google的protobuf库

2018/06/06 13:15
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这篇文章将讲述如何使用google的protobuf库实现一个RPC service,就实现一个最简单的service吧:echo. 文章对应的代码都可以在eventrpc中找到,写下这篇文章时的svn revision是138.

  1. 定义协议 首先需要为这个service定义proto文件, 如下:

[cpp] view plain copy

package echo;  
  
message EchoRequest  
{  
  required string message = 1;  
};  
  
message EchoResponse  
{  
  required string response = 1;  
};  
  
service EchoService  
{  
  rpc Echo(EchoRequest) returns (EchoResponse);  
};  

解释一下这个proto文件中做的事情,它定义了一个package: echo, 这个package中有service:EchoService,而这个service下只有一个服务:Echo, 它的请求由EchoRequest结构体定义,回复由EchoResponse定义. package相当于是C++中namespace的概念,有些package中可能会提供相同名字的service,为了解决命名冲突,就引入了package这个概念.

  1. 对应的C++文件 使用protobuf自带的编译proto文件编译器,可以生成对应的pb.h和pb.cc文件.具体细节可以参考protobuf关于这部分的参考文档.

所生成的C++文件,都会在namespace echo中,就是前面提到的package概念.对于service EchoService而言,会对应的生成两个类:EchoService类和EchoService_Stub类:

[cpp] view plain copy

class EchoService : public ::google::protobuf::Service {  
  // ....  
  EchoService_Stub(::google::protobuf::RpcChannel* channel);  
  virtual void Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,  
                       const ::echo::EchoRequest* request,  
                       ::echo::EchoResponse* response,  
                       ::google::protobuf::Closure* done);  
  void CallMethod(const ::google::protobuf::MethodDescriptor* method,  
                  ::google::protobuf::RpcController* controller,  
                  const ::google::protobuf::Message* request,  
                  ::google::protobuf::Message* response,  
                  ::google::protobuf::Closure* done);  
};  
  
class EchoService_Stub : public EchoService {  
//...  
  void Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,  
                       const ::echo::EchoRequest* request,  
                       ::echo::EchoResponse* response,  
                       ::google::protobuf::Closure* done);  
};  

上面省略了一些细节,只把最关键的部分提取出来了. 这两部分如何使用,后面会继续讲解

  1. 实现客户端 首先来看如何实现客户端. 客户端都通过上面提到的对应service的stub类来发送请求,以sample/echo_client.cpp中的代码来解释:

[cpp] view plain copy

Dispatcher dispatcher;  
RpcChannel *channel = new RpcChannel("127.0.0.1", 21118, &dispatcher);  
if (!channel->Connect()) {  
  printf("connect to server failed, abort\n");  
  exit(-1);  
}  
echo::EchoService::Stub stub(channel);  
echo::EchoRequest request;  
echo::EchoResponse response;  
request.set_message("hello");  
stub.Echo(NULL, &request, &response,  
          gpb::NewCallback(::echo_done, &response, channel));  

可以看到,stub类的构造函数需要一个::google::protobuf::RpcChannel指针,这个类需要我们来实现,后面继续说.然后就是根据协议填充请求字段,注册回调函数,这之后就可以调用stub类提供的Echo函数发送请求了.

  1. 实现RpcChannel类 现在可以讲解RpcChannel类和stub类的关系了,看看在调用stub::Echo函数,也就是发送请求时发生了什么事情:

[cpp] view plain copy

void EchoService_Stub::Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,  
                              const ::echo::EchoRequest* request,  
                              ::echo::EchoResponse* response,  
                              ::google::protobuf::Closure* done) {  
  channel_->CallMethod(descriptor()->method(0),  
                       controller, request, response, done);  
}  

可以看到,发送请求的背后,最后调用的其实是RpcChannel的CallMethod函数.所以,要实现RpcChannel类,最关键的就是要实现这个函数,在这个函数中完成发送请求的事务.具体可以看rpc_channel.cpp中的做法,不再阐述,因为这里面做的事情,和一般的网络客户端做的事情差不多.

  1. 如何识别service 前面提到过,每个service的请求包和回复包都是protobuf中的message结构体,在这个例子中是EchoRequest和EchoResponse message.可是,它们仅仅是包体,也就是说,即使你发送了这些消息,在服务器端还需要一个包头来识别到底是哪个请求的包体. 于是在代码中,引入了一个类Meta,其中有两个关键的变量:包体长度和method id. 包体长度自不必说,就是紧跟着包头的包体数据的长度. method id是用来标识哪一个service的,如果不用id数字,也可以使用字符串,每个service,都有一个full name的概念,以这里的例子而言,Echo服务的full name是echo::EchoService::Echo(再次的,又是C++中namespace的概念来表示”全路径”以避免命名冲突).但是,如果使用full name来区分,一来发送包头就会过大,而来查找service时是一个字符串比较操作的过程,耗时间. 所以引入了method id的概念,选择hash full name为一个id值,一般而言,一个服务器对外提供的service,撑死有几百个吧,而选用的id是整型数据,另外再选择足够好的hash算法,绝大多数情况下是不会出现冲突的. 以上就是Meta类做的事情,封装了包体和识别service的method id,一并作为包头和包体拼接发送给服务器端.

  2. 实现服务器端 接收到客户端的请求之后,首先要做一些安全性的检查,比如method id对应的service是否有注册. 其次就是真正的处理过程了:

[cpp] view plain copy

int  RpcMethodManager::HandleService(string *message,  
                                     Meta *meta, Callback *callback) {  
  RpcMethod *rpc_method = rpc_methods_[meta->method_id()];  
  const gpb::MethodDescriptor *method = rpc_method->method_;  
  gpb::Message *request = rpc_method->request_->New();  
  gpb::Message *response = rpc_method->response_->New();  
  request->ParseFromString(*message);  
  HandleServiceEntry *entry = new HandleServiceEntry(method,  
                                                     request,  
                                                     response,  
                                                     message,  
                                                     meta,  
                                                     callback);  
  gpb::Closure *done = gpb::NewCallback(  
      &HandleServiceDone, entry);  
  rpc_method->service_->CallMethod(method,  
                                   NULL,  
                                   request, response, done);  
  return 0;  
}  

上面注册了一个名为HandleServiceDone的回调函数,当service的Echo处理完毕之后,自动就会调用这个回调函数 来看 EchoService::CallMethod的定义

[cpp] view plain copy

void EchoService::CallMethod(const ::google::protobuf::MethodDescriptor* method,  
                             ::google::protobuf::RpcController* controller,  
                             const ::google::protobuf::Message* request,  
                             ::google::protobuf::Message* response,  
                             ::google::protobuf::Closure* done) {  
  GOOGLE_DCHECK_EQ(method->service(), EchoService_descriptor_);  
  switch(method->index()) {  
    case 0:  
      Echo(controller,  
             ::google::protobuf::down_cast<CONST ::echo::EchoRequest*>(request),  
             ::google::protobuf::down_cast< ::echo::EchoResponse*>(response),  
             done);  
      break;  
    default:  
      GOOGLE_LOG(FATAL) << "Bad method index; this should never happen.";  
      break;  
  }  
}  

可以看到, 这个Echo服务是需要注册的服务器端首先实现的,以echo_server.cpp中的代码为例,它是这样做的:

[cpp] view plain copy

class EchoServiceImpl : public echo::EchoService {  
 public:  
  EchoServiceImpl() {  
  };                                                                         
  
  virtual void Echo(::google::protobuf::RpcController* controller,  
                       const ::echo::EchoRequest* request,  
                       ::echo::EchoResponse* response,  
                       ::google::protobuf::Closure* done) {  
    printf ("request: %s\n", request->message().c_str());  
    response->set_response(request->message());  
    if (done) {  
      done->Run();  
    }  
  }  
};  

它做的事情就是把收到的请求打印出来,然后将请求消息作为回复消息传送回去.调用done->Run()函数,其实就是调用前面注册的回调函数HandleServiceDone函数,这时候表示服务器端已经准备好了给客户端响应的消息,后面就是网络传输层的事情了.

以上是使用google protobuf RPC实现一个service的全过程.protobuf官方并没有给出这样一个demo的例子,所以我在eventrpc项目中试图封装protobuf来做RPC service. 但是,当前的实现还不够完善,存在以下的问题:

  1. 效率不高
  2. 没有实现客户端可以选择异步或者同步方式来响应服务器端的消息
  3. 安全性检查不够完善,目前仅适用method id来检查
  4. 没有把dispatcher抽出来独立到一个线程中,只有这样才能实现2)
  5. 没有为每个函数写测试用例. .... N) 其他还没有想到的....等着您给建议

不过,就以上而言,如果想了解如何使用protobuf来实现RPC,已经足够说明原理了,可以对应着代码和官方文档看看每个类的含义. 要编译成功,需要protobuf库和phread库.之前曾经使用libevent,但是不喜欢这个东东,于是就自己做了,但是目前仅支持epoll而已,所以还只能在linux上面编译.

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