可以实现实时交互RPC框架原理。定义格式为rpc SayHello (stream HelloRequest) returns (stream HelloReply) {}。

本示例使用了简单模式。.proto文件也包含了Protocol Buffers 消息的定义，包括请求消息和返回消息。例如请求消息：

// The request message containing the user's name.
message HelloRequest {
  string name = 1;
}
  1. 生成客户端和服务器代码。

接下来，我们需要根据.proto服务定义生成gRPC客户端和服务器接口。我们可以使用protoc编译工具，并指定使用其Go语言插件来生成：

$ protoc -I. --go_out=plugins=grpc:$GOPATH/src helloworld.proto
$ ls
helloworld.pb.go  helloworld.proto

你可以看到，新增了一个helloworld.pb.go文件。

  1. 实现gRPC服务。

接着，我们就可以实现gRPC服务了。进入server目录，新建main.go文件：

$ cd ../server
$ vi main.go

main.go内容如下：

// Package main implements a server for Greeter service.
package main

import (
	"context"
	"log"
	"net"

	pb "github.com/marmotedu/gopractise-demo/apistyle/greeter/helloworld"
	"google.golang.org/grpc"
)

const (
	port = ":50051"
)

// server is used to implement helloworld.GreeterServer.
type server struct {
	pb.UnimplementedGreeterServer
}

// SayHello implements helloworld.GreeterServer
func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) {
	log.Printf("Received: %v", in.GetName())
	return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.GetName()}, nil
}

func main() {
	lis, err := net.Listen("tcp", port)
	if err != nil {
		log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
	}
	s := grpc.NewServer()
	pb.RegisterGreeterServer(s, &server{})
	if err := s.Serve(lis); err != nil {
		log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
	}
}

上面的代码实现了我们上一步根据服务定义生成的Go接口。

我们先定义了一个Go结构体server，并为server结构体添加SayHello(context.Context, pb.HelloRequest) (pb.HelloReply, error)方法，也就是说server是GreeterServer接口（位于helloworld.pb.go文件中）的一个实现。

在我们实现了gRPC服务所定义的方法之后，就可以通过 net.Listen(...) 指定监听客户端请求的端口；接着，通过 grpc.NewServer() 创建一个gRPC Server实例，并通过 pb.RegisterGreeterServer(s, &server{}) 将该服务注册到gRPC框架中；最后，通过 s.Serve(lis) 启动gRPC服务。

创建完main.go文件后，在当前目录下执行 go run main.go ，启动gRPC服务。

  1. 实现gRPC客户端。

打开一个新的Linux终端，进入client目录，新建main.go文件：

$ cd ../client
$ vi main.go

main.go内容如下：

// Package main implements a client for Greeter service.
package main

import (
	"context"
	"log"
	"os"
	"time"

	pb "github.com/marmotedu/gopractise-demo/apistyle/greeter/helloworld"
	"google.golang.org/grpc"
)

const (
	address     = "localhost:50051"
	defaultName = "world"
)

func main() {
	// Set up a connection to the server.
	conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure(), grpc.WithBlock())
	if err != nil {
		log.Fatalf("did not connect: %v", err)
	}
	defer conn.Close()
	c := pb.NewGreeterClient(conn)

	// Contact the server and print out its response.
	name := defaultName
	if len(os.Args) > 1 {
		name = os.Args[1]
	}
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second)
	defer cancel()
	r, err := c.SayHello(ctx, &pb.HelloRequest{Name: name})
	if err != nil {
		log.Fatalf("could not greet: %v", err)
	}
	log.Printf("Greeting: %s", r.Message)
}

在上面的代码中，我们通过如下代码创建了一个gRPC连接，用来跟服务端进行通信：

// Set up a connection to the server.
conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure(), grpc.WithBlock())
if err != nil {
    log.Fatalf("did not connect: %v", err)
}
defer conn.Close()

在创建连接时，我们可以指定不同的选项，用来控制创建连接的方式，例如grpc.WithInsecure()、grpc.WithBlock()等。gRPC支持很多选项，更多的选项可以参考grpc仓库下dialoptions.go文件中以With开头的函数。

连接建立起来之后，我们需要创建一个客户端stub，用来执行RPC请求c := pb.NewGreeterClient(conn)。创建完成之后，我们就可以像调用本地函数一样，调用远程的方法了。例如，下面一段代码通过 c.SayHello 这种本地式调用方式调用了远端的SayHello接口：

r, err := c.SayHello(ctx, &pb.HelloRequest{Name: name})
if err != nil {
    log.Fatalf("could not greet: %v", err)
}
log.Printf("Greeting: %s", r.Message)

从上面的调用格式中，我们可以看到RPC调用具有下面两个特点。

  • 调用方便：RPC屏蔽了底层的网络通信细节，使得调用RPC就像调用本地方法一样方便，调用方式跟大家所熟知的调用类的方法一致：ClassName.ClassFuc(params)。
  • 不需要打包和解包：RPC调用的入参和返回的结果都是Go的结构体，不需要对传入参数进行打包操作，也不需要对返回参数进行解包操作，简化了调用步骤。

最后，创建完main.go文件后，在当前目录下，执行go run main.go发起RPC调用：

$ go run main.go
2020/10/17 07:55:00 Greeting: Hello world

至此，我们用四个步骤，创建并调用了一个gRPC服务。接下来我再给大家讲解一个在具体场景中的注意事项。

在做服务开发时，我们经常会遇到一种场景：定义一个接口，接口会通过判断是否传入某个参数，决定接口行为。例如，我们想提供一个GetUser接口，期望GetUser接口在传入username参数时，根据username查询用户的信息，如果没有传入username，则默认根据userId查询用户信息。

这时候，我们需要判断客户端有没有传入username参数。我们不能根据username是否为空值来判断，因为我们不能区分客户端传的是空值，还是没有传username参数。这是由Go语言的语法特性决定的：如果客户端没有传入username参数，Go会默认赋值为所在类型的零值，而字符串类型的零值就是空字符串。

那我们怎么判断客户端有没有传入username参数呢？最好的方法是通过指针来判断，如果是nil指针就说明没有传入，非nil指针就说明传入，具体实现步骤如下：

  1. 编写protobuf定义文件。

新建user.proto文件，内容如下:

syntax = "proto3";

package proto;
option go_package = "github.com/marmotedu/gopractise-demo/protobuf/user";

//go:generate protoc -I. --experimental_allow_proto3_optional --go_out=plugins=grpc:.

service User {
  rpc GetUser(GetUserRequest) returns (GetUserResponse) {}
}

message GetUserRequest {
  string class = 1;
  optional string username = 2;
  optional string user_id = 3;
}

message GetUserResponse {
  string class = 1;
  string user_id = 2;
  string username = 3;
  string address = 4;
  string sex = 5;
  string phone = 6;
}

你需要注意，这里我们在需要设置为可选字段的前面添加了optional标识。

  1. 使用protoc工具编译protobuf文件。

在执行protoc命令时，需要传入--experimental_allow_proto3_optional参数以打开optional选项，编译命令如下：

$ protoc --experimental_allow_proto3_optional --go_out=plugins=grpc:. user.proto

上述编译命令会生成user.pb.go文件，其中的GetUserRequest结构体定义如下：

type GetUserRequest struct {
    state         protoimpl.MessageState
    sizeCache     protoimpl.SizeCache
    unknownFields protoimpl.UnknownFields

    Class    string  `protobuf:"bytes,1,opt,name=class,proto3" json:"class,omitempty"`
    Username *string `protobuf:"bytes,2,opt,name=username,proto3,oneof" json:"username,omitempty"`
    UserId   *string `protobuf:"bytes,3,opt,name=user_id,json=userId,proto3,oneof" json:"user_id,omitempty"`
}

通过 optional + --experimental_allow_proto3_optional 组合，我们可以将一个字段编译为指针类型。

  1. 编写gRPC接口实现。

新建一个user.go文件，内容如下：

package user

import (
    "context"

    pb "github.com/marmotedu/api/proto/apiserver/v1"

    "github.com/marmotedu/iam/internal/apiserver/store"
)

type User struct {
}

func (c *User) GetUser(ctx context.Context, r *pb.GetUserRequest) (*pb.GetUserResponse, error) {
    if r.Username != nil {
        return store.Client().Users().GetUserByName(r.Class, r.Username)
    }

    return store.Client().Users().GetUserByID(r.Class, r.UserId)
}

总之，在GetUser方法中，我们可以通过判断r.Username是否为nil，来判断客户端是否传入了Username参数。

RESTful VS gRPC

到这里，今天我们已经介绍完了gRPC API。回想一下我们昨天学习的RESTful API，你可能想问：这两种API风格分别有什么优缺点，适用于什么场景呢？我把这个问题的答案放在了下面这张表中，你可以对照着它，根据自己的需求在实际应用时进行选择。

当然，更多的时候，RESTful API 和gRPC API是一种合作的关系，对内业务使用gRPC API，对外业务使用RESTful API，如下图所示：

总结

在Go项目开发中，我们可以选择使用 RESTful API 风格和 RPC API 风格，这两种服务都用得很多。其中，RESTful API风格因为规范、易理解、易用，所以适合用在需要对外提供API接口的场景中。而RPC API因为性能比较高、调用方便，更适合用在内部业务中。

RESTful API使用的是HTTP协议，而RPC API使用的是RPC协议。目前，有很多RPC协议可供你选择，而我推荐你使用gRPC，因为它很轻量，同时性能很高、很稳定，是一个优秀的RPC框架。所以目前业界用的最多的还是gRPC协议，腾讯、阿里等大厂内部很多核心的线上服务用的就是gRPC。

除了使用gRPC协议，在进行Go项目开发前，你也可以了解业界一些其他的优秀Go RPC框架，比如腾讯的tars-go、阿里的dubbo-go、Facebook的thrift、rpcx等，你可以在项目开发之前一并调研，根据实际情况进行选择。

课后练习

  1. 使用gRPC包，快速实现一个RPC API服务，并实现PrintHello接口，该接口会返回"Hello World"字符串。
  2. 请你思考这个场景：你有一个gRPC服务，但是却希望该服务同时也能提供RESTful API接口，这该如何实现？
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