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(近)万字总结,RPC 项目相关问题及解答

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何人听我楚狂声
编辑于 2021-01-15 16:32:40 APP内打开
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最近看到不少小🔥伴都采用 RPC 轮子作为项目经验,也遇到过不少问题。这里我就对面试中,关于这个项目可能问到的相关问题和参考答案进行一个简单的总结。主要集中于这个项目相关的技术栈问题,不涉及项目具体的设计思想。答案部分摘自互联网。

RPC

什么是 RPC

RPC(Remote Procedure Call)—远程过程调用,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。比如两个不同的服务 A、B 部署在两台不同的机器上,那么服务 A 如果想要调用服务 B 中的某个方法该怎么办呢?使用 HTTP请求 当然可以,但是可能会比较慢而且一些优化做的并不好。 RPC 的出现就是为了解决这个问题。

最终解决的问题:让分布式或者微服务系统中不同服务之间的调用像本地调用一样简单。

RPC 简要原理

图片说明

  1. 服务消费方(client)调用以本地调用方式调用服务;
  2. client stub接收到调用后负责将方法、参数等组装成能够进行网络传输的消息体;
  3. client stub找到服务地址,并将消息发送到服务端;
  4. server stub收到消息后进行解码;
  5. server stub根据解码结果调用本地的服务;
  6. 本地服务执行并将结果返回给server stub;
  7. server stub将返回结果打包成消息并发送至消费方;
  8. client stub接收到消息,并进行解码;
  9. 服务消费方得到最终结果。

业界常用的 RPC 框架

  • Dubbo: Dubbo 是阿里巴巴公司开源的一个高性能优秀的服务框架,使得应用可通过高性能的 RPC 实现服务的输出和输入功能,可以和 Spring框架无缝集成。目前 Dubbo 已经成为 Spring Cloud Alibaba 中的官方组件。
  • gRPC :gRPC 是可以在任何环境中运行的现***源高性能RPC框架。它可以通过可插拔的支持来有效地连接数据中心内和跨数据中心的服务,以实现负载平衡,跟踪,运行状况检查和身份验证。它也适用于分布式计算的最后一英里,以将设备,移动应用程序和浏览器连接到后端服务。
  • Hessian: Hessian是一个轻量级的 remoting-on-http 工具,使用简单的方法提供了 RMI 的功能。 相比 WebService,Hessian 更简单、快捷。采用的是二进制 RPC协议,因为采用的是二进制协议,所以它很适合于发送二进制数据。

为什么用 RPC,不用 HTTP

首先需要指正,这两个并不是并行概念。RPC 是一种设计,就是为了解决不同服务之间的调用问题,完整的 RPC 实现一般会包含有 传输协议序列化协议 这两个。

而 HTTP 是一种传输协议,RPC 框架完全可以使用 HTTP 作为传输协议,也可以直接使用 TCP,使用不同的协议一般也是为了适应不同的场景。

使用 TCP 和使用 HTTP 各有优势:

传输效率

  • TCP,通常自定义上层协议,可以让请求报文体积更小
  • HTTP:如果是基于HTTP 1.1 的协议,请求中会包含很多无用的内容

性能消耗,主要在于序列化和反序列化的耗时

  • TCP,可以基于各种序列化框架进行,效率比较高
  • HTTP,大部分是通过 json 来实现的,字节大小和序列化耗时都要更消耗性能

跨平台

  • TCP:通常要求客户端和服务器为统一平台
  • HTTP:可以在各种异构系统上运行

总结
  RPC 的 TCP 方式主要用于公司内部的服务调用,性能消耗低,传输效率高。HTTP主要用于对外的异构环境,浏览器接口调用,APP接口调用,第三方接口调用等。

Java

调用如何在客户端无感(动态代理)

基于动态代理生成代理对象,当调用代理对象的方法时,由代理进行相关信息(方法、参数等)的组装并发送到服务器进行远程调用,并由代理接收调用结果并返回。

动态代理和静态代理的区别

静态代理的代理对象和被代理对象在代理之前就已经确定,它们都实现相同的接口或继承相同的抽象类。静态代理模式一般由业务实现类和业务代理类组成,业务实现类里面实现主要的业务逻辑,业务代理类负责在业务方法调用的前后作一些你需要的处理,以实现业务逻辑与业务方法外的功能解耦,减少了对业务方法的入侵。静态代理又可细分为:基于继承的方式和基于聚合的方式实现。

静态代理模式的代理类,只是实现了特定类的代理,代理类对象的方法越多,你就得写越多的重复的代码。动态代理就可以动态的生成代理类,实现对不同类下的不同方法的代理。

JDK 动态代理是利用反射机制生成一个实现代理接口的匿名类,在调用业务方法前调用InvocationHandler 处理。代理类必须实现 InvocationHandler 接口,并且,JDK 动态代理只能代理实现了接口的类

JDK 动态代理的步骤

使用 JDK 动态代理类基本步骤:

1、编写需要被代理的类和接口

2、编写代理类,需要实现 InvocationHandler 接口,重写 invoke() 方法;

3、使用Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h)动态创建代理类对象,通过代理类对象调用业务方法。

如果想代理没有实现接口的对象

CGLIB 框架实现了对无接口的对象进行代理的方式。JDK 动态代理是基于接口实现的,而 CGLIB 是基于继承实现的。它会对目标类产生一个代理子类,通过方法拦截技术对过滤父类的方法调用。代理子类需要实现 MethodInterceptor 接口。

CGLIB 底层是通过 asm 字节码框架实时生成类的字节码,达到动态创建类的目的,效率较 JDK 动态代理低。Spring 中的 AOP 就是基于动态代理的,如果被代理类实现了某个接口,Spring 会采用 JDK 动态代理,否则会采用 CGLIB。

可以写一个动态代理的例子吗

不可以

interface DemoInterface {
    String hello(String msg);
}

class DemoImpl implements DemoInterface {
    @Override
    public String hello(String msg) {
        System.out.println("msg = " + msg);
        return "hello";
    }
}

class DemoProxy implements InvocationHandler {

    private DemoInterface service;

    public DemoProxy(DemoInterface service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object obj, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("调用方法前...");
        Object returnValue = method.invoke(service, args);
        System.out.println("调用方法后...");
        return returnValue;
    }

}

public class Solution {
    public static void main(String[] args) {
        DemoProxy proxy = new DemoProxy(new DemoImpl());
        DemoInterface service = Proxy.newInstance(
            DemoInterface.class.getClassLoader(),
            new Class<?>[]{DemoInterface.class},
            proxy
        );
        System.out.println(service.hello("呀哈喽!"));
    }
}

输出:

调用方法前...
msg = 呀哈喽!
调用方法后...
hello

对象是怎么在网络中传输的(序列化)

通过将对象序列化成字节数组,即可将对象发送到网络中。

序列化(serialization)在计算机科学的资料处理中,是指将数据结构或对象状态转换成可取用格式(例如存成文件,存于缓冲,或经由网络中发送),以留待后续在相同或另一台计算机环境中,能恢复原先状态的过程。依照序列化格式重新获取字节的结果时,可以利用它来产生与原始对象相同语义的副本。对于许多对象,像是使用大量引用的复杂对象,这种序列化重建的过程并不容易。这种过程也称为对象编组(marshalling)。从一系列字节提取数据结构的反向操作,是反序列化(也称为解编组、deserialization、unmarshalling)。

在 Java 中,想要序列化一个对象,这个对象所属的类必须实现了 Serializable 接口,并且其内部属性必须都是可序列化的。如果有一个属性不是可序列化的,则该属性必须被声明为 transient

JDK 中提供了 ObjectOutStream 类来对对象进行序列化。

你的框架实现了哪几种序列化方式,可以介绍下吗

实现了 JSON、Kryo、Hessian 和 Protobuf 的序列化。

JSON 是一种轻量级的数据交换语言,该语言以易于让人阅读的文字为基础,用来传输由属性值或者序列性的值组成的数据对象,类似 xml,Json 比 xml更小、更快更容易解析。JSON 由于采用字符方式存储,占用相对于字节方式较大,并且序列化后类的信息会丢失,可能导致反序列化失败。

剩下的都是基于字节的序列化。

Kryo 是一个快速高效的 Java 序列化框架,旨在提供快速、高效和易用的 API。无论文件、数据库或网络数据 Kryo 都可以随时完成序列化。 Kryo 还可以执行自动深拷贝、浅拷贝。这是对象到对象的直接拷贝,而不是对象->字节->对象的拷贝。kryo 速度较快,序列化后体积较小,但是跨语言支持较复杂。

Hessian 是一个基于二进制的协议,Hessian 支持很多种语言,例如 Java、python、c++,、net/c#、D、Erlang、PHP、Ruby、object-c等,它的序列化和反序列化也是非常高效。速度较慢,序列化后的体积较大。

protobuf(Protocol Buffers)是由 Google 发布的数据交换格式,提供跨语言、跨平台的序列化和反序列化实现,底层由 C++ 实现,其他平台使用时必须使用 protocol compiler 进行预编译生成 protoc 二进制文件。性能主要消耗在文件的预编译上。序列化反序列化性能较高,平台无关。

Netty

简单介绍一下 Netty

Netty 是一个异步事件驱动的网络应用程序框架,用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端Netty 基于 NIO 的,封装了 JDK 的 NIO,让我们使用起来更加方法灵活。

特点和优势:

  • 使用简单:封装了 NIO 的很多细节,使用更简单。
  • 功能强大:预置了多种编解码功能,支持多种主流协议。
  • 定制能力强:可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活地扩展。
  • 性能高:通过与其他业界主流的 NIO 框架对比,Netty 的综合性能最优。

为什么 Netty 性能高

  • IO 线程模型:同步非阻塞,用最少的资源做更多的事。
  • 内存零拷贝:尽量减少不必要的内存拷贝,实现了更高效率的传输。
  • 内存池设计:申请的内存可以重用,主要指直接内存。内部实现是用一颗二叉查找树管理内存分配情况。
  • 串行化处理读写:避免使用锁带来的性能开销。
  • 高性能序列化协议:支持 protobuf 等高性能序列化协议。

简单说下 BIO、NIO 和 AIO

BIO:一个连接一个线程,客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。线程开销大。

伪异步IO:将请求连接放入线程池,一对多,但线程还是很宝贵的资源。

NIO:一个请求一个线程,但客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。

AIO:一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

Netty的线程模型?

Netty 通过 Reactor 模型基于多路复用器接收并处理用户请求,内部实现了两个线程池, boss 线程池和 worker 线程池,其中 boss 线程池的线程负责处理请求的 accept 事件,当接收到 accept 事件的请求时,把对应的 socket 封装到一个 NioSocketChannel 中,并交给 worker 线程池,其中 worker 线程池负责请求的 read 和 write 事件,由对应的Handler 处理。

单线程模型:所有I/O操作都由一个线程完成,即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor 线程上完成的。既要接收客户端的连接请求,向服务端发起连接,又要发送/读取请求或应答/响应消息。一个NIO 线程同时处理成百上千的链路,性能上无法支撑,速度慢,若线程进入死循环,整个程序不可用,对于高负载、大并发的应用场景不合适。

多线程模型:有一个NIO 线程(Acceptor) 只负责监听服务端,接收客户端的TCP 连接请求;NIO 线程池负责网络IO 的操作,即消息的读取、解码、编码和发送;1 个NIO 线程可以同时处理N 条链路,但是1 个链路只对应1 个NIO 线程,这是为了防止发生并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时,一个Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

主从多线程模型:Acceptor 线程用于绑定监听端口,接收客户端连接,将SocketChannel 从主线程池的 Reactor 线程的多路复用器上移除,重新注册到Sub 线程池的线程上,用于处理I/O 的读写等操作,从而保证 mainReactor 只负责接入认证、握手等操作;

如何解决 TCP 的粘包拆包问题

TCP 是以流的方式来处理数据,一个完整的包可能会被 TCP 拆分成多个包进行发送,也可能把小的封装成一个大的数据包发送。

TCP 粘包/分包的原因:应用程序写入的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小,会发生拆包现象,而应用程序写入数据小于套接字缓冲区大小,网卡将应用多次写入的数据发送到网络上,这将会发生粘包现象;

Netty 自带解决方式:

  • 消息定长:FixedLengthFrameDecoder 类

  • 包尾增加特殊字符分割:

    • 行分隔符类:LineBasedFrameDecoder
    • 自定义分隔符类 :DelimiterBasedFrameDecoder
  • 将消息分为消息头和消息体:LengthFieldBasedFrameDecoder 类。分为有头部的拆包与粘包、长度字段在前且有头部的拆包与粘包、多扩展头部的拆包与粘包。

框架解决方式:

自定义协议,其中有字段标明包长度。

说下 Netty 零拷贝

Netty 的零拷贝主要包含三个方面:

  • Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT BUFFERS,使用堆外直接内存进行 Socket 读写,不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存(HEAP BUFFERS)进行 Socket 读写,JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接内存中,然后才写入 Socket 中。相比于堆外直接内存,消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。
  • Netty 提供了组合 Buffer 对象,可以聚合多个 ByteBuffer 对象,用户可以像操作一个 Buffer 那样方便的对组合 Buffer 进行操作,避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小 Buffer 合并成一个大的 Buffer。
  • Netty 的文件传输采用了 transferTo 方法,它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel,避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题。

简单说下 Netty 中的重要组件

  • Channel:Netty 网络操作抽象类,它除了包括基本的 I/O 操作,如 bind、connect、read、write 等。
  • EventLoop:主要是配合 Channel 处理 I/O 操作,用来处理连接的生命周期中所发生的事情。
  • ChannelFuture:Netty 框架中所有的 I/O 操作都为异步的,因此我们需要 ChannelFuture 的 addListener()注册一个 ChannelFutureListener 监听事件,当操作执行成功或者失败时,监听就会自动触发返回结果。
  • ChannelHandler:充当了所有处理入站和出站数据的逻辑容器。ChannelHandler 主要用来处理各种事件,这里的事件很广泛,比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。
  • ChannelPipeline:为 ChannelHandler 链提供了容器,当 channel 创建时,就会被自动分配到它专属的 ChannelPipeline,这个关联是永久性的。

Netty 中责任链

首先说明责任链模式:

适用场景:

  • 对于一个请求来说,如果有个对象都有机会处理它,而且不明确到底是哪个对象会处理请求时,我们可以考虑使用责任链模式实现它,让请求从链的头部往后移动,直到链上的一个节点成功处理了它为止

优点:

  • 发送者不需要知道自己发送的这个请求到底会被哪个对象处理掉,实现了发送者和接受者的解耦
  • 简化了发送者对象的设计
  • 可以动态的添加节点和删除节点

缺点:

  • 所有的请求都从链的头部开始遍历,对性能有损耗
  • 极差的情况,不保证请求一定会被处理

Netty的责任链:

netty 的 pipeline 设计,就采用了责任链设计模式, 底层采用双向链表的数据结构, 将链上的各个处理器串联起来

客户端每一个请求的到来,netty 都认为,pipeline 中的所有的处理器都有机会处理它,因此,对于入栈的请求,全部从头节点开始往后传播,一直传播到尾节点(来到尾节点的 msg 会被释放掉)。

责任终止机制

  • 在pipeline中的任意一个节点,只要我们不手动的往下传播下去,这个事件就会终止传播在当前节点
  • 对于入站数据,默认会传递到尾节点,进行回收,如果我们不进行下一步传播,事件就会终止在当前节点

Netty 是如何保持长连接的(心跳)

首先 TCP 协议的实现中也提供了 keepalive 报文用来探测对端是否可用。TCP 层将在定时时间到后发送相应的 KeepAlive 探针以确定连接可用性。

ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true 表示打开 TCP 的 keepAlive 设置。

TCP 心跳的问题:

考虑一种情况,某台服务器因为某些原因导致负载超高,CPU 100%,无法响应任何业务请求,但是使用 TCP 探针则仍旧能够确定连接状态,这就是典型的连接活着但业务提供方已死的状态,对客户端而言,这时的最好选择就是断线后重新连接其他服务器,而不是一直认为当前服务器是可用状态一直向当前服务器发送些必然会失败的请求。

Netty 中提供了 IdleStateHandler 类专门用于处理心跳。

IdleStateHandler 的构造函数如下:

public IdleStateHandler(long readerIdleTime, long writerIdleTime, 
                        long allIdleTime,TimeUnit unit){
}

第一个参数是隔多久检查一下读事件是否发生,如果 channelRead() 方法超过 readerIdleTime 时间未被调用则会触发超时事件调用 userEventTrigger() 方法;

第二个参数是隔多久检查一下写事件是否发生,writerIdleTime 写空闲超时时间设定,如果 write() 方法超过 writerIdleTime 时间未被调用则会触发超时事件调用 userEventTrigger() 方法;

第三个参数是全能型参数,隔多久检查读写事件;

第四个参数表示当前的时间单位。

所以这里可以分别控制读,写,读写超时的时间,单位为秒,如果是0表示不检测,所以如果全是0,则相当于没添加这个 IdleStateHandler,连接是个普通的短连接。

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