基于Netty和SpringBoot实现一个轻量级RPC框架-Server篇

前提

前置文章：

• Github Page：《基于Netty和SpringBoot实现一个轻量级RPC框架-协议篇》
• Coding Page：《基于Netty和SpringBoot实现一个轻量级RPC框架-协议篇》

在前置的《基于Netty和SpringBoot实现一个轻量级RPC框架-协议篇》一文中已经定义了一个相对简单的RPC私有协议，并且实现了对应的编码和解码模块。这篇文章基于协议篇，完成Server端代码调用的编写。考虑到目前相对主流的IOC容器是Spring，这里选用了spring-boot-starter（非MVC容器，只是单纯管理Bean），依赖JDK1.8+。

思路

首先RPC私有协议定义了Client端会传过来四个和服务调用息息相关的字符：接口全类名interfaceName、方法名methodName、方法参数签名字符串数组methodArgumentSignatures（可选，这个参数不是必须传入的）以及方法参数数组methodArguments（可选，空方法列表的时候不需要传入参数）。主要流程如下：

• 把Server端的所有服务端（实现）类交由IOC容器托管。
• Client端发起RPC请求。
• 通过前面提到的最多四个参数，从Server服务实例的IOC容器中匹配出吻合度最高的一个方法java.lang.reflect.Method实例、该方法实例的宿主类以及宿主类对应的Bean实例，如果这一步匹配的目标方法超过1个或者为0个，可以直接返回异常信息。
• 把前一步得到的Method实例、宿主类Bean实例，结合方法参数数组methodArguments进行反射调用，得到调用结果。
• Server端把响应结果封装到payload通过私有协议发送回Client端。

Server端代码实现

为了暂时方便起见，部分数组入参被重新封装为ArrayList，实际上编写RPC框架的时候应该优先考虑性能问题，像JDK提供的集合类库等等应该尽可能少用（以ArrayList为例，扩容的时候存在底层Object[]拷贝，造成性能损失和额外的内存消耗），极尽可能使用基本类型和数组。

先定义方法匹配器MethodMatcher相关的类：

public interface MethodMatcher {

    /**
     * 查找一个匹配度最高的方法信息
     *
     * @param input input
     * @return output
     */
    MethodMatchOutput selectOneBestMatchMethod(MethodMatchInput input);
}

// 输入值
@EqualsAndHashCode
@Data
public class MethodMatchInput {

    private String interfaceName;

    private String methodName;

    private List<String> methodArgumentSignatures;

    private int methodArgumentArraySize;
}

// 输出值
@Data
public class MethodMatchOutput {

    /**
     * 目标方法实例
     */
    private Method targetMethod;

    /**
     * 目标实现类 - 这个有可能是被Cglib增强过的类型,是宿主类的子类,如果没有被Cglib增强过,那么它就是宿主类
     */
    private Class<?> targetClass;

    /**
     * 宿主类
     */
    private Class<?> targetUserClass;

    /**
     * 宿主类Bean实例
     */
    private Object target;

    /**
     * 方法参数类型列表
     */
    private List<Class<?>> parameterTypes;
}

目标方法匹配的逻辑大致如下：

1. 方法名称和方法实例的宿主类型一定作为匹配条件的一部分。
2. 如果传入了参数签名列表，优先使用参数签名列表类型进行匹配。
3. 如果没有传入参数签名列表，那么使用参数的数量进行匹配。
4. 如果参数签名列表和参数列表都没有传入，那么只能通过方法名称和方法实例的宿主类型匹配。
5. 考虑到方法匹配解析的过程相对耗时，需要把结果缓存起来。

分析至此，可以基于反射，编写一个抽象的方法匹配器BaseMethodMatcher，然后把获取宿主类信息的功能委托到子类：

public class MethodMatchException extends RuntimeException {

    public MethodMatchException(String message) {
        super(message);
    }

    public MethodMatchException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public MethodMatchException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}

@Data
public class HostClassMethodInfo {

    private Class<?> hostClass;
    private Class<?> hostUserClass;
    private Object hostTarget;
}

@Slf4j
abstract class BaseMethodMatcher implements MethodMatcher {

    private final ConcurrentMap<MethodMatchInput, MethodMatchOutput> cache = Maps.newConcurrentMap();

    @Override
    public MethodMatchOutput selectOneBestMatchMethod(MethodMatchInput input) {
        return cache.computeIfAbsent(input, in -> {
            try {
                MethodMatchOutput output = new MethodMatchOutput();
                Class<?> interfaceClass = Class.forName(in.getInterfaceName());
                // 获取宿主类信息
                HostClassMethodInfo info = findHostClassMethodInfo(interfaceClass);
                List<Method> targetMethods = Lists.newArrayList();
                ReflectionUtils.doWithMethods(info.getHostUserClass(), targetMethods::add, method -> {
                    String methodName = method.getName();
                    Class<?> declaringClass = method.getDeclaringClass();
                    List<Class<?>> inputParameterTypes = Optional.ofNullable(in.getMethodArgumentSignatures())
                            .map(mas -> {
                                List<Class<?>> list = Lists.newArrayList();
                                mas.forEach(ma -> list.add(ClassUtils.resolveClassName(ma, null)));
                                return list;
                            }).orElse(Lists.newArrayList());
                    output.setParameterTypes(inputParameterTypes);
                    // 如果传入了参数签名列表，优先使用参数签名列表类型进行匹配
                    if (!inputParameterTypes.isEmpty()) {
                        List<Class<?>> parameterTypes = Lists.newArrayList(method.getParameterTypes());
                        return Objects.equals(methodName, in.getMethodName()) &&
                                Objects.equals(info.getHostUserClass(), declaringClass) &&
                                Objects.equals(parameterTypes, inputParameterTypes);
                    }
                    // 如果没有传入参数签名列表，那么使用参数的数量进行匹配
                    if (in.getMethodArgumentArraySize() > 0) {
                        List<Class<?>> parameterTypes = Lists.newArrayList(method.getParameterTypes());
                        return Objects.equals(methodName, in.getMethodName()) &&
                                Objects.equals(info.getHostUserClass(), declaringClass) &&
                                in.getMethodArgumentArraySize() == parameterTypes.size();

                    }
                    // 如果参数签名列表和参数列表都没有传入，那么只能通过方法名称和方法实例的宿主类型匹配
                    return Objects.equals(methodName, in.getMethodName()) &&
                            Objects.equals(info.getHostUserClass(), declaringClass);

                });
                if (targetMethods.size() != 1) {
                    throw new MethodMatchException(String.format("查找到目标方法数量不等于1,interface:%s,method:%s",
                            in.getInterfaceName(), in.getMethodName()));
                }
                Method targetMethod = targetMethods.get(0);
                output.setTargetClass(info.getHostClass());
                output.setTargetMethod(targetMethod);
                output.setTargetUserClass(info.getHostUserClass());
                output.setTarget(info.getHostTarget());
                return output;
            } catch (Exception e) {
                log.error("查找匹配度最高的方法失败,输入参数:{}", JSON.toJSONString(in), e);
                if (e instanceof MethodMatchException) {
                    throw (MethodMatchException) e;
                } else {
                    throw new MethodMatchException(e);
                }
            }
        });
    }

    /**
     * 获取宿主类的信息
     *
     * @param interfaceClass interfaceClass
     * @return HostClassMethodInfo
     */
    abstract HostClassMethodInfo findHostClassMethodInfo(Class<?> interfaceClass);
}

接着，通过接口类型获取宿主类的功能就委托给Spring实现，从IOC容器中获取，定义SpringMethodMatcher：

@Component
public class SpringMethodMatcher extends BaseMethodMatcher implements BeanFactoryAware {

    private DefaultListableBeanFactory beanFactory;

    @Override
    public void setBeanFactory(@NonNull BeanFactory beanFactory) throws BeansException {
        this.beanFactory = (DefaultListableBeanFactory) beanFactory;
    }

    @Override
    HostClassMethodInfo findHostClassMethodInfo(Class<?> interfaceClass) {
        HostClassMethodInfo info = new HostClassMethodInfo();
        // 从容器中通过接口类型获取对应的实现,实现必须只有一个
        Object bean = beanFactory.getBean(interfaceClass);
        info.setHostTarget(bean);
        info.setHostClass(bean.getClass());
        info.setHostUserClass(ClassUtils.getUserClass(bean.getClass()));
        return info;
    }
}

至此，目标方法匹配的模块已经编写完毕，接下来需要处理方法参数列表的反序列化。编写协议的时候，笔者把方法参数列表methodArguments存放在Object数组中，传输的时候序列化为byte数组，经过协议解析之后，方法参数列表的实际类型为ByteBuf数组（这是因为Netty中的字节容器就是ByteBuf），那么需要考虑把ByteBuf数组转换为目标方法的参数类型实例。主要步骤如下：

1. 如果方法参数列表为空，那么什么都不用做，也就是调用了无参数的方法。
2. 如果方法参数列表不为空同时方法参数类型列表不为空，优先选用方法参数类型列表进行转换。
3. 如果方法参数列表不为空同时方法参数类型列表为空，则使用Method#getParameterTypes()得到的方法参数列表类型进行转换。

定义一个方法参数转换器接口MethodArgumentConverter：

public interface MethodArgumentConverter {

    ArgumentConvertOutput convert(ArgumentConvertInput input);
}

@Data
public class ArgumentConvertInput {

    /**
     * 目标方法
     */
    private Method method;

    /**
     * 方法参数类型列表
     */
    private List<Class<?>> parameterTypes;

    /**
     * 方法参数列表
     */
    private List<Object> arguments;
}

@Data
public class ArgumentConvertOutput {


    private Object[] arguments;
}

方法参数转换器的默认实现如下：

@Slf4j
@Component
public class DefaultMethodArgumentConverter implements MethodArgumentConverter {

    private final Serializer serializer = FastJsonSerializer.X;

    @Override
    public ArgumentConvertOutput convert(ArgumentConvertInput input) {
        ArgumentConvertOutput output = new ArgumentConvertOutput();
        try {
            if (null == input.getArguments() || input.getArguments().isEmpty()) {
                output.setArguments(new Object[0]);
                return output;
            }
            List<Class<?>> inputParameterTypes = input.getParameterTypes();
            int size = inputParameterTypes.size();
            if (size > 0) {
                Object[] arguments = new Object[size];
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) input.getArguments().get(i);
                    int readableBytes = byteBuf.readableBytes();
                    byte[] bytes = new byte[readableBytes];
                    byteBuf.readBytes(bytes);
                    arguments[i] = serializer.decode(bytes, inputParameterTypes.get(i));
                    byteBuf.release();
                }
                output.setArguments(arguments);
                return output;
            }
            Class<?>[] parameterTypes = input.getMethod().getParameterTypes();
            int len = parameterTypes.length;
            Object[] arguments = new Object[len];
            for (int i = 0; i < len; i++) {
                ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) input.getArguments().get(i);
                int readableBytes = byteBuf.readableBytes();
                byte[] bytes = new byte[readableBytes];
                byteBuf.readBytes(bytes);
                arguments[i] = serializer.decode(bytes, parameterTypes[i]);
                byteBuf.release();
            }
            output.setArguments(arguments);
            return output;
        } catch (Exception e) {
            throw new ArgumentConvertException(e);
        }
    }
}    

所有前置工作都完成了，现在编写一个Server端的入站处理器ServerHandler，暂时不做代码逻辑优化，只做实现，把反射调用的模块直接在此类中编写：

@Component
@Slf4j
public class ServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<RequestMessagePacket> {

    @Autowired
    private MethodMatcher methodMatcher;

    @Autowired
    private MethodArgumentConverter methodArgumentConverter;

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, RequestMessagePacket packet) throws Exception {
        log.info("服务端接收到:{}", packet);
        MethodMatchInput input = new MethodMatchInput();
        input.setInterfaceName(packet.getInterfaceName());
        input.setMethodArgumentSignatures(Optional.ofNullable(packet.getMethodArgumentSignatures())
                .map(Lists::newArrayList).orElse(Lists.newArrayList()));
        input.setMethodName(packet.getMethodName());
        Object[] methodArguments = packet.getMethodArguments();
        input.setMethodArgumentArraySize(null != methodArguments ? methodArguments.length : 0);
        MethodMatchOutput output = methodMatcher.selectOneBestMatchMethod(input);
        log.info("查找目标实现方法成功,目标类:{},宿主类:{},宿主方法:{}",
                output.getTargetClass().getCanonicalName(),
                output.getTargetUserClass().getCanonicalName(),
                output.getTargetMethod().getName()
        );
        Method targetMethod = output.getTargetMethod();
        ArgumentConvertInput convertInput = new ArgumentConvertInput();
        convertInput.setArguments(input.getMethodArgumentArraySize() > 0 ? Lists.newArrayList(methodArguments) : Lists.newArrayList());
        convertInput.setMethod(output.getTargetMethod());
        convertInput.setParameterTypes(output.getParameterTypes());
        ArgumentConvertOutput convertOutput = methodArgumentConverter.convert(convertInput);
        ReflectionUtils.makeAccessible(targetMethod);
        // 反射调用
        Object result = targetMethod.invoke(output.getTarget(), convertOutput.getArguments());
        ResponseMessagePacket response = new ResponseMessagePacket();
        response.setMagicNumber(packet.getMagicNumber());
        response.setVersion(packet.getVersion());
        response.setSerialNumber(packet.getSerialNumber());
        response.setAttachments(packet.getAttachments());
        response.setMessageType(MessageType.RESPONSE);
        response.setErrorCode(200L);
        response.setMessage("Success");
        response.setPayload(JSON.toJSONString(result));
        log.info("服务端输出:{}", JSON.toJSONString(response));
        ctx.writeAndFlush(response);
    }
}

编写一个Server的启动类ServerApplication，在Spring容器启动之后，启动Netty服务：

@SpringBootApplication(scanBasePackages = "club.throwable.server")
@Slf4j
public class ServerApplication implements CommandLineRunner {

    @Value("${netty.port:9092}")
    private Integer nettyPort;

    @Autowired
    private ServerHandler serverHandler;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SpringApplication.run(ServerApplication.class, args);
    }

    @Override
    public void run(String... args) throws Exception {
        int port = nettyPort;
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, 0, 4));
                            ch.pipeline().addLast(new LengthFieldPrepender(4));
                            ch.pipeline().addLast(new RequestMessagePacketDecoder());
                            ch.pipeline().addLast(new ResponseMessagePacketEncoder(FastJsonSerializer.X));
                            ch.pipeline().addLast(serverHandler);
                        }
                    });
            ChannelFuture future = bootstrap.bind(port).sync();
            log.info("启动NettyServer[{}]成功...", port);
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

最后，编写契约包和契约实现：

- ch0-custom-rpc-protocol          项目根目录
  - club.throwable
    - utils                        工具类
    - protocol                     协议
    - exception                    异常
    - contract                     契约
      - HelloService               契约接口
    - server                       服务端
      - contract
        - DefaultHelloService      契约接口实现

public interface HelloService {

    String sayHello(String name);
}

// 实现
@Service
public class DefaultHelloService implements HelloService {

    @Override
    public String sayHello(String name) {
        return String.format("%s say hello!", name);
    }
}

先启动服务端ServerApplication，再启动上一节提到的TestProtocolClient，输出结果：

// 服务端日志
2020-01-15 00:05:57.898  INFO 14420 --- [           main] club.throwable.server.ServerApplication  : 启动NettyServer[9092]成功...
2020-01-15 00:06:05.980  INFO 14420 --- [ntLoopGroup-3-1] club.throwable.server.ServerHandler      : 服务端接收到:RequestMessagePacket(interfaceName=club.throwable.contract.HelloService, methodName=sayHello, methodArgumentSignatures=[java.lang.String], methodArguments=[PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 6, cap: 6/139)])
2020-01-15 00:06:07.448  INFO 14420 --- [ntLoopGroup-3-1] club.throwable.server.ServerHandler      : 查找目标实现方法成功,目标类:club.throwable.server.contract.DefaultHelloService,宿主类:club.throwable.server.contract.DefaultHelloService,宿主方法:sayHello
2020-01-15 00:06:07.521  INFO 14420 --- [ntLoopGroup-3-1] club.throwable.server.ServerHandler      : 服务端输出:{"attachments":{},"errorCode":200,"magicNumber":10086,"message":"Success","messageType":"RESPONSE","payload":""doge say hello!"","serialNumber":"65f01b8e89bb479b8a36a60bd6519617","version":1}

// 客户端日志
00:06:05.891 [main] INFO club.throwable.protocol.TestProtocolClient - 启动NettyClient[9092]成功...
...省略...
00:06:13.197 [nioEventLoopGroup-2-1] INFO club.throwable.protocol.TestProtocolClient - 接收到来自服务端的响应消息,消息内容:{"attachments":{},"errorCode":200,"magicNumber":10086,"message":"Success","messageType":"RESPONSE","payload":""doge say hello!"","serialNumber":"65f01b8e89bb479b8a36a60bd6519617","version":1}

可见RPC调用成功。

小结

编写RPC的Server端技巧在于处理目标方法和宿主类的查找，在转换方法参数的时候，需要考虑简化处理和提高效率，剩下的就是做好异常处理和模块封装。限于篇幅，后面会先分析Client端的处理，再分析心跳处理、服务端优化、甚至是对接注册中心等等，在Netty、SpringBoot等优秀框架的加持下编写一个RPC框架其实并不困难，困难的是性能优化和生态圈的支持。

Demo项目地址：

• ch0-custom-rpc-protocol

（本文完 c-1-d e-a-20200115）

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