【.Net技术栈梳理】05-gRPC

gRPC。这是一个极其重要的现代通信技术，尤其在高性能、分布式系统和微服务架构中扮演着核心角色。

1. gRPC 是什么？

gRPC 是一个高性能、开源、通用的** RPC（Remote Procedure Call）框架**，由 Google 开发并基于其多年的内部技术积累（最初是 Stubby）。

• 核心思想：让你能够像调用本地方法一样调用远程服务器上的方法，而无需关心底层的网络通信、序列化/反序列化等复杂细节。
• 官方定义：gRPC 是一个现代的、基于 HTTP/2 的 RPC 框架，它可以在任何环境中运行。
• 关键特性：
  • 跨语言：这是其最大优势之一。它支持所有主流编程语言（C++, Java, Python, Go, C#, Node.js, Ruby, Dart 等），这意味着一个用 C# 编写的服务端可以被 Go 或 Python 的客户端轻松调用。
  • 基于 Protocol Buffers (protobuf)：默认使用 protobuf 作为接口定义语言（IDL） 和底层的消息序列化/反序列化协议。protobuf 是二进制格式，性能极高（序列化后体积小、速度快），远胜于 JSON/XML。
  • 基于 HTTP/2：这是其高性能的基石。HTTP/2 提供了多路复用、头部压缩、服务器推送等特性，使得 gRPC 连接更高效、延迟更低。

2. 核心概念与工作原理

2.1 接口定义先行：.proto 文件

gRPC 的核心是契约先行的开发模式。首先需要在一个 .proto 文件中定义服务接口和消息结构。

// 1. 指定 protobuf 的语法版本
syntax = "proto3";

// 2. 可选，指定生成的 C# 代码的命名空间
option csharp_namespace = "GrpcServiceDemo";

// 3. 定义服务。一个服务包含多个可远程调用的方法。
service Greeter {
  // 定义一个 RPC 方法，名为 SayHello
  // 它接收一个 HelloRequest 消息，并返回一个 HelloReply 消息
  rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply);
}

// 4. 定义消息类型（相当于数据传输对象 DTO）
message HelloRequest {
  // 字段定义：类型 字段名 = 唯一的字段编号;
  string name = 1;
}

message HelloReply {
  string message = 1;
}

• service： 定义了你的远程服务，里面包含多个 RPC 方法。
• rpc： 定义了一个远程方法。你必须指定其请求和响应的消息类型。
• message： 定义了在网络上传输的数据结构。每个字段都有一个唯一的编号，这个编号用于在二进制流中识别字段，比使用字段名高效得多。
• 字段规则： string name = 1; 中的 1 是字段编号，一旦确定就不能更改。proto3 中字段默认是单数的，还有 repeated（类似数组）等规则。

2.2 代码生成：protoc 编译器

定义好 .proto 文件后，需要使用 Protocol Buffers 编译器（protoc） 配合对应语言的 gRPC 插件来生成代码。

• 生成内容：
  • 客户端存根（Stub）： 客户端代码中会生成一个类，它包含了所有在 .proto 中定义的 RPC 方法。你调用这个存根的方法，它就会帮你处理网络通信，向服务器发送请求并接收响应。
  • 服务端骨架（Skeleton）： 服务端代码中会生成一个抽象的基类，其中包含了所有 RPC 方法的虚方法。你的任务就是继承这个基类，并重写这些方法，实现具体的业务逻辑。

例如，对于 C#，使用 Grpc.Tools NuGet 包，它会在编译时自动帮你生成上述代码。

2.3 通信模式

gRPC 支持四种主要的通信模式：

1. 一元 RPC（Unary RPC）

   • 最简单的模式：客户端发送一个请求，服务端返回一个响应。
   • rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply);

2. 服务端流式 RPC（Server streaming RPC）

   • 客户端发送一个请求，服务端返回一个流，包含多条消息。
   • 适用于服务器需要向客户端推送大量数据的场景，如实时日志、股票报价、文件分块传输。
   • rpc LotsOfReplies (HelloRequest) returns (stream HelloReply);

3. 客户端流式 RPC（Client streaming RPC）

   • 客户端发送一个流，包含多条消息，服务端返回一个响应。
   • 适用于客户端需要向服务器上传大量数据的场景，如传感器数据上传、大文件上传。
   • rpc LotsOfGreetings (stream HelloRequest) returns (HelloReply);

4. 双向流式 RPC（Bidirectional streaming RPC）

   • 客户端和服务端都使用一个读写流来发送一系列消息。这两个流是独立操作的，因此它们可以以任意顺序读写。
   • 适用于真正的实时对话场景，如聊天应用、游戏指令同步、遥测数据交换。
   • rpc BidiHello (stream HelloRequest) returns (stream HelloReply);

3 为什么选择 gRPC？优势与劣势

优势

1. 极高的性能

   • 序列化：Protobuf 是二进制格式，序列化/反序列化速度极快，生成的数据包体积非常小。
   • 协议：基于 HTTP/2，支持多路复用（多个请求/响应可以在同一个 TCP 连接上同时交错进行），避免了 HTTP/1.1 的队头阻塞问题，减少了连接开销。
   • 代码生成：强类型的客户端和服务端代码减少了运行时错误，并且调用就像本地方法一样直观高效。

2. 严格的 API 契约

   • .proto 文件是服务 API 的唯一真相来源。它充当了清晰的、语言无关的契约，便于前后端、不同团队之间协作，并大大减少了编写无聊的样板代码的工作量。

3. 流式处理能力

   • 内置支持四种流模式，非常适合处理大规模数据集和实时通信场景，这是传统 REST API 难以优雅实现的。

4. 超时、截止时间（Deadlines）和取消

   • gRPC 客户端可以指定一个 RPC 在多久时间内必须完成。如果超时，服务器可以自行中止操作，避免资源浪费。

5. 内置认证和加密

   • 原生支持基于 SSL/TLS 的通道加密。同时提供了丰富的认证机制插件，如 token-based 认证。

劣势与挑战

1. 对浏览器支持有限

   • 浏览器无法直接强制要求使用 HTTP/2 和操纵底层网络，因此无法直接调用 gRPC 服务。这是 gRPC-Web 要解决的问题，它需要一个代理来将 HTTP/1.1 的请求转换为 gRPC 的 HTTP/2 请求。

2. 可调试性稍差

   • 由于传输的是二进制数据，不能像 JSON 那样直接用 curl 命令或浏览器开发者工具来直观地查看和调试请求/响应内容。通常需要额外的工具（如 grpcurl）来进行调试。

3. 学习曲线

   • 需要学习 .proto 语法和一套新的工具链（protoc），与传统的基于 JSON 的 REST API 开发模式有所不同。

4 gRPC 与 REST 的对比

总结：
如果在构建内部服务（尤其是微服务）、对性能有极高要求、或者需要流式通信，gRPC 是绝佳的选择。如果你在构建面向公众的 API，需要最大程度的兼容性和可调试性，REST with JSON 可能仍然是更安全的选择。

5 在 .NET 中使用 gRPC 的简单示例

1. 创建服务端

   • 使用 Visual Studio 模板创建 gRPC Service 项目。

   • 它已经包含了示例 .proto 文件和一个服务实现。

   • 实现生成的抽象类中的方法：

     public class GreeterService : Greeter.GreeterBase
     {
         public override Task<HelloReply> SayHello(HelloRequest request, ServerCallContext context)
         {
             return Task.FromResult(new HelloReply
             {
                 Message = "Hello " + request.Name
             });
         }
     }```
     
     

2. 创建客户端

   • 在客户端项目中，通过 NuGet 添加 Grpc.Net.Client 和 Google.Protobuf。
   • 将服务端的 .proto 文件复制到客户端项目（通常作为链接添加），并配置其生成客户端代码。
   • 调用服务：

     // 创建通道（管理到服务端的连接）
     using var channel = GrpcChannel.ForAddress("https://localhost:7001");
     
     // 创建客户端（生成的代码）
     var client = new Greeter.GreeterClient(channel);
     
     // 像调用本地方法一样调用远程方法！
     var reply = await client.SayHelloAsync(new HelloRequest { Name = "World" });
     Console.WriteLine("Greeting: " + reply.Message);
     

总结

gRPC 是一个强大的、现代的 RPC 框架，它通过契约先行、基于 HTTP/2 和 Protobuf的设计，提供了卓越的性能、跨语言支持和丰富的流式处理能力。它是构建高性能、分布式系统（如微服务、服务网格）的理想选择，尽管在面向浏览器时存在一些挑战，但 gRPC-Web 正在努力解决这个问题。对于 .NET 开发者来说，其工具链集成非常完善，上手和使用体验都非常流畅。