谈谈如何使用Netty开发实现高性能的RPC服务器 facebook, 计算机程序, alibaba, 网络技术, 服务器

yuyang911220

RPC（Remote Procedure Call Protocol）远程过程调用协议，它是一种通过网络，从远程计算机程序上请求服务，而不必了解底层网络技术的协议。说的再直白一点，就是客户端在不必知道调用细节的前提之下，调用远程计算机上运行的某个对象，使用起来就像调用本地的对象一样。目前典型的RPC实现框架有：Thrift（facebook开源）、Dubbo（alibaba开源）等等。RPC框架针对网络协议、网络I/O模型的封装是透明的，对于调用的客户端而言，它就认为自己在调用本地的一个对象。至于传输层上，运用的是TCP协议、UDP协议、亦或是HTTP协议，一概不关心。从网络I/O模型上来看，是基于select、poll、epoll方式、还是IOCP（I/O Completion Port）方式承载实现的，对于调用者而言也不用关心。　　目前，主流的RPC框架都支持跨语言调用，即有所谓的IDL（接口定义语言），其实，这个并不是RPC所必须要求的。如果你的RPC框架没有跨语言的要求，IDL就可以不用包括了。
　　最后，值得一提的是，衡量一个RPC框架性能的好坏与否，RPC的网络I/O模型的选择，至关重要。在此基础上，设计出来的RPC服务器，可以考虑支持阻塞式同步IO、非阻塞式同步IO、当然还有所谓的多路复用IO模型、异步IO模型。支持不同的网络IO模型，在高并发的状态下，处理性能上会有很大的差别。还有一个衡量的标准，就是选择的传输协议。是基于TCP协议、还是HTTP协议、还是UDP协议？对性能也有一定的影响。但是从我目前了解的情况来看，大多数RPC开源实现框架都是基于TCP、或者HTTP的，目测没有采用UDP协议做为主要的传输协议的。
　　明白了RPC的使用原理和性能要求。现在，我们能不能撇开那些RPC开源框架，自己动手开发一个高性能的RPC服务器呢？我想，还是可以的。现在本人就使用Java，基于Netty，开发实现一个高性能的RPC服务器。
　　如何实现、基于什么原理？并发处理性能如何？请继续接着看下文。
　　我们有的时候，为了提高单个节点的通信吞吐量，提高通信性能。如果是基于Java后端的，一般首选的是NIO框架（No-block IO）。但是问题也来了，Java的NIO掌握起来要相当的技术功底，和足够的技术积累，使用起来才能得心应手。一般的开发人员，如果要使用NIO开发一个后端的TCP/HTTP服务器，附带考虑TCP粘包、网络通信异常、消息链接处理等等网络通信细节，开发门槛太高，所以比较明智的选择是，采用业界主流的NIO框架进行服务器后端开发。主流的NIO框架主要有Netty、Mina。它们主要都是基于TCP通信，非阻塞的IO、灵活的IO线程池而设计的，应对高并发请求也是绰绰有余。随着Netty、Mina这样优秀的NIO框架，设计上日趋完善，Java后端高性能服务器开发，在技术上提供了有力的支持保障，从而打破了C++在服务器后端，一统天下的局面。因为在此之前，Java的NIO一直受人诟病，让人敬而远之！
　　既然，这个RPC服务器是基于Netty的，那就在说说Netty吧。实际上Netty是对JAVA NIO框架的再次封装，它的开源网址是http://netty.io/，本文中使用的Netty版本是：4.0版本，可以通过http://dl.bintray.com/netty/downloads/netty-4.0.37.Final.tar.bz2，进行下载使用。那也许你会问，如何使用Netty进行RPC服务器的开发呢？实际不难，下面我就简单的说明一下技术原理：
　　1、定义RPC请求消息、应答消息结构，里面要包括RPC的接口定义模块、包括远程调用的类名、方法名称、参数结构、参数值等信息。
　　2、服务端初始化的时候通过容器加载RPC接口定义和RPC接口实现类对象的映射关系，然后等待客户端发起调用请求。
　　3、客户端发起的RPC消息里面包含，远程调用的类名、方法名称、参数结构、参数值等信息，通过网络，以字节流的方式送给RPC服务端，RPC服务端接收到字节流的请求之后，去对应的容器里面，查找客户端接口映射的具体实现对象。
　　4、RPC服务端找到实现对象的参数信息，通过反射机制创建该对象的实例，并返回调用处理结果，最后封装成RPC应答消息通知到客户端。
　　5、客户端通过网络，收到字节流形式的RPC应答消息，进行拆包、解析之后，显示远程调用结果。
　　上面说的是很简单，但是实现的时候，我们还要考虑如下的问题：
　　1、RPC服务器的传输层是基于TCP协议的，出现粘包咋办？这样客户端的请求，服务端不是会解析失败？好在Netty里面已经提供了解决TCP粘包问题的解码器：LengthFieldBasedFrameDecoder，可以靠它轻松搞定TCP粘包问题。
　　2、Netty服务端的线程模型是单线程、多线程（一个线程负责客户端连接，连接成功之后，丢给后端IO的线程池处理）、还是主从模式（客户端连接、后端IO处理都是基于线程池的实现）。当然在这里，我出于性能考虑，使用了Netty主从线程池模型。
　　3、Netty的IO处理线程池，如果遇到非常耗时的业务，出现阻塞了咋办？这样不是很容易把后端的NIO线程给挂死、阻塞？本文的处理方式是，对于复杂的后端业务，分派到专门的业务线程池里面，进行异步回调处理。
　　4、RPC消息的传输是通过字节流在NIO的通道（Channel）之间传输，那具体如何实现呢？本文，是通过基于Java原生对象序列化机制的编码、解码器（ObjectEncoder、ObjectDecoder）进行实现的。当然出于性能考虑，这个可能不是最优的方案。更优的方案是把消息的编码、解码器，搞成可以配置实现的。具体比如可以通过：protobuf、JBoss Marshalling方式进行解码和编码，以提高网络消息的传输效率。
　　5、RPC服务器要考虑多线程、高并发的使用场景，所以线程安全是必须的。此外尽量不要使用synchronized进行加锁，改用轻量级的ReentrantLock方式进行代码块的条件加锁。比如本文中的RPC消息处理回调，就有这方面的使用。
　　6、RPC服务端的服务接口对象和服务接口实现对象要能轻易的配置，轻松进行加载、卸载。在这里，本文是通过Spring容器进行统一的对象管理。
　　综上所述，本文设计的RPC服务器调用的流程图如下所示：
     
　　客户端并发发起RPC调用请求，然后RPC服务端使用Netty连接器，分派出N个NIO连接线程，这个时候Netty连接器的任务结束。然后NIO连接线程是统一放到Netty NIO处理线程池进行管理，这个线程池里面会对具体的RPC请求连接进行消息编码、消息解码、消息处理等等一系列操作。最后进行消息处理（Handler）的时候，处于性能考虑，这里的设计是，直接把复杂的消息处理过程，丢给专门的RPC业务处理线程池集中处理，然后Handler对应的NIO线程就立即返回、不会阻塞。这个时候RPC调用结束，客户端会异步等待服务端消息的处理结果，本文是通过消息回调机制实现（MessageCallBack）。
　　再来说一说Netty对于RPC消息的解码、编码、处理对应的模块和流程，具体如下图所示：
   
　　从上图可以看出客户端、服务端对RPC消息编码、解码、处理调用的模块以及调用顺序了。Netty就是把这样一个一个的处理器串在一起，形成一个责任链，统一进行调用。