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4.4 gRPC入门

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2023-12-01

gRPC是Google公司基于Protobuf开发的跨语言的开源RPC框架。gRPC基于HTTP/2协议设计，可以基于一个HTTP/2链接提供多个服务，对于移动设备更加友好。本节将讲述gRPC的简单用法。

4.4.1 gRPC技术栈

Go语言的gRPC技术栈如图4-1所示：

图4-1 gRPC技术栈

最底层为TCP或Unix Socket协议，在此之上是HTTP/2协议的实现，然后在HTTP/2协议之上又构建了针对Go语言的gRPC核心库。应用程序通过gRPC插件生产的Stub代码和gRPC核心库通信，也可以直接和gRPC核心库通信。

4.4.2 gRPC入门

如果从Protobuf的角度看，gRPC只不过是一个针对service接口生成代码的生成器。我们在本章的第二节中手工实现了一个简单的Protobuf代码生成器插件，只不过当时生成的代码是适配标准库的RPC框架的。现在我们将学习gRPC的用法。

创建hello.proto文件，定义HelloService接口：

syntax = "proto3";

package main;

message String {
    string value = 1;
}

service HelloService {
    rpc Hello (String) returns (String);
}

使用protoc-gen-go内置的gRPC插件生成gRPC代码：

$ protoc --go_out=plugins=grpc:. hello.proto

gRPC插件会为服务端和客户端生成不同的接口：

type HelloServiceServer interface {
    Hello(context.Context, *String) (*String, error)
}

type HelloServiceClient interface {
    Hello(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (*String, error)
}

gRPC通过context.Context参数，为每个方法调用提供了上下文支持。客户端在调用方法的时候，可以通过可选的grpc.CallOption类型的参数提供额外的上下文信息。

基于服务端的HelloServiceServer接口可以重新实现HelloService服务：

type HelloServiceImpl struct{}

func (p *HelloServiceImpl) Hello(
    ctx context.Context, args *String,
) (*String, error) {
    reply := &String{Value: "hello:" + args.GetValue()}
    return reply, nil
}

gRPC服务的启动流程和标准库的RPC服务启动流程类似：

func main() {
    grpcServer := grpc.NewServer()
    RegisterHelloServiceServer(grpcServer, new(HelloServiceImpl))

    lis, err := net.Listen("tcp", ":1234")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    grpcServer.Serve(lis)
}

首先是通过grpc.NewServer()构造一个gRPC服务对象，然后通过gRPC插件生成的RegisterHelloServiceServer函数注册我们实现的HelloServiceImpl服务。然后通过grpcServer.Serve(lis)在一个监听端口上提供gRPC服务。

然后就可以通过客户端链接gRPC服务了：

func main() {
    conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer conn.Close()

    client := NewHelloServiceClient(conn)
    reply, err := client.Hello(context.Background(), &String{Value: "hello"})
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    fmt.Println(reply.GetValue())
}

其中grpc.Dial负责和gRPC服务建立链接，然后NewHelloServiceClient函数基于已经建立的链接构造HelloServiceClient对象。返回的client其实是一个HelloServiceClient接口对象，通过接口定义的方法就可以调用服务端对应的gRPC服务提供的方法。

gRPC和标准库的RPC框架有一个区别，gRPC生成的接口并不支持异步调用。不过我们可以在多个Goroutine之间安全地共享gRPC底层的HTTP/2链接，因此可以通过在另一个Goroutine阻塞调用的方式模拟异步调用。

4.4.3 gRPC流

RPC是远程函数调用，因此每次调用的函数参数和返回值不能太大，否则将严重影响每次调用的响应时间。因此传统的RPC方法调用对于上传和下载较大数据量场景并不适合。同时传统RPC模式也不适用于对时间不确定的订阅和发布模式。为此，gRPC框架针对服务器端和客户端分别提供了流特性。

服务端或客户端的单向流是双向流的特例，我们在HelloService增加一个支持双向流的Channel方法：

service HelloService {
    rpc Hello (String) returns (String);

    rpc Channel (stream String) returns (stream String);
}

关键字stream指定启用流特性，参数部分是接收客户端参数的流，返回值是返回给客户端的流。

重新生成代码可以看到接口中新增加的Channel方法的定义：

type HelloServiceServer interface {
    Hello(context.Context, *String) (*String, error)
    Channel(HelloService_ChannelServer) error
}
type HelloServiceClient interface {
    Hello(ctx context.Context, in *String, opts ...grpc.CallOption) (
        *String, error,
    )
    Channel(ctx context.Context, opts ...grpc.CallOption) (
        HelloService_ChannelClient, error,
    )
}

在服务端的Channel方法参数是一个新的HelloService_ChannelServer类型的参数，可以用于和客户端双向通信。客户端的Channel方法返回一个HelloService_ChannelClient类型的返回值，可以用于和服务端进行双向通信。

HelloService_ChannelServer和HelloService_ChannelClient均为接口类型：

type HelloService_ChannelServer interface {
    Send(*String) error
    Recv() (*String, error)
    grpc.ServerStream
}

type HelloService_ChannelClient interface {
    Send(*String) error
    Recv() (*String, error)
    grpc.ClientStream
}

可以发现服务端和客户端的流辅助接口均定义了Send和Recv方法用于流数据的双向通信。

现在我们可以实现流服务：

func (p *HelloServiceImpl) Channel(stream HelloService_ChannelServer) error {
    for {
        args, err := stream.Recv()
        if err != nil {
            if err == io.EOF {
                return nil
            }
            return err
        }

        reply := &String{Value: "hello:" + args.GetValue()}

        err = stream.Send(reply)
        if err != nil {
            return err
        }
    }
}

服务端在循环中接收客户端发来的数据，如果遇到io.EOF表示客户端流被关闭，如果函数退出表示服务端流关闭。生成返回的数据通过流发送给客户端，双向流数据的发送和接收都是完全独立的行为。需要注意的是，发送和接收的操作并不需要一一对应，用户可以根据真实场景进行组织代码。

客户端需要先调用Channel方法获取返回的流对象：

stream, err := client.Channel(context.Background())
if err != nil {
    log.Fatal(err)
}

在客户端我们将发送和接收操作放到两个独立的Goroutine。首先是向服务端发送数据：

go func() {
    for {
        if err := stream.Send(&String{Value: "hi"}); err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        time.Sleep(time.Second)
    }
}()

然后在循环中接收服务端返回的数据：

for {
    reply, err := stream.Recv()
    if err != nil {
        if err == io.EOF {
            break
        }
        log.Fatal(err)
    }
    fmt.Println(reply.GetValue())
}

这样就完成了完整的流接收和发送支持。

4.4.4 发布和订阅模式

在前一节中，我们基于Go内置的RPC库实现了一个简化版的Watch方法。基于Watch的思路虽然也可以构造发布和订阅系统，但是因为RPC缺乏流机制导致每次只能返回一个结果。在发布和订阅模式中，由调用者主动发起的发布行为类似一个普通函数调用，而被动的订阅者则类似gRPC客户端单向流中的接收者。现在我们可以尝试基于gRPC的流特性构造一个发布和订阅系统。

发布订阅是一个常见的设计模式，开源社区中已经存在很多该模式的实现。其中docker项目中提供了一个pubsub的极简实现，下面是基于pubsub包实现的本地发布订阅代码：

import (
    "github.com/moby/moby/pkg/pubsub"
)

func main() {
    p := pubsub.NewPublisher(100*time.Millisecond, 10)

    golang := p.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
        if key, ok := v.(string); ok {
            if strings.HasPrefix(key, "golang:") {
                return true
            }
        }
        return false
    })
    docker := p.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
        if key, ok := v.(string); ok {
            if strings.HasPrefix(key, "docker:") {
                return true
            }
        }
        return false
    })

    go p.Publish("hi")
    go p.Publish("golang: https://golang.org")
    go p.Publish("docker: https://www.docker.com/")
    time.Sleep(1)

    go func() {
        fmt.Println("golang topic:", <-golang)
    }()
    go func() {
        fmt.Println("docker topic:", <-docker)
    }()

    <-make(chan bool)
}

其中pubsub.NewPublisher构造一个发布对象，p.SubscribeTopic()可以通过函数筛选感兴趣的主题进行订阅。

现在尝试基于gRPC和pubsub包，提供一个跨网络的发布和订阅系统。首先通过Protobuf定义一个发布订阅服务接口：

service PubsubService {
    rpc Publish (String) returns (String);
    rpc Subscribe (String) returns (stream String);
}

其中Publish是普通的RPC方法，Subscribe则是一个单向的流服务。然后gRPC插件会为服务端和客户端生成对应的接口：

type PubsubServiceServer interface {
    Publish(context.Context, *String) (*String, error)
    Subscribe(*String, PubsubService_SubscribeServer) error
}
type PubsubServiceClient interface {
    Publish(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (*String, error)
    Subscribe(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (
        PubsubService_SubscribeClient, error,
    )
}

type PubsubService_SubscribeServer interface {
    Send(*String) error
    grpc.ServerStream
}

因为Subscribe是服务端的单向流，因此生成的HelloService_SubscribeServer接口中只有Send方法。

然后就可以实现发布和订阅服务了：

type PubsubService struct {
    pub *pubsub.Publisher
}

func NewPubsubService() *PubsubService {
    return &PubsubService{
        pub: pubsub.NewPublisher(100*time.Millisecond, 10),
    }
}

然后是实现发布方法和订阅方法：

func (p *PubsubService) Publish(
    ctx context.Context, arg *String,
) (*String, error) {
    p.pub.Publish(arg.GetValue())
    return &String{}, nil
}

func (p *PubsubService) Subscribe(
    arg *String, stream PubsubService_SubscribeServer,
) error {
    ch := p.pub.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
        if key, ok := v.(string); ok {
            if strings.HasPrefix(key,arg.GetValue()) {
                return true
            }
        }
        return false
    })

    for v := range ch {
        if err := stream.Send(&String{Value: v.(string)}); err != nil {
            return err
        }
    }

    return nil
}

这样就可以从客户端向服务器发布信息了：

func main() {
    conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer conn.Close()

    client := NewPubsubServiceClient(conn)

    _, err = client.Publish(
        context.Background(), &String{Value: "golang: hello Go"},
    )
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    _, err = client.Publish(
        context.Background(), &String{Value: "docker: hello Docker"},
    )
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
}

然后就可以在另一个客户端进行订阅信息了：

func main() {
    conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer conn.Close()

    client := NewPubsubServiceClient(conn)
    stream, err := client.Subscribe(
        context.Background(), &String{Value: "golang:"},
    )
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    for {
        reply, err := stream.Recv()
        if err != nil {
            if err == io.EOF {
                break
            }
            log.Fatal(err)
        }

        fmt.Println(reply.GetValue())
    }
}

到此我们就基于gRPC简单实现了一个跨网络的发布和订阅服务。

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