Go必知必会系列：微服务与RPC

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

近几年微服务架构在软件开发界崛起，越来越多的人采用这种架构模式开发应用，也成为了一种趋势。但是由于微服务架构下存在众多的问题，诸如服务治理、负载均衡等问题需要解决，同时还面临着分布式计算的复杂性问题。因此，Service-Oriented Architecture(SOA)理论逐渐被提出，认为可以将分布式系统中的服务化组件分离出来，通过消息传递的方式进行通信，并通过统一的业务协议进行数据交换。其中，Remote Procedure Call(RPC)作为一种分布式计算技术，被广泛应用于SOA架构中。本文将围绕RPC技术及其相关原理，介绍如何利用Go语言实现一个简单易用的微服务框架。

2.核心概念与联系

RPC简介

RPC（Remote Procedure Call）远程过程调用，是分布式系统间通信的一种方式，允许像调用本地函数一样调用另一个计算机上的函数或Procedure。一般来说，实现RPC主要包括四个角色：客户端（Client），服务器端（Server），传输层（Transport），序列化协议（Serialization Protocol）。客户端调用服务器端提供的函数或Procedure时，首先要把请求发送给传输层，然后传输层再把请求数据打包成消息，并通过网络发送到服务器端。服务器端接收到请求消息后，把请求数据解包，执行相应的处理逻辑，然后把结果数据打包成响应消息，再通过网络返回给客户端。客户端接收到响应消息后，解包并得到处理结果。

RPC工作原理

如图所示，假设服务消费方（Client）想要调用服务提供方（Server）提供的远程方法（remote method）。那么，首先需要建立连接，确保两者能够正常通信。之后，服务消费方就像调用本地方法一样调用远程方法，通过网络将参数序列化、打包，并发送给服务提供方。服务提供方收到请求后，解析请求消息，读取参数，根据参数执行对应的处理逻辑，并生成结果数据，同样也要将结果数据序列化、打包、发送给服务消费方。最后，服务消费方接收到结果消息，解析消息，并获取处理结果，最终完成远程调用。

服务发现与注册

服务发现（Service Discovery）用于动态获取可用服务列表，而服务注册（Service Registration）则用于向服务中心注册自己提供的服务信息。通常情况下，服务消费方需要知道服务提供方的IP地址和端口号才能建立网络连接，而服务提供方不仅需要知道消费方的身份，还需要知道调用的方法名、参数类型和顺序，甚至还有超时时间等约束条件。如果服务提供方不能向服务中心注册自己的服务信息，或者服务消费方没有从服务中心获知可用服务的最新状态，那么服务调用将无法完成，这将导致严重的运行时错误。

服务通讯协议

服务通讯协议（Service Communications Protocol，即IDL）用于定义服务接口，规定客户端如何调用服务，服务器端如何处理请求。不同编程语言和框架对IDL的支持程度各有不同，但一般都具有类似功能的机制。IDF文件包含了服务接口的定义，每个方法需要包含名称、入参类型和出参类型，以及可选的异常情况。

服务调用流程

1. 服务消费方通过DNS或其他手段获取可用服务的IP地址和端口号。
2. 服务消费方和服务提供方之间建立TCP连接。
3. 服务消费方和服务提供方协商好通讯协议（例如：HTTP/2.0）。
4. 服务消费方按照服务通讯协议调用服务，通过网络发送请求数据。
5. 服务提供方收到请求数据，解析请求数据，并判断是否有权限调用该方法。
6. 如果方法允许调用，则服务提供方按照服务通讯协议调用对应的方法，并生成结果数据。
7. 服务提供方按照服务通讯协议将结果数据打包成响应消息，通过网络返回给服务消费方。
8. 服务消费方接收到响应消息，解析消息，并获取处理结果。
9. 重复步骤5~8，直到所有请求消息都处理完毕。
10. 服务消费方关闭连接。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

Go-RPC服务实现

前面介绍了远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）的基本概念和工作原理。Go语言提供了标准库package net/rpc来实现RPC服务。下面我们用最简单的“Hello”服务来实践一下。

创建服务端代码

// hello.go
package main

import (
    "fmt"
    "net/http"

    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
)

type HelloService struct{}

func (h *HelloService) SayHello(ctx context.Context, name string) (*string, error) {
    return &name, nil
}

func main() {
    service := new(HelloService)
    http.Handle("/hello", rpc.NewServer(service)) // 使用默认HTTP协议
    fmt.Println("Starting HTTP server at localhost:8080")
    err := http.ListenAndServe(":8080", nil)
    if err!= nil {
        fmt.Printf("Failed to start HTTP server: %v\n", err)
    }
}

这里我们创建了一个服务端，监听本地的8080端口，并且启动了一个默认的HTTP协议的服务端。我们定义了一个服务结构体，里面有一个SayHello的方法用来处理客户端的请求。这个方法接收一个字符串类型的参数，并返回一个指针和一个error类型的值。

注意到这个方法的参数是一个context.Context类型的参数。这是Go-RPC的一个重要特性，因为它允许服务端在调用方法之前或之后做一些准备工作，例如获取请求的上下文（context）、设置超时、记录日志等。

创建客户端代码

// client.go
package main

import (
    "flag"
    "log"

    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"

    pb "hello"
)

var (
    addr = flag.String("addr", "localhost:8080", "server address")
)

func main() {
    flag.Parse()

    conn, err := grpc.Dial(*addr, grpc.WithInsecure())
    if err!= nil {
        log.Fatalf("did not connect: %s", err)
    }
    defer conn.Close()

    c := pb.NewHelloServiceClient(conn)

    req := &pb.HelloRequest{Name: "world"}
    resp, err := c.SayHello(context.Background(), req)
    if err!= nil {
        log.Fatalln("failed to say hello:", err)
    }
    log.Printf("response from server: %s", *resp.Message)
}

这里我们创建一个客户端，连接上刚才创建的服务端。它首先定义了两个命令行参数，-addr表示服务端的地址。然后它调用grpc.Dial函数，连接到服务端，并获得一个grpc ClientConn对象。这个对象的作用类似于TCP连接，可以用来发送请求和接收响应。

接着我们初始化了一个新的HelloServiceStub，并调用它的SayHello方法，传入了HelloRequest对象，并获取到了服务端的回复。最后打印出了服务端的回复的内容。

注意到客户端的代码里并没有定义任何方法，而只是通过编译，使得客户端可以通过指定服务端地址来调用服务端的方法。

服务发现与注册

上面已经展示了Go-RPC服务实现的例子。但是实际生产环境中，服务不会一直保持连接状态，所以需要实现服务发现。Go-RPC自带的负载均衡实现了基本的服务发现功能，但还需要配合服务注册表来实现更细粒度的服务治理。

Consul注册中心

Consul是一个开源的服务发现和配置管理工具，支持多个数据中心。Go-RPC可以通过Consul来实现服务发现和注册功能。首先安装Consul。然后修改hello.go，改成如下形式：

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"

    "github.com/micro/go-plugins/registry/consul"
    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
)

type HelloService struct {}

func (h *HelloService) SayHello(ctx context.Context, name string)(*string, error){
    return &name,nil
}

func main(){
    registry := consul.NewRegistry([]string{"127.0.0.1:8500"}) // 注册中心地址
    service := new(HelloService)
    s := rpc.NewServer(service)
    s.Register(registry)   // 服务注册
    gwmux := runtime.NewServeMux()
    opts := []grpc.DialOption{grpc.WithInsecure()}
    pb.RegisterHelloServiceServer(s, &Greeter{})    // 注册服务
    gwmux.Handle("/", s)
    fmt.Println("Starting GRPC+HTTP server at :8080")
    httpSrv := &http.Server{Addr: ":8080", Handler: gwmux}
    go func() {
        _ = httpSrv.ListenAndServe()
    }()
    select {}
}

这里我们引入了一个名叫github.com/micro/go-plugins/registry/consul的插件，用来集成Consul。通过修改main()函数，我们创建了一个consul Registry实例，并注入到我们的服务实例。然后我们在服务启动的时候，调用Register方法注册这个服务。

当客户端想访问这个服务的时候，只需要将Consul的服务发现地址加入到连接串中就可以了。例如：grpc://localhost:8080。这样客户端就能自动发现和连接到服务了。

服务拆分

在微服务架构中，服务拆分可以有效地减少耦合，提高系统的可维护性。但是如果所有的服务都是互相独立的，那么对于服务的调度和调用就比较麻烦。因此，在实际项目中，通常都会将服务拆分成一个主服务和若干子服务。主服务和子服务之间通过远程过程调用进行通信，来实现功能的复用。

服务注册

主服务往往会把各种子服务的路由信息维护在内存中，让子服务通过调用主服务的注册接口来获得服务调用链路。例如：

type MainService struct {}

func (m *MainService) RegisterChild(ctx context.Context, child *ChildDesc) error {
  ...
   m.children[child.Id] = child
   return nil
}

子服务调用主服务的注册接口，告诉主服务自己是什么子服务，可以被谁调用，以及调用的方法和参数是什么。这样，主服务就可以根据这些信息把子服务调度到不同的机器上去，以提高并发量和可用性。

请求分派

主服务通过调用子服务的方法来实现自己的功能，但是实际上并不是直接调用子服务的方法。因为子服务可能在不同的机器上，因此需要有一个调度器来决定调用哪台子服务。调度器往往需要维护子服务的健康状况，并进行流量调度。

流量控制

因为子服务的数量和并发量是有限的，因此需要引入流控机制来限制主服务的压力。流控需要考虑到各种因素，如：服务调用延迟、服务响应时间、系统资源占用、主服务节点故障等。

服务追踪

当某个子服务出现问题时，应该快速定位到故障发生的原因，并进行定位修复。因此，需要跟踪子服务的请求和响应信息，记录日志，并集成到监控平台。

4.具体代码实例和详细解释说明

本文将介绍基于Go-RPC的微服务框架的设计和实现，并结合实例代码和详尽的注释来阐述设计理念。整个框架包含三个部分，分别是微服务运行时的架构和关键模块的设计理念。

微服务运行时的架构

服务发现与注册

服务发现与注册模块用于管理微服务集群中的服务信息。服务注册模块主要功能包括：

• 提供服务健康检查机制，保证服务可用性；
• 接收微服务集群中新注册的服务信息，并存储；
• 周期性的向微服务集群中的其它服务节点发送心跳包，更新服务状态；
• 提供服务调用链路的查询和服务调用的容错处理机制；

服务发现模块主要功能包括：

• 查询微服务集群中的服务信息，找到适合的服务节点；
• 通过负载均衡策略，将请求转发到最优的服务节点；
• 支持服务降级和熔断，避免服务过载和雪崩效应；
• 缓存服务信息，减少服务发现的耗时，提升性能；

RPC通讯协议

RPC通讯协议模块包含两种协议实现，分别是gRPC和Protobuf-RPC。其中，gRPC由Google推出的跨语言的RPC方案，提供了丰富的特性，如异步、单播、双向流、阻塞式IO、高性能等。Protobuf-RPC是由Google公司内部使用的RPC框架，基于Protobuf协议构建，实现了灵活的数据交换格式。

数据序列化

数据序列化模块是微服务运行时的基石。Micro框架实现了两种数据序列化格式，分别是JSON和Msgpack。JSON可以方便的与第三方服务通信，而Msgpack更加节省空间和性能，适合在内部系统间通信。

服务注册与发现示例

import (
  "context"

  "github.com/micro/go-micro/v2/registry"
)

func main() {
  // Create a new Service
  srv := micro.NewService(
     micro.Name("greeter"),
     micro.Version("latest"),
  )

  // Init plugins
  srv.Init()

  // Create a new registry
  r := srv.Options().Registry

  // Register the Greeter service
  reg := &registry.Record{
    Name:     "helloworld",
    Endpoint: map[string]string{},
    Metadata: map[string]string{"foo": "bar"},
  }
  err := r.Register(reg)
  if err!= nil {
    panic(err)
  }
}

以上代码片段展示了Micro框架的服务注册和发现示例。代码创建了一个新服务，并初始化插件。创建一个新的registry，并向其注册了一个服务条目。注册信息包含服务名称，端点信息，元数据等。

gRPC通讯协议示例

syntax = "proto3";

option go_package = ".;greeterpb";

message Greeting {
  string first_name = 1;
  string last_name = 2;
}

message Result {
  string message = 1;
}

service Greeter {
  rpc SayHello (Greeting) returns (Result);
}

以上代码片段展示了一个gRPC协议的服务定义，它包含两个消息类型，一个用于定义输入参数，另一个用于定义输出结果。服务包含一个名为SayHello的方法，用于实现服务的功能。

Protobuf-RPC通讯协议示例

syntax = "proto3";

message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
}

message AddressBook {
  repeated Person people = 1;
}

service RouteGuide {
  rpc GetFeature (Point) returns (Feature) {}
  rpc ListFeatures (Rectangle) returns (stream Feature) {}
  rpc RecordRoute (stream Point) returns (RouteSummary) {}
  rpc RouteChat (stream ChatRequest) returns (stream ChatResponse) {}
}

以上代码片段展示了一个Protobuf-RPC协议的服务定义。它包含三种消息类型，Person、AddressBook和ChatRequest。其中，Person消息用于定义人员的信息，AddressBook消息用于定义一组人员的集合，ChatRequest消息用于定义聊天请求。服务包含四种方法，GetFeature、ListFeatures、RecordRoute和RouteChat。

JSON和Msgpack序列化格式示例

{
  "first_name": "John",
  "last_name": "Doe"
}

"\xa2\xabfirst_name\xa4John\xablast_name\xa3Doe"

以上代码片段展示了JSON和Msgpack两种序列化格式的示例。JSON格式很容易阅读和编写，但是对性能有一定的影响。Msgpack是一个紧凑的二进制编码格式，可以极大地压缩数据大小。