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原文連結:https://www.cnblogs.com/2YSP/p/13545217.html

一、前言

前段時間看到一篇不錯的文章《看了這篇你就會手寫RPC框架了》,於是便來了興趣對著實現了一遍,後面覺得還有很多最佳化的地方便對其進行了改進。

主要改動點如下:

除了Java序列化協議,增加了protobuf和kryo序列化協議,配置即用。增加多種負載均衡演算法(隨機、輪詢、加權輪詢、平滑加權輪詢),配置即用。客戶端增加本地服務列表快取,提高效能。修復高併發情況下,netty導致的記憶體洩漏問題由原來的每個請求建立一次連線,改為建立TCP長連線,並多次複用。服務端增加執行緒池提高訊息處理能力二、介紹

RPC,即 Remote Procedure Call(遠端過程呼叫),呼叫遠端計算機上的服務,就像呼叫本地服務一樣。RPC可以很好的解耦系統,如WebService就是一種基於Http協議的RPC。

呼叫示意圖

呼叫示意圖

總的來說,就如下幾個步驟:

客戶端(ServerA)執行遠端方法時就呼叫client stub傳遞類名、方法名和引數等資訊。client stub會將引數等資訊序列化為二進位制流的形式,然後透過Sockect傳送給服務端(ServerB)服務端收到資料包後,server stub 需要進行解析反序列化為類名、方法名和引數等資訊。server stub呼叫對應的本地方法,並把執行結果返回給客戶端

所以一個RPC框架有如下角色:

服務消費者

遠端方法的呼叫方,即客戶端。一個服務既可以是消費者也可以是提供者。

服務提供者

遠端服務的提供方,即服務端。一個服務既可以是消費者也可以是提供者。

註冊中心

儲存服務提供者的服務地址等資訊,一般由zookeeper、redis等實現。

監控運維(可選)

監控介面的響應時間、統計請求數量等,及時發現系統問題併發出告警通知。

三、實現

本RPC框架rpc-spring-boot-starter涉及技術棧如下:

使用zookeeper作為註冊中心使用netty作為通訊框架訊息編解碼:protostuff、kryo、javaspring使用SPI來根據配置動態選擇負載均衡演算法等

由於程式碼過多,這裡只講幾處改動點。

3.1動態負載均衡演算法

1.編寫LoadBalance的實現類

負載均衡演算法實現類

2.自定義註解 @LoadBalanceAno

/** * 負載均衡註解 */@Target(ElementType.TYPE)@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)@Documentedpublic @interface LoadBalanceAno {    String value() default "";}/** * 輪詢演算法 */@LoadBalanceAno(RpcConstant.BALANCE_ROUND)public class FullRoundBalance implements LoadBalance {    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(FullRoundBalance.class);    private volatile int index;    @Override    public synchronized Service chooseOne(List<Service> services) {        // 加鎖防止多執行緒情況下,index超出services.size()        if (index == services.size()) {            index = 0;        }        return services.get(index++);    }}

3.新建在resource目錄下META-INF/servers資料夾並建立檔案

enter description here

4.RpcConfig增加配置項loadBalance

/** * @author 2YSP * @date 2020/7/26 15:13 */@ConfigurationProperties(prefix = "sp.rpc")public class RpcConfig {    /**     * 服務註冊中心地址     */    private String registerAddress = "127.0.0.1:2181";    /**     * 服務暴露埠     */    private Integer serverPort = 9999;    /**     * 服務協議     */    private String protocol = "java";    /**     * 負載均衡演算法     */    private String loadBalance = "random";    /**     * 權重,預設為1     */    private Integer weight = 1;   // 省略getter setter}

5.在自動配置類RpcAutoConfiguration根據配置選擇對應的演算法實現類

/**     * 使用spi匹配符合配置的負載均衡演算法     *     * @param name     * @return     */    private LoadBalance getLoadBalance(String name) {        ServiceLoader<LoadBalance> loader = ServiceLoader.load(LoadBalance.class);        Iterator<LoadBalance> iterator = loader.iterator();        while (iterator.hasNext()) {            LoadBalance loadBalance = iterator.next();            LoadBalanceAno ano = loadBalance.getClass().getAnnotation(LoadBalanceAno.class);            Assert.notNull(ano, "load balance name can not be empty!");            if (name.equals(ano.value())) {                return loadBalance;            }        }        throw new RpcException("invalid load balance config");    } @Bean    public ClientProxyFactory proxyFactory(@Autowired RpcConfig rpcConfig) {        ClientProxyFactory clientProxyFactory = new ClientProxyFactory();        // 設定服務發現著        clientProxyFactory.setServerDiscovery(new           ZookeeperServerDiscovery(rpcConfig.getRegisterAddress()));        // 設定支援的協議        Map<String, MessageProtocol> supportMessageProtocols = buildSupportMessageProtocols();        clientProxyFactory.setSupportMessageProtocols(supportMessageProtocols);        // 設定負載均衡演算法        LoadBalance loadBalance = getLoadBalance(rpcConfig.getLoadBalance());        clientProxyFactory.setLoadBalance(loadBalance);        // 設定網路層實現        clientProxyFactory.setNetClient(new NettyNetClient());        return clientProxyFactory;    }
3.2本地服務列表快取

使用Map來快取資料

/** * 服務發現本地快取 */public class ServerDiscoveryCache {    /**     * key: serviceName     */    private static final Map<String, List<Service>> SERVER_MAP = new ConcurrentHashMap<>();    /**     * 客戶端注入的遠端服務service class     */    public static final List<String> SERVICE_CLASS_NAMES = new ArrayList<>();    public static void put(String serviceName, List<Service> serviceList) {        SERVER_MAP.put(serviceName, serviceList);    }    /**     * 去除指定的值     * @param serviceName     * @param service     */    public static void remove(String serviceName, Service service) {        SERVER_MAP.computeIfPresent(serviceName, (key, value) ->                value.stream().filter(o -> !o.toString().equals(service.toString())).collect(Collectors.toList())        );    }    public static void removeAll(String serviceName) {        SERVER_MAP.remove(serviceName);    }    public static boolean isEmpty(String serviceName) {        return SERVER_MAP.get(serviceName) == null || SERVER_MAP.get(serviceName).size() == 0;    }    public static List<Service> get(String serviceName) {        return SERVER_MAP.get(serviceName);    }}

ClientProxyFactory,先查本地快取,快取沒有再查詢zookeeper。

/**     * 根據服務名獲取可用的服務地址列表     * @param serviceName     * @return     */    private List<Service> getServiceList(String serviceName) {        List<Service> services;        synchronized (serviceName){            if (ServerDiscoveryCache.isEmpty(serviceName)) {                services = serverDiscovery.findServiceList(serviceName);                if (services == null || services.size() == 0) {                    throw new RpcException("No provider available!");                }                ServerDiscoveryCache.put(serviceName, services);            } else {                services = ServerDiscoveryCache.get(serviceName);            }        }        return services;    }

問題: 如果服務端因為宕機或網路問題下線了,快取卻還在就會導致客戶端請求已經不可用的服務端,增加請求失敗率。 **解決方案:**由於服務端註冊的是臨時節點,所以如果服務端下線節點會被移除。只要監聽zookeeper的子節點,如果新增或刪除子節點就直接清空本地快取即可。

DefaultRpcProcessor

/** * Rpc處理者,支援服務啟動暴露,自動注入Service * @author 2YSP * @date 2020/7/26 14:46 */public class DefaultRpcProcessor implements ApplicationListener<ContextRefreshedEvent> {       @Override    public void onApplicationEvent(ContextRefreshedEvent event) {        // Spring啟動完畢過後會收到一個事件通知        if (Objects.isNull(event.getApplicationContext().getParent())){            ApplicationContext context = event.getApplicationContext();            // 開啟服務            startServer(context);            // 注入Service            injectService(context);        }    }    private void injectService(ApplicationContext context) {        String[] names = context.getBeanDefinitionNames();        for(String name : names){            Class<?> clazz = context.getType(name);            if (Objects.isNull(clazz)){                continue;            }            Field[] declaredFields = clazz.getDeclaredFields();            for(Field field : declaredFields){                // 找出標記了InjectService註解的屬性                InjectService injectService = field.getAnnotation(InjectService.class);                if (injectService == null){                    continue;                }                Class<?> fieldClass = field.getType();                Object object = context.getBean(name);                field.setAccessible(true);                try {                    field.set(object,clientProxyFactory.getProxy(fieldClass));                } catch (IllegalAccessException e) {                    e.printStackTrace();                }    // 新增本地服務快取                ServerDiscoveryCache.SERVICE_CLASS_NAMES.add(fieldClass.getName());            }        }        // 註冊子節點監聽        if (clientProxyFactory.getServerDiscovery() instanceof ZookeeperServerDiscovery){            ZookeeperServerDiscovery serverDiscovery = (ZookeeperServerDiscovery) clientProxyFactory.getServerDiscovery();            ZkClient zkClient = serverDiscovery.getZkClient();            ServerDiscoveryCache.SERVICE_CLASS_NAMES.forEach(name ->{                String servicePath = RpcConstant.ZK_SERVICE_PATH + RpcConstant.PATH_DELIMITER + name + "/service";                zkClient.subscribeChildChanges(servicePath, new ZkChildListenerImpl());            });            logger.info("subscribe service zk node successfully");        }    }    private void startServer(ApplicationContext context) {        ...    }}

ZkChildListenerImpl

/** * 子節點事件監聽處理類 */public class ZkChildListenerImpl implements IZkChildListener {    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ZkChildListenerImpl.class);    /**     * 監聽子節點的刪除和新增事件     * @param parentPath /rpc/serviceName/service     * @param childList     * @throws Exception     */    @Override    public void handleChildChange(String parentPath, List<String> childList) throws Exception {        logger.debug("Child change parentPath:[{}] -- childList:[{}]", parentPath, childList);        // 只要子節點有改動就清空快取        String[] arr = parentPath.split("/");        ServerDiscoveryCache.removeAll(arr[2]);    }}
3.3nettyClient支援TCP長連線

這部分的改動最多,先增加新的sendRequest介面。

新增介面

實現類NettyNetClient

/** * @author 2YSP * @date 2020/7/25 20:12 */public class NettyNetClient implements NetClient {    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(NettyNetClient.class);    private static ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(4, 10, 200,            TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000), new ThreadFactoryBuilder()            .setNameFormat("rpcClient-%d")            .build());    private EventLoopGroup loopGroup = new NioEventLoopGroup(4);    /**     * 已連線的服務快取     * key: 服務地址,格式:ip:port     */    public static Map<String, SendHandlerV2> connectedServerNodes = new ConcurrentHashMap<>();    @Override    public byte[] sendRequest(byte[] data, Service service) throws InterruptedException {  ....        return respData;    }    @Override    public RpcResponse sendRequest(RpcRequest rpcRequest, Service service, MessageProtocol messageProtocol) {        String address = service.getAddress();        synchronized (address) {            if (connectedServerNodes.containsKey(address)) {                SendHandlerV2 handler = connectedServerNodes.get(address);                logger.info("使用現有的連線");                return handler.sendRequest(rpcRequest);            }            String[] addrInfo = address.split(":");            final String serverAddress = addrInfo[0];            final String serverPort = addrInfo[1];            final SendHandlerV2 handler = new SendHandlerV2(messageProtocol, address);            threadPool.submit(() -> {                        // 配置客戶端                        Bootstrap b = new Bootstrap();                        b.group(loopGroup).channel(NioSocketChannel.class)                                .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)                                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {                                    @Override                                    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {                                        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();                                        pipeline                                                .addLast(handler);                                    }                                });                        // 啟用客戶端連線                        ChannelFuture channelFuture = b.connect(serverAddress, Integer.parseInt(serverPort));                        channelFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {                            @Override                            public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception {                                connectedServerNodes.put(address, handler);                            }                        });                    }            );            logger.info("使用新的連線。。。");            return handler.sendRequest(rpcRequest);        }    }}

每次請求都會呼叫sendRequest()方法,用執行緒池非同步和服務端建立TCP長連線,連線成功後將SendHandlerV2快取到ConcurrentHashMap中方便複用,後續請求的請求地址(ip+port)如果在connectedServerNodes中存在則使用connectedServerNodes中的handler處理不再重新建立連線。

SendHandlerV2

/** * @author 2YSP * @date 2020/8/19 20:06 */public class SendHandlerV2 extends ChannelInboundHandlerAdapter {    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SendHandlerV2.class);    /**     * 等待通道建立最大時間     */    static final int CHANNEL_WAIT_TIME = 4;    /**     * 等待響應最大時間     */    static final int RESPONSE_WAIT_TIME = 8;    private volatile Channel channel;    private String remoteAddress;    private static Map<String, RpcFuture<RpcResponse>> requestMap = new ConcurrentHashMap<>();    private MessageProtocol messageProtocol;    private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);    public SendHandlerV2(MessageProtocol messageProtocol,String remoteAddress) {        this.messageProtocol = messageProtocol;        this.remoteAddress = remoteAddress;    }    @Override    public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        this.channel = ctx.channel();        latch.countDown();    }    @Override    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        logger.debug("Connect to server successfully:{}", ctx);    }    @Override    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {        logger.debug("Client reads message:{}", msg);        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;        byte[] resp = new byte[byteBuf.readableBytes()];        byteBuf.readBytes(resp);        // 手動回收        ReferenceCountUtil.release(byteBuf);        RpcResponse response = messageProtocol.unmarshallingResponse(resp);        RpcFuture<RpcResponse> future = requestMap.get(response.getRequestId());        future.setResponse(response);    }    @Override    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {        cause.printStackTrace();        logger.error("Exception occurred:{}", cause.getMessage());        ctx.close();    }    @Override    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        ctx.flush();    }    @Override    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        super.channelInactive(ctx);        logger.error("channel inactive with remoteAddress:[{}]",remoteAddress);        NettyNetClient.connectedServerNodes.remove(remoteAddress);    }    @Override    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {        super.userEventTriggered(ctx, evt);    }    public RpcResponse sendRequest(RpcRequest request) {        RpcResponse response;        RpcFuture<RpcResponse> future = new RpcFuture<>();        requestMap.put(request.getRequestId(), future);        try {            byte[] data = messageProtocol.marshallingRequest(request);            ByteBuf reqBuf = Unpooled.buffer(data.length);            reqBuf.writeBytes(data);            if (latch.await(CHANNEL_WAIT_TIME,TimeUnit.SECONDS)){                channel.writeAndFlush(reqBuf);                // 等待響應                response = future.get(RESPONSE_WAIT_TIME, TimeUnit.SECONDS);            }else {                throw new RpcException("establish channel time out");            }        } catch (Exception e) {            throw new RpcException(e.getMessage());        } finally {            requestMap.remove(request.getRequestId());        }        return response;    }}

RpcFuture

package cn.sp.rpc.client.net;import java.util.concurrent.*;/** * @author 2YSP * @date 2020/8/19 22:31 */public class RpcFuture<T> implements Future<T> {    private T response;    /**     * 因為請求和響應是一一對應的,所以這裡是1     */    private CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);    /**     * Future的請求時間,用於計算Future是否超時     */    private long beginTime = System.currentTimeMillis();    @Override    public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {        return false;    }    @Override    public boolean isCancelled() {        return false;    }    @Override    public boolean isDone() {        if (response != null) {            return true;        }        return false;    }    /**     * 獲取響應,直到有結果才返回     * @return     * @throws InterruptedException     * @throws ExecutionException     */    @Override    public T get() throws InterruptedException, ExecutionException {        countDownLatch.await();        return response;    }    @Override    public T get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {        if (countDownLatch.await(timeout,unit)){            return response;        }        return null;    }    public void setResponse(T response) {        this.response = response;        countDownLatch.countDown();    }    public long getBeginTime() {        return beginTime;    }}

此處邏輯,第一次執行 SendHandlerV2#sendRequest() 時channel需要等待通道建立好之後才能傳送請求,所以用CountDownLatch來控制,等待通道建立。 自定義Future+requestMap快取來實現netty的請求和阻塞等待響應,RpcRequest物件在建立時會生成一個請求的唯一標識requestId,傳送請求前先將RpcFuture快取到requestMap中,key為requestId,讀取到服務端的響應資訊後(channelRead方法),將響應結果放入對應的RpcFuture中。 SendHandlerV2#channelInactive() 方法中,如果連線的服務端異常斷開連線了,則及時清理快取中對應的serverNode。

四、壓力測試

測試環境:

(英特爾)Intel(R) Core(TM) i5-6300HQ CPU @ 2.30GHz 4核windows10家庭版(64位)16G記憶體

1.本地啟動zookeeper 2.本地啟動一個消費者,兩個服務端,輪詢演算法 3.使用ab進行壓力測試,4個執行緒傳送10000個請求

ab -c 4 -n 10000 http://localhost:8080/test/user?id=1

測試結果

測試結果

從圖片可以看出,10000個請求只用了11s,比之前的130+秒耗時減少了10倍以上。

程式碼地址:https://github.com/2YSP/rpc-spring-boot-starter

https://github.com/2YSP/rpc-example

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