一、  核心原理：RPC通信流程

1.1 什么是RPC

RPC 的作用就是体现在这样两个方面：

• 屏蔽远程调用跟本地调用的区别，让我们感觉就是调用项目内的方法；

• 隐藏底层网络通信的复杂性，让我们更专注于业务逻辑。

1.2 RPC通信流程

由服务提供者给出业务接口声明，在调用方的程序里面，RPC 框架根据调用的服务接口提前生成动态代理实现类，并通过依赖注入等技术注入到声明了该接口的相关业务逻辑里面。该代理实现类会拦截所有的方法调用，在提供的方法处理逻辑里面完成一整套的远程调用，并把远程调用结果返回给调用方，这样调用方在调用远程方法的时候就获得了像调用本地接口一样的体验。

二、  协议

2.1 协议的作用

协议包括语义定义、边界定义。

2.2 如何设计协议

2.2.1 HTTP 协议跟 RPC 都属于应用层协议，为啥不直接用HTTP，还要为 RPC 设计私有协议呢？

相对于 HTTP ，RPC 更多的是负责应用间的通信，所以性能要求相对更高。但 HTTP 协议的数据包大小相对请求数据本身要大很多，又需要加入很多无用的内容，比如换行符号、回车符等；还有一个更重要的原因是，HTTP 协议属于无状态协议，客户端无法对请求和响应进行关联，每次请求都需要重新建立连接，响应完成后再关闭连接。因此，对于要求高性能的 RPC 来说，HTTP 协议基本很难满足需求，所以 RPC 会选择设计更紧凑的私有协议。

2.2.2 设计可扩展协议

整体协议分为三部分内容：固定部分、协议头内容、协议体内容，前两部分我们还是可以统称为“协议头”，具体协议如下：

三、  序列化

3.1 为什么需要序列化

网络传输的数据必须是二进制数据，但调用方请求的出入参数都是对象。对象是不能直接在网络中传输的，所以需要提前把它转成可传输的二进制。

序列化就是将对象转换成二进制数据的过程，而反序列就是反过来将二进制转换为对象的过程。

3.2 常用序列化方式

3.2.1 JDK 原生序列化

JDK 自带的序列化机制对使用者而言是非常简单的。序列化具体的实现是由 ObjectOutputStream 完成的，而反序列化的具体实现是由 ObjectInputStream 完成的。

序列化过程就是在读取对象数据的时候，不断加入一些特殊分隔符，这些特殊分隔符用于在反序列化过程中截断用。

• 头部数据用来声明序列化协议、序列化版本，用于高低版本向后兼容

• 对象数据主要包括类名、签名、属性名、属性类型及属性值，当然还有开头结尾等数据，除了属性值属于真正的对象值，其他都是为了反序列化用的元数据

• 存在对象引用、继承的情况下，就是递归遍历“写对象”逻辑

3.2.2 JSON

JSON 是一种文本型序列化框架，应用广泛，无论是前台 Web 用 Ajax 调用、用磁盘存储文本类型的数据，还是基于 HTTP 协议的 RPC 框架通信，都会选择 JSON 格式。

但用 JSON 进行序列化有这样两个问题：

• JSON 进行序列化的额外空间开销比较大，对于大数据量服务这意味着需要巨大的内存和磁盘开销；

• JSON 没有类型，但像 Java 这种强类型语言，需要通过反射统一解决，所以性能不会太好。

所以如果 RPC 框架选用 JSON 序列化，服务提供者与服务调用者之间传输的数据量要相对较小，否则将严重影响性能。

3.2.3 Hessian

Hessian 是动态类型、二进制、紧凑的，并且可跨语言移植的一种序列化框架。Hessian 协议要比 JDK、JSON 更加紧凑，性能上要比 JDK、JSON 序列化高效很多，而且生成的字节数也更小。

相对于 JDK、JSON，由于 Hessian 更加高效，生成的字节数更小，有非常好的兼容性和稳定性，所以 Hessian 更加适合作为 RPC 框架远程通信的序列化协议。但 Hessian 本身也有问题，官方版本对 Java 里面一些常见对象的类型不支持，比如：

• Linked 系列，LinkedHashMap、LinkedHashSet 等，但是可以通过扩展 CollectionDeserializer 类修复；

• Locale 类，可以通过扩展 ContextSerializerFactory 类修复；

• Byte/Short 反序列化的时候变成 Integer。

3.2.4 Protobuf

Protobuf 是 Google 公司内部的混合语言数据标准，是一种轻便、高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据序列化，支持 Java、Python、C++、Go 等语言。Protobuf 使用的时候需要定义 IDL（Interface description language），然后使用不同语言的 IDL 编译器，生成序列化工具类，它的优点是：

• 序列化后体积相比 JSON、Hessian 小很多；

• IDL 能清晰地描述语义，所以足以帮助并保证应用程序之间的类型不会丢失，无需类似 XML 解析器；

• 序列化反序列化速度很快，不需要通过反射获取类型；

• 消息格式升级和兼容性不错，可以做到向后兼容。

3.3 RPC 框架如何选择序列化

需要考虑的优先级：优先级从高到低依次是安全性、通用性和兼容性，之后我们会再考虑序列化框架的性能、效率和空间开销。

首选的还是 Hessian 与 Protobuf，因为他们在性能、时间开销、空间开销、通用性、兼容性和安全性上，都满足了我们的要求。其中 Hessian 在使用上更加方便，在对象的兼容性上更好；Protobuf 则更加高效，通用性上更有优势。

四、  网络通信

4.1 常见IO模型

常见的网络 IO 模型分为四种：同步阻塞 IO（BIO）、同步非阻塞 IO（NIO）、IO 多路复用和异步非阻塞 IO（AIO）。在这四种 IO 模型中，只有 AIO 为异步 IO，其他都是同步 IO。

4.1.1 阻塞IO

首先，应用进程发起 IO 系统调用后，应用进程被阻塞，转到内核空间处理。之后，内核开始等待数据，等待到数据之后，再将内核中的数据拷贝到用户内存中，整个 IO 处理完毕后返回进程。最后应用的进程解除阻塞状态，运行业务逻辑。

系统内核处理 IO 操作分为两个阶段——等待数据和拷贝数据。而在这两个阶段中，应用进程中 IO 操作的线程会一直都处于阻塞状态，如果是基于 Java 多线程开发，那么每一个 IO 操作都要占用线程，直至 IO 操作结束。

4.1.2 IO多路复用

什么是 IO 多路复用呢？字面上的理解，多路就是指多个通道，也就是多个网络连接的 IO，而复用就是指多个通道复用在一个复用器上。

多个网络连接的 IO 可以注册到一个复用器（select）上，当用户进程调用了 select，那么整个进程会被阻塞。同时，内核会“监视”所有 select 负责的 socket，当任何一个 socket 中的数据准备好了，select 就会返回。这个时候用户进程再调用 read 操作，将数据从内核中拷贝到用户进程。

4.1.3 RPC选择哪种IO模型

RPC 调用在大多数的情况下，是一个高并发调用的场景，考虑到系统内核的支持、编程语言的支持以及 IO 模型本身的特点，在 RPC 框架的实现中，在网络通信的处理上，我们会选择 IO 多路复用的方式。开发语言的网络通信框架的选型上，我们最优的选择是基于 Reactor 模式实现的框架，如Java的Netty。

4.2 零拷贝

所谓的零拷贝，就是取消用户空间与内核空间之间的数据拷贝操作，应用进程每一次的读写操作，都可以通过一种方式，让应用进程向用户空间写入或者读取数据，就如同直接向内核空间写入或者读取数据一样，再通过 DMA 将内核中的数据拷贝到网卡，或将网卡中的数据 copy 到内核。

零拷贝有两种解决方式，分别是 mmap+write 方式和 sendfile 方式，mmap+write 方式的核心原理就是通过虚拟内存来解决的。

五、  动态代理

5.1 远程调用魔法

RPC 会自动给接口生成一个代理类，当我们在项目中注入接口的时候，运行过程中实际绑定的是这个接口生成的代理类。这样在接口方法被调用的时候，它实际上是被生成代理类拦截到了，这样我们就可以在生成的代理类里面，加入远程调用逻辑。

极客时间《RPC实战与核心原理》学习笔记 Day09