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gRPC 基础 C++ 教程

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小牛编辑
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2023-12-01

本教程提供了C++程序员如何使用gRPC的指南。

通过学习教程中例子，你可以学会如何：

  • 在一个 .proto 文件内定义服务.
  • 用 protocol buffer 编译器生成服务器和客户端代码.
  • 使用 gRPC 的 C++ API 为你的服务实现一个简单的客户端和服务器.

假设你已经阅读了概览并且熟悉protocol buffers. 注意，教程中的例子使用的是 protocol buffers 语言的 proto3 版本，它目前只是 alpha 版：可以在proto3 语言指南和 protocol buffers 的 Github 仓库的版本注释发现更多关于新版本的内容.

这算不上是一个在 C++ 中使用 gRPC 的综合指南：以后会有更多的参考文档.

为什么使用 gRPC?

我们的例子是一个简单的路由映射的应用，它允许客户端获取路由特性的信息，生成路由的总结，以及交互路由信息，如服务器和其他客户端的流量更新。

有了 gRPC， 我们可以一次性的在一个 .proto 文件中定义服务并使用任何支持它的语言去实现客户端和服务器，反过来，它们可以在各种环境中，从Google的服务器到你自己的平板电脑- gRPC 帮你解决了不同语言间通信的复杂性以及环境的不同.使用 protocol buffers 还能获得其他好处，包括高效的序列号，简单的 IDL 以及容易进行接口更新。

例子代码和设置

教程的代码在这里 grpc/grpc/examples/cpp/route_guide. 要下载例子，通过运行下面的命令去克隆grpc代码库：

$ git clone https://github.com/grpc/grpc.git

改变当前的目录到examples/cpp/route_guide：

$ cd examples/cpp/route_guide

你还需要安装生成服务器和客户端的接口代码相关工具-如果你还没有安装的话，查看下面的设置指南 C++快速开始指南。

定义服务

我们的第一步(可以从概览中得知)是使用 protocol buffers去定义 gRPC service 和方法 request 以及 response 的类型。你可以在examples/protos/route_guide.proto看到完整的 .proto 文件。

要定义一个服务，你必须在你的 .proto 文件中指定 service：

service RouteGuide {
   ...
}

然后在你的服务中定义 rpc 方法，指定请求的和响应类型。gRPC允 许你定义4种类型的 service 方法，在 RouteGuide 服务中都有使用：

  • 一个 简单 RPC ， 客户端使用存根发送请求到服务器并等待响应返回，就像平常的函数调用一样。
   // Obtains the feature at a given position.
   rpc GetFeature(Point) returns (Feature) {}
  • 一个 服务器端流式 RPC ， 客户端发送请求到服务器，拿到一个流去读取返回的消息序列。 客户端读取返回的流，直到里面没有任何消息。从例子中可以看出，通过在 响应 类型前插入 stream 关键字，可以指定一个服务器端的流方法。
  // Obtains the Features available within the given Rectangle.  Results are
  // streamed rather than returned at once (e.g. in a response message with a
  // repeated field), as the rectangle may cover a large area and contain a
  // huge number of features.
  rpc ListFeatures(Rectangle) returns (stream Feature) {}
  • 一个 客户端流式 RPC ， 客户端写入一个消息序列并将其发送到服务器，同样也是使用流。一旦客户端完成写入消息，它等待服务器完成读取返回它的响应。通过在 请求 类型前指定 stream 关键字来指定一个客户端的流方法。
  // Accepts a stream of Points on a route being traversed, returning a
  // RouteSummary when traversal is completed.
  rpc RecordRoute(stream Point) returns (RouteSummary) {}
  • 一个 双向流式 RPC 是双方使用读写流去发送一个消息序列。两个流独立操作，因此客户端和服务器可以以任意喜欢的顺序读写：比如， 服务器可以在写入响应前等待接收所有的客户端消息，或者可以交替的读取和写入消息，或者其他读写的组合。 每个流中的消息顺序被预留。你可以通过在请求和响应前加 stream 关键字去制定方法的类型。
  // Accepts a stream of RouteNotes sent while a route is being traversed,
  // while receiving other RouteNotes (e.g. from other users).
  rpc RouteChat(stream RouteNote) returns (stream RouteNote) {}

我们的 .proto 文件也包含了所有请求的 protocol buffer 消息类型定义以及在服务方法中使用的响应类型-比如，下面的Point消息类型：

// Points are represented as latitude-longitude pairs in the E7 representation
// (degrees multiplied by 10**7 and rounded to the nearest integer).
// Latitudes should be in the range +/- 90 degrees and longitude should be in
// the range +/- 180 degrees (inclusive).
message Point {
  int32 latitude = 1;
  int32 longitude = 2;
}

生成客户端和服务器端代码

接下来我们需要从 .proto 的服务定义中生成 gRPC 客户端和服务器端的接口。我们通过 protocol buffer 的编译器 protoc 以及一个特殊的 gRPC C++ 插件来完成。

简单起见，我们提供一个 makefile 帮您用合适的插件，输入，输出去运行 protoc(如果你想自己去运行，确保你已经安装了 protoc，并且请遵循下面的 gRPC 代码安装指南)来操作：

$ make route_guide.grpc.pb.cc route_guide.pb.cc

实际上运行的是：

$ protoc -I ../../protos --grpc_out=. --plugin=protoc-gen-grpc=`which grpc_cpp_plugin` ../../protos/route_guide.proto
$ protoc -I ../../protos --cpp_out=. ../../protos/route_guide.proto

运行这个命令可以在当前目录中生成下面的文件：

  • route_guide.pb.h， 声明生成的消息类的头文件
  • route_guide.pb.cc， 包含消息类的实现
  • route_guide.grpc.pb.h， 声明你生成的服务类的头文件
  • route_guide.grpc.pb.cc， 包含服务类的实现

这些包括：

  • 所有的填充，序列化和获取我们请求和响应消息类型的 protocol buffer 代码
  • 名为 RouteGuide 的类，包含
    • 为了客户端去调用定义在 RouteGuide 服务的远程接口类型(或者 存根 )
    • 让服务器去实现的两个抽象接口，同时包括定义在 RouteGuide 中的方法。

创建服务器

首先来看看我们如何创建一个 RouteGuide 服务器。如果你只对创建 gRPC 客户端感兴趣，你可以跳过这个部分，直接到创建客户端 (当然你也可能发现它也很有意思)。

让 RouteGuide 服务工作有两个部分：

  • 实现我们服务定义的生成的服务接口：做我们的服务的实际的“工作”。
  • 运行一个 gRPC 服务器，监听来自客户端的请求并返回服务的响应。

你可以从examples/cpp/route_guide/route_guide_server.cc看到我们的 RouteGuide 服务器的实现代码。现在让我们近距离研究它是如何工作的。

实现RouteGuide

我们可以看出，服务器有一个实现了生成的 RouteGuide::Service 接口的 RouteGuideImpl 类：

class RouteGuideImpl final : public RouteGuide::Service {
...
}

在这个场景下，我们正在实现 同步 版本的RouteGuide，它提供了 gRPC 服务器缺省的行为。同时，也有可能去实现一个异步的接口 RouteGuide::AsyncService，它允许你进一步定制服务器线程的行为，虽然在本教程中我们并不关注这点。

RouteGuideImpl 实现了所有的服务方法。让我们先来看看最简单的类型 GetFeature，它从客户端拿到一个 Point 然后将对应的特性返回给数据库中的 Feature。

  Status GetFeature(ServerContext* context, const Point* point,
                    Feature* feature) override {
    feature->set_name(GetFeatureName(*point, feature_list_));
    feature->mutable_location()——>CopyFrom(*point);
    return Status::OK;
  }

这个方法为 RPC 传递了一个上下文对象，包含了客户端的 Point protocol buffer 请求以及一个填充响应信息的Feature protocol buffer。在这个方法中，我们用适当的信息填充 Feature，然后返回OK的状态，告诉 gRPC 我们已经处理完 RPC，并且 Feature 可以返回给客户端。

现在让我们看看更加复杂点的情况——流式RPC。 ListFeatures 是一个服务器端的流式 RPC，因此我们需要给客户端返回多个 Feature。

  Status ListFeatures(ServerContext* context, const Rectangle* rectangle,
                      ServerWriter<Feature>* writer) override {
    auto lo = rectangle->lo();
    auto hi = rectangle->hi();
    long left = std::min(lo.longitude(), hi.longitude());
    long right = std::max(lo.longitude(), hi.longitude());
    long top = std::max(lo.latitude(), hi.latitude());
    long bottom = std::min(lo.latitude(), hi.latitude());
    for (const Feature& f : feature_list_) {
      if (f.location().longitude() >= left &&
          f.location().longitude() <= right &&
          f.location().latitude() >= bottom &&
          f.location().latitude() <= top) {
        writer->Write(f);
      }
    }
    return Status::OK;
  }

如你所见，这次我们拿到了一个请求对象(客户端期望在 Rectangle 中找到的 Feature)以及一个特殊的 ServerWriter 对象，而不是在我们的方法参数中获取简单的请求和响应对象。在方法中，根据返回的需要填充足够多的 Feature 对象，用 ServerWriter 的 Write() 方法写入。最后，和我们简单的 RPC 例子相同，我们返回Status::OK去告知gRPC我们已经完成了响应的写入。

如果你看过客户端流方法RecordRoute，你会发现它很类似，除了这次我们拿到的是一个ServerReader而不是请求对象和单一的响应。我们使用 ServerReader 的 Read() 方法去重复的往请求对象(在这个场景下是一个 Point)读取客户端的请求直到没有更多的消息：在每次调用后，服务器需要检查 Read() 的返回值。如果返回值为 true，流仍然存在，它就可以继续读取；如果返回值为 false，则表明消息流已经停止。

while (stream->Read(&point)) {
  ...//process client input
}

最后，让我们看看双向流RPCRouteChat()。

  Status RouteChat(ServerContext* context,
                   ServerReaderWriter<RouteNote, RouteNote>* stream) override {
    std::vector<RouteNote> received_notes;
    RouteNote note;
    while (stream->Read(&note)) {
      for (const RouteNote& n : received_notes) {
        if (n.location().latitude() == note.location().latitude() &&
            n.location().longitude() == note.location().longitude()) {
          stream->Write(n);
        }
      }
      received_notes.push_back(note);
    }

    return Status::OK;
  }

这次我们得到的 ServerReaderWriter 对象可以用来读 和 写消息。这里读写的语法和我们客户端流以及服务器流方法是一样的。虽然每一端获取对方信息的顺序和写入的顺序一致，客户端和服务器都可以以任意顺序读写——流的操作是完全独立的。

启动服务器

一旦我们实现了所有的方法，我们还需要启动一个gRPC服务器，这样客户端才可以使用服务。下面这段代码展示了在我们RouteGuide服务中实现的过程：

void RunServer(const std::string& db_path) {
  std::string server_address("0.0.0.0:50051");
  RouteGuideImpl service(db_path);

  ServerBuilder builder;
  builder.AddListeningPort(server_address, grpc::InsecureServerCredentials());
  builder.RegisterService(&service);
  std::unique_ptr<Server> server(builder.BuildAndStart());
  std::cout << "Server listening on " << server_address << std::endl;
  server->Wait();
}

如你所见，我们通过使用ServerBuilder去构建和启动服务器。为了做到这点，我们需要：

  1. 创建我们的服务实现类 RouteGuideImpl 的一个实例。
  2. 创建工厂类 ServerBuilder 的一个实例。
  3. 在生成器的 AddListeningPort() 方法中指定客户端请求时监听的地址和端口。
  4. 用生成器注册我们的服务实现。
  5. 调用生成器的 BuildAndStart() 方法为我们的服务创建和启动一个RPC服务器。
  6. 调用服务器的 Wait() 方法实现阻塞等待，直到进程被杀死或者 Shutdown() 被调用。

<a name="client"></a>

创建客户端

在这部分，我们将尝试为RouteGuide服务创建一个C++的客户端。你可以从examples/cpp/route_guide/route_guide_client.cc看到我们完整的客户端例子代码.

创建一个存根

为了能调用服务的方法，我们得先创建一个 存根。

首先需要为我们的存根创建一个gRPC channel，指定我们想连接的服务器地址和端口，以及 channel 相关的参数——在本例中我们使用了缺省的 ChannelArguments 并且没有使用SSL：

grpc::CreateChannel("localhost:50051", grpc::InsecureCredentials(), ChannelArguments());

现在我们可以利用channel，使用从.proto中生成的RouteGuide类提供的NewStub方法去创建存根。

 public:
  RouteGuideClient(std::shared_ptr<ChannelInterface> channel,
                   const std::string& db)
      : stub_(RouteGuide::NewStub(channel)) {
    ...
  }

调用服务的方法

现在我们来看看如何调用服务的方法。注意，在本教程中调用的方法，都是 阻塞/同步 的版本：这意味着 RPC 调用会等待服务器响应，要么返回响应，要么引起一个异常。

简单RPC

调用简单 RPC GetFeature 几乎是和调用一个本地方法一样直观。

  Point point;
  Feature feature;
  point = MakePoint(409146138, -746188906);
  GetOneFeature(point, &feature);

...

  bool GetOneFeature(const Point& point, Feature* feature) {
    ClientContext context;
    Status status = stub_->GetFeature(&context, point, feature);
    ...
  }

如你所见，我们创建并且填充了一个请求的 protocol buffer 对象（例子中为 Point），同时为了服务器填写创建了一个响应 protocol buffer 对象。为了调用我们还创建了一个 ClientContext 对象——你可以随意的设置该对象上的配置的值，比如期限，虽然现在我们会使用缺省的设置。注意，你不能在不同的调用间重复使用这个对象。最后，我们在存根上调用这个方法，将其传给上下文，请求以及响应。如果方法的返回是OK，那么我们就可以从服务器从我们的响应对象中读取响应信息。

      std:：cout << "Found feature called " << feature->name()  << " at "
                << feature->location().latitude()/kCoordFactor_ << ", "
                << feature->location().longitude()/kCoordFactor_ << std:：endl;

流式RPC

现在来看看我们的流方法。如果你已经读过创建服务器，本节的一些内容看上去很熟悉——流式 RPC 是在客户端和服务器两端以一种类似的方式实现的。下面就是我们称作是服务器端的流方法 ListFeatures，它会返回地理的 Feature：

    std::unique_ptr<ClientReader<Feature> > reader(
        stub_->ListFeatures(&context, rect));
    while (reader->Read(&feature)) {
      std::cout << "Found feature called "
                << feature.name() << " at "
                << feature.location().latitude()/kCoordFactor_ << ", "
                << feature.location().longitude()/kCoordFactor_ << std::endl;
    }
    Status status = reader->Finish();

我们将上下文传给方法并且请求，得到 ClientReader 返回对象，而不是将上下文，请求和响应传给方法。客户端可以使用 ClientReader 去读取服务器的响应。我们使用 ClientReader 的 Read() 反复读取服务器的响应到一个响应 protocol buffer 对象(在这个例子中是一个 Feature)，直到没有更多的消息：客户端需要去检查每次调用完 Read() 方法的返回值。如果返回值为 true，流依然存在并且可以持续读取；如果是 false，说明消息流已经结束。最后，我们在流上调用 Finish() 方法结束调用并获取我们 RPC 的状态。

客户端的流方法 RecordRoute 的使用很相似，除了我们将一个上下文和响应对象传给方法，拿到一个 ClientWriter 返回。

    std::unique_ptr<ClientWriter<Point> > writer(
        stub_->RecordRoute(&context, &stats));
    for (int i = 0; i < kPoints; i++) {
      const Feature& f = feature_list_[feature_distribution(generator)];
      std::cout << "Visiting point "
                << f.location().latitude()/kCoordFactor_ << ", "
                << f.location().longitude()/kCoordFactor_ << std::endl;
      if (!writer->Write(f.location())) {
        // Broken stream.
        break;
      }
      std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(
          delay_distribution(generator)));
    }
    writer->WritesDone();
    Status status = writer->Finish();
    if (status.IsOk()) {
      std::cout << "Finished trip with " << stats.point_count() << " points\n"
                << "Passed " << stats.feature_count() << " features\n"
                << "Travelled " << stats.distance() << " meters\n"
                << "It took " << stats.elapsed_time() << " seconds"
                << std::endl;
    } else {
      std::cout << "RecordRoute rpc failed." << std::endl;
    }

一旦我们用 Write() 将客户端请求写入到流的动作完成，我们需要在流上调用 WritesDone() 通知 gRPC 我们已经完成写入，然后调用 Finish() 完成调用同时拿到 RPC 的状态。如果状态是 OK，我们最初传给 RecordRoute() 的响应对象会跟着服务器的响应被填充。

最后，让我们看看双向流式 RPC RouteChat()。在这种场景下，我们将上下文传给一个方法，拿到一个可以用来读写消息的ClientReaderWriter的返回。

    std::shared_ptr<ClientReaderWriter<RouteNote, RouteNote> > stream(
        stub_->RouteChat(&context));

这里读写的语法和我们客户端流以及服务器端流方法没有任何区别。虽然每一方都能按照写入时的顺序拿到另一方的消息，客户端和服务器端都可以以任意顺序读写——流操作起来是完全独立的。

来试试吧！

构建客户端和服务器：

$ make

运行服务器，它会监听50051端口：

$ ./route_guide_server

在另外一个终端运行客户端：

$ ./route_guide_client
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