C++分布式语音识别服务实践

会开花的二叉树2025-10-07 17:10

基于 brpc+etcd + 百度 AI SDK 的分布式语音识别服务实践：从代码架构到踩坑复盘

一、项目背景与核心功能

最近基于 C++ 实现了一个分布式语音识别子服务，核心目标是提供高可用的 RPC 接口，支持客户端上传 PCM 音频文件并返回识别结果。技术栈选型如下：

  • RPC 框架：brpc（百度开源高性能 RPC 框架，支持多种协议）；

  • 数据序列化：Protobuf（定义 RPC 接口和数据结构）；

  • 服务注册与发现：etcd（分布式键值存储，实现服务上下线感知）；

  • 语音识别能力：百度 AI 语音 SDK（提供成熟的 PCM 音频转文字能力）；

  • 日志与配置：spdlog（高性能日志库）、gflags（命令行参数解析）。

项目分为服务端 和客户端两部分：

  • 服务端：实现 RPC 服务、注册到 etcd、封装百度 AI SDK 调用；

  • 客户端：通过 etcd 发现服务、读取音频文件、发起 RPC 请求。

二、核心代码架构解析

为了保证代码的可扩展性和可维护性，采用 "模块化 + Builder 模式" 设计，各组件职责单一，解耦清晰。

1. 整体架构概览

复制代码 
语音识别服务

├─ 服务端（speech\_server）

│  ├─ RPC服务实现（SpeechServiceImpl）：处理语音识别请求

│  ├─ 服务构建器（SpeechServerBuilder）：组装各模块（ASR、注册、RPC）

│  ├─ 语音识别封装（ASRClient）：调用百度AI SDK

│  ├─ 服务注册（Registry）：将服务节点注册到etcd

│  └─ 日志配置：初始化spdlog日志

└─ 客户端（speech\_client）

   ├─ 服务发现（Discovery）：从etcd获取服务节点

   ├─ 信道管理（ServiceManager）：RR轮询负载均衡

   └─ 音频读取：调用百度AI SDK工具函数读取PCM文件

2. 关键模块代码解析

（1）RPC 接口定义（Protobuf）

首先通过speech.proto定义 RPC 服务和数据结构，明确请求（音频数据）和响应（识别结果）格式：

复制代码 
syntax = "proto3";
package zrt;  // 命名空间，避免类名冲突
option cc_generic_services = true;  // 生成C++ RPC服务代码

// 语音识别请求
message SpeechRecognitionReq {
    string request_id = 1;          // 请求ID（用于追踪）
    bytes speech_content = 2;       // 核心：PCM音频数据（二进制）
    optional string user_id = 3;    // 可选：用户ID
    optional string session_id = 4; // 可选：会话ID（鉴权用）
}

// 语音识别响应
message SpeechRecognitionRsp {
    string request_id = 1;              // 对应请求的ID
    bool success = 2;                   // 识别是否成功
    optional string errmsg = 3;         // 失败原因（success=false时必选）
    optional string recognition_result = 4; // 识别结果（success=true时必选）
}

// RPC服务定义
service SpeechService {
    rpc SpeechRecognition(SpeechRecognitionReq) returns (SpeechRecognitionRsp);
}

通过protoc编译生成speech.pb.cc和speech.pb.h，为 RPC 服务提供基础代码。

（2）语音识别封装（ASRClient）

封装百度 AI SDK 的调用逻辑，对外提供简洁的recognize接口，隐藏 SDK 细节：

复制代码 
#pragma once
#include "../third/include/aip-cpp-sdk/speech.h"
#include "logger.hpp"

namespace zrt {
class ASRClient {
public:
    using ptr = std::shared_ptr<ASRClient>;
    // 初始化：传入百度AI的AppID、APIKey、SecretKey
    ASRClient(const std::string &app_id, const std::string &api_key, const std::string &secret_key)
        : _client(app_id, api_key, secret_key) {}

    // 核心接口：输入PCM音频数据，输出识别结果
    std::string recognize(const std::string &speech_data, std::string &err) {
        // 调用百度SDK：PCM格式（16k采样率）
        Json::Value result = _client.recognize(speech_data, "pcm", 16000, aip::null);
        // 处理SDK返回：err_no=0表示成功
        if (result["err_no"].asInt() != 0) {
            LOG_ERROR("语音识别失败：{}", result["err_msg"].asString());
            err = result["err_msg"].asString(); // 传出错误信息
            return "";
        }
        return result["result"][0].asString(); // 返回第一个识别结果
    }

private:
    aip::Speech _client; // 百度AI SDK的Speech客户端
};
}
（3）RPC 服务实现（SpeechServiceImpl）

继承 Protobuf 生成的服务基类，实现SpeechRecognition接口，处理客户端请求：

复制代码 
class SpeechServiceImpl : public zrt::SpeechService {
public:
    // 注入ASRClient实例（依赖注入，解耦服务与ASR实现）
    SpeechServiceImpl(const ASRClient::ptr &asr_client) : _asr_client(asr_client) {}

    void SpeechRecognition(google::protobuf::RpcController* controller,
                           const ::zrt::SpeechRecognitionReq* request,
                           ::zrt::SpeechRecognitionRsp* response,
                           ::google::protobuf::Closure* done) {
        LOG_DEBUG("收到语音转文字请求！request_id: {}", request->request_id());
        brpc::ClosureGuard rpc_guard(done); // 自动释放Closure，避免内存泄漏

        // 1. 调用ASRClient识别音频
        std::string err;
        std::string res = _asr_client->recognize(request->speech_content(), err);

        // 2. 组装响应
        response->set_request_id(request->request_id());
        if (res.empty()) {
            // 识别失败：设置错误信息
            response->set_success(false);
            response->set_errmsg("语音识别失败:" + err);
            return;
        }
        // 识别成功：返回结果
        response->set_success(true);
        response->set_recognition_result(res);
    }

private:
    ASRClient::ptr _asr_client; // 语音识别客户端
};
（4）服务注册与发现（etcd 集成）

  • 服务注册（Registry）：将服务节点注册到 etcd，并通过 lease（租约）维持节点存活，服务下线时自动删除；

  • 服务发现（Discovery）：监听 etcd 的服务目录，感知服务上下线，并回调更新信道。

以服务发现为例，核心代码：

复制代码 
class Discovery {
public:
    using ptr = std::shared_ptr<Discovery>;
    // 回调类型：服务上下线时通知外部（如更新信道）
    using NotifyCallback = std::function<void(std::string, std::string)>;

    // 初始化：连接etcd、拉取现有服务、监听变化
    Discovery(const std::string &host, const std::string &basedir,
              const NotifyCallback &put_cb, const NotifyCallback &del_cb)
        : _client(std::make_shared<etcd::Client>(host)), _put_cb(put_cb), _del_cb(del_cb) {
        // 1. 拉取现有服务节点（服务启动时初始化）
        auto resp = _client->ls(basedir).get();
        if (!resp.is_ok()) {
            LOG_ERROR("获取服务列表失败：{}", resp.error_message());
            return;
        }
        // 遍历现有节点，调用上线回调
        for (int i = 0; i < resp.keys().size(); ++i) {
            if (_put_cb) _put_cb(resp.key(i), resp.value(i).as_string());
        }

        // 2. 监听etcd目录变化（实时感知上下线）
        _watcher = std::make_shared<etcd::Watcher>(
            *_client.get(), basedir,
            std::bind(&Discovery::callback, this, std::placeholders::_1),
            true // 递归监听子目录
        );
    }

private:
    // etcd事件回调：处理PUT（上线）和DELETE（下线）事件
    void callback(const etcd::Response &resp) {
        if (!resp.is_ok()) {
            LOG_ERROR("etcd事件错误：{}", resp.error_message());
            return;
        }
        for (auto &ev : resp.events()) {
            if (ev.event_type() == etcd::Event::PUT) {
                LOG_DEBUG("服务上线：{}-{}", ev.kv().key(), ev.kv().as_string());
                if (_put_cb) _put_cb(ev.kv().key(), ev.kv().as_string());
            } else if (ev.event_type() == etcd::Event::DELETE_) {
                LOG_DEBUG("服务下线：{}-{}", ev.prev_kv().key(), ev.prev_kv().as_string());
                if (_del_cb) _del_cb(ev.prev_kv().key(), ev.prev_kv().as_string());
            }
        }
    }

private:
    NotifyCallback _put_cb;       // 服务上线回调
    NotifyCallback _del_cb;       // 服务下线回调
    std::shared_ptr<etcd::Client> _client; // etcd客户端
    std::shared_ptr<etcd::Watcher> _watcher; // etcd监听器
};
（5）信道管理与负载均衡（ServiceManager）

客户端通过ServiceManager管理 RPC 信道，采用 RR（Round-Robin）轮询策略实现负载均衡，避免单节点压力过大：

复制代码 
class ServiceManager {
public:
    using ptr = std::shared_ptr<ServiceManager>;

    // 声明需要关注的服务（只处理声明过的服务）
    void declared(const std::string &service_name) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
        _follow_services.insert(service_name);
    }

    // 服务上线回调：添加信道
    void onServiceOnline(const std::string &service_instance, const std::string &host) {
        std::string service_name = getServiceName(service_instance);
        // 只处理关注的服务
        if (_follow_services.count(service_name) == 0) {
            LOG_DEBUG("{}服务上线，无需关注", service_name);
            return;
        }
        // 获取或创建服务的信道管理对象
        auto service = getOrCreateServiceChannel(service_name);
        service->append(host); // 添加新节点的信道
    }

    // 选择一个信道（RR轮询）
    ServiceChannel::ChannelPtr choose(const std::string &service_name) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
        auto it = _services.find(service_name);
        if (it == _services.end()) {
            LOG_ERROR("无{}服务的可用节点", service_name);
            return nullptr;
        }
        return it->second->choose(); // 调用ServiceChannel的RR逻辑
    }

private:
    // 从实例名中提取服务名（如/service/speech_service/instance → /service/speech_service）
    std::string getServiceName(const std::string &service_instance) {
        auto pos = service_instance.find_last_of('/');
        return pos == std::string::npos ? service_instance : service_instance.substr(0, pos);
    }

private:
    std::mutex _mutex; // 线程安全锁
    std::unordered_set<std::string> _follow_services; // 关注的服务列表
    // 服务名 → 信道管理对象的映射
    std::unordered_map<std::string, ServiceChannel::ptr> _services;
};

三、核心问题与解决方案（踩坑复盘）

在项目开发过程中，遇到了多个编译期和运行期问题，以下是关键问题的排查过程和解决方案，均为 C++ 分布式服务开发中的常见坑。

1. 编译期：百度 AI SDK 的toupper重载歧义

问题现象

编译客户端时，报std::transform调用toupper的重载歧义错误：

复制代码 
error: no matching function for call to 'transform(..., <unresolved overloaded function type>)'
note: couldn't deduce template parameter '_UnaryOperation'
原因分析

C++ 中有两个toupper版本，编译器无法确定使用哪个：

  • <cctype>中的int toupper(int c)：处理单个字符，参数为int（兼容 EOF）；

  • <locale>中的template <class charT> charT toupper(charT c, const locale& loc)：带本地化参数的模板函数。

百度 AI SDK 的utils.h中直接调用std::transform(..., toupper)，未明确版本，导致歧义。

解决方案

用lambda 表达式 显式指定toupper版本，消除歧义，并处理char类型转换（避免负数问题）：

复制代码 
// 修改前（SDK原代码，错误）
std::transform(src.begin(), src.end(), src.begin(), toupper);

// 修改后（正确）
std::transform(src.begin(), src.end(), src.begin(),
    [](unsigned char c) { // 转unsigned char，避免char负数（如中文乱码）
        return static_cast<char>(std::toupper(c)); // 显式调用<cctype>版本
    }
);

关键思路：lambda 作为 "中间层"，明确参数类型和函数版本，让编译器无需猜测。

2. 编译期：函数漏写return语句的警告

问题现象

修改utils.h后，编译报 "无返回语句" 警告：

复制代码 
warning: no return statement in function returning non-void [-Wreturn-type]
原因分析

to_upper/to_lower函数声明返回std::string，但修改时不小心删除了return src;语句，导致函数无返回值（C++ 中属于未定义行为，编译器宽容处理为警告，但运行时可能返回随机值）。

解决方案

补全return语句，确保函数返回处理后的字符串：

复制代码 
std::string aip::to_upper(std::string src) {
    std::transform(...); // 处理逻辑
    return src; // 补全返回语句
}

3. 运行期：音频文件读取失败（invalid audio length）

问题现象

客户端运行时，输出file_content.size() = 0，百度 AI SDK 返回 "invalid audio length"：

复制代码 
0

语音识别失败:invalid audio length
原因分析

  1. 路径错误 ：客户端用相对路径"16k.pcm"，但运行目录（如build/）下无此文件；

  2. 文件权限：文件存在但无读权限；

  3. 格式错误：文件不是百度 SDK 要求的 "16kHz 采样率、16 位深度、单声道"PCM。

解决方案

  1. 使用绝对路径：明确指定文件位置，避免相对路径陷阱：

    // 修改前
    aip::get_file_content("16k.pcm", &file_content);
    // 修改后（替换为实际路径）
    aip::get_file_content("/home/zrt/workspace/16k.pcm", &file_content);

  2. 验证文件权限：

    查看权限，确保有r（读）权限

    ls -l 16k.pcm

    无权限则添加

    chmod +r 16k.pcm

  3. 验证 PCM 格式 ：用ffmpeg转换为标准格式：

    将任意音频转为16k、16位、单声道PCM

    ffmpeg -i test.wav -ar 16000 -ac 1 -sample_fmt s16le 16k.pcm

4. 运行期：etcd watcher警告（watcher doesn't exit normally）

问题现象

程序退出时，报watcher doesn't exit normally警告。

原因分析

Discovery的watcher线程未正常停止，程序退出时强制终止线程导致警告。

解决方案

在Discovery析构函数中主动取消watcher：

复制代码 
~Discovery() {

   _watcher->Cancel(); // 主动停止监听器

}

四、项目运行流程

  1. 服务端启动：

    运行客户端（发现服务并发起请求）

    ./speech_client --etcd_host=http://127.0.0.1:2379 --speech_service=/service/speech_service

  2. 客户端调用：

    运行客户端（发现服务并发起请求）

    ./speech_client --etcd_host=http://127.0.0.1:2379 --speech_service=/service/speech_service

  3. 成功输出：

    12345 # file_content.size()，非0表示读取成功
    收到响应: 111111
    收到响应: 你好，世界

五、总结与经验

  1. 第三方 SDK 踩坑 ：第三方库代码可能不严谨（如百度 SDK 的toupper歧义），需针对性修改，修改时注意保留原功能；

  2. 分布式服务核心：服务注册发现（etcd）和负载均衡（RR）是分布式服务的基石，需保证高可用和线程安全；

  3. C++ 编译问题 ：编译错误需重点看error:前的具体代码行，尤其是模板推导失败（如重载歧义），可通过显式类型或 lambda 解决；

  4. 路径与权限：文件操作尽量用绝对路径，避免运行目录依赖；权限问题在 Linux 下容易被忽略，需提前验证。

这个项目不仅实现了语音识别的核心功能，更重要的是梳理了 C++ 分布式服务的开发流程和问题排查思路，后续可扩展多节点部署、熔断降级等高级特性。

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