RPC简介

骑猪看日落 2022-05-28 04:27 144阅读 0赞

## 1. 概述 ##

RPC（Remote Procedure Call），即远程过程调用，是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务、而不需要了解底层网络技术的协议。RPC协议假定某些传输协议（如TCP或UDP）的存在，为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中，RPC跨越了传输层和应用层。RPC使得开发应用程序（包括网络分布式多程序在内）更加容易。

例如，有两台服务器A和B，一个应用部署在服务器A上，想要调用服务器B上的应用提供的函数/方法，由于服务器A和服务器B的应用程序不在一个内存空间，不能直接调用，就需要通过网络来传达调用的语义和调用的数据，这就是RPC协议。

## 2. 背景 ##

在单机时代，一台电脑上运行多个进程，为了实现进程之间的通信，就出现了IPC（Inter-process communication，单机中运行的进程之间的相互通信）。

而到了网络时代，大家的电脑都互相连起来了，以前程序只能调用自己电脑上的进程，能不能调用其他机器上的进程呢？为了实现这个目的，把IPC扩展到网络上，就是RPC（远程过程调用）了。

## 3. 原理 ##

本节通过本地过程调用和远程过程调用来介绍RPC的原理。

3.1. 本地过程调用

在研究RPC前，我们先看看本地调用是怎么调的。

假设我们要调用函数Multiply来计算lvalue \* rvalue的结果，代码如下：

1 int Multiply(int l, int r) {
    2    int y = l * r;
    3    return y;
    4 }
    5 
    6 int lvalue = 10;
    7 int rvalue = 20;
    8 int l_times_r = Multiply(lvalue, rvalue);

在程序执行到第8行时，实际上执行了以下操作：

1）将 lvalue 和 rvalue 的值压栈；  
2）进入Multiply函数，取出栈中的值10和20，将其赋予l和r；  
3）执行第2行代码，计算 l \* r ，并将结果存在y；  
4）将 y 的值压栈，然后从Multiply返回；

5）回到第8行，从栈中取出返回值200，并赋值给 l\_times\_r。

上述5步就是执行本地调用的过程。

3.2 远程过程调用（RPC）

实际上RPC就是要像调用本地的函数一样去调远程函数。

在进行远程过程调用时，我们需要执行的函数体是在远程的机器上的，也就是说，3.1节中提到的Multiply函数是在另一个机器上的进程中执行的。这就带来了下面几个问题。

1）我们怎么告诉远程机器我们要调用Multiply，而不是Add或者其他函数呢？

**解决方法：Call ID映射。**

在本地调用中，函数体是直接通过函数指针来指定的，我们调用Multiply，编译器就自动帮我们调用它对应的函数指针。但是在远程调用中，调用函数指针的方法是行不通的，因为两个机器的两个进程的地址空间是完全不一样的，所以，在RPC中，**所有的函数都必须有自己的一个ID，**这个ID在所有进程中都是唯一确定的。客户端在做远程过程调用时，必须附上这个ID。同时，我们还需要在客户端和服务端分别维护一个“函数与Call ID”的对应表，客户端和服务端上的对应表不一定需要完全相同，但相同的函数对应的Call ID必须相同。当客户端需要进行远程过程调用时，它就查一下这个表，找出想要调用的函数相应的Call ID，然后把它（Call ID）传给服务端，服务端也通过查表，来确定客户端需要调用的函数，然后执行相应函数的代码。

2）客户端怎么把参数值传给远程的函数呢？

**解决方法：序列化和反序列化。**

在本地调用中，我们只需要把参数压到栈里，然后让函数自己去栈里读就行。但是在远程过程调用时，客户端跟服务端是不同的（机器的）进程，不能通过内存来传递参数，甚至有时候客户端和服务端使用的都不是同一种语言（比如服务端用C++，客户端用Java或者Python），这时候就需要客户端把参数先转成一个**字节流**，传给服务端后，服务端再把这个**字节流**转成自己能读取的格式，这个过程叫**序列化和反序列化**。同理，从服务端返回的值也需要序列化反序列化的过程。

3）网络传输问题。

远程过程调用往往用在网络上，客户端和服务端是通过网络连接的。所有的数据都需要通过网络传输，因此就需要有一个网络传输层。网络传输层需要把“Call ID”和“序列化后的参数字节流”传给服务端，然后再把“序列化后的调用结果”传回客户端，只要能完成这两个功能的，都可以作为传输层使用。因此，RPC所使用的协议其实是不限的，只要能完成传输就行。尽管大部分RPC框架都使用TCP协议，但其实UDP也可以，而gRPC干脆就用了HTTP2。

综上所述，要实现一个RPC框架，其实只需要把以上三点实现了就基本完成了。Call ID映射可以直接使用函数字符串，也可以使用整数ID，映射表一般就是一个哈希表；序列化反序列化可以自己写，也可以使用Protobuf或者FlatBuffers之类的；网络传输库可以自己写socket，或者用asio，ZeroMQ，Netty之类。

## 4. 简要流程 ##

一次远程过程调用的简要流程如下（对照流程图理解下列的具体流程）：

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1）首先，要解决通信的问题，主要是通过在客户端和服务器之间建立连接（如tcp连接），远程过程调用的所有数据都在这个连接中传输。此连接可以是按需连接，调用结束后就断掉，即短连接；也可以是长连接，多个远程过程共享同一个连接；  
2）其次，要解决寻址问题，也就是说，服务器上的应用怎么告诉底层的RPC框架，如何连接到B服务器（如主机或IP地址）以及特定的端口、方法名称（IP+端口+方法名），这样才能完成调用；

3）然后，client上的应用发起远程过程调用时，方法的参数需要通过底层的网络协议（如tcp）传递到server上，由于网络协议是基于二进制的，内存中的参数也要序列化成二进制的形式，这就是序列化过程（Serizlize），通过连接寻址，将序列化的二进制发送给server；  
4）再然后，server收到请求后，需要对参数进行反序列化，恢复为内存中的表达形式，然后找到对应的方法（根据CALL ID与函数的对应表），进行本地调用，然后得到函数的返回值；  
5）最后，server需要将函数返回值发送给client上的应用，该返回值也需要经过序列化后发送，client接到server发送的消息后，再对该消息进行反序列化，恢复为内存中的表达形式，交给client上的应用。

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