4.4 gRPC 入门

gRPC 是 Google 公司基于 Protobuf 开发的跨语言的开源 RPC 框架。gRPC 基于 HTTP/2 协议设计，可以基于一个 HTTP/2 连接提供多个服务，对于移动设备更加友好。本节将讲述 gRPC 的简单用法。

4.4.1 gRPC 技术栈

Go 语言的 gRPC 技术栈如图 4-1 所示：

图 4-1 gRPC 技术栈

最底层为 TCP 或 Unix Socket 协议，在此之上是 HTTP/2 协议的实现，然后在 HTTP/2 协议之上又构建了针对 Go 语言的 gRPC 核心库。应用程序通过 gRPC 插件生产的 Stub 代码和 gRPC 核心库通信，也可以直接和 gRPC 核心库通信。

4.4.2 gRPC 入门

如果从 Protobuf 的角度看，gRPC 只不过是一个针对 service 接口生成代码的生成器。我们在本章的第二节中手工实现了一个简单的 Protobuf 代码生成器插件，只不过当时生成的代码是适配标准库的 RPC 框架的。现在我们将学习 gRPC 的用法。

创建 hello.proto 文件，定义 HelloService 接口：

syntax = "proto3";

package main;

message String {
	string value = 1;
}

service HelloService {
	rpc Hello (String) returns (String);
}

使用 protoc-gen-go 内置的 gRPC 插件生成 gRPC 代码：

$ protoc --go_out=plugins=grpc:. hello.proto

gRPC 插件会为服务端和客户端生成不同的接口：

type HelloServiceServer interface {
	Hello(context.Context, *String) (*String, error)
}

type HelloServiceClient interface {
	Hello(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (*String, error)
}

gRPC 通过 context.Context 参数，为每个方法调用提供了上下文支持。客户端在调用方法的时候，可以通过可选的 grpc.CallOption 类型的参数提供额外的上下文信息。

基于服务端的 HelloServiceServer 接口可以重新实现 HelloService 服务：

type HelloServiceImpl struct{}

func (p *HelloServiceImpl) Hello(
	ctx context.Context, args *String,
) (*String, error) {
	reply := &String{Value: "hello:" + args.GetValue()}
	return reply, nil
}

gRPC 服务的启动流程和标准库的 RPC 服务启动流程类似：

func main() {
	grpcServer := grpc.NewServer()
	RegisterHelloServiceServer(grpcServer, new(HelloServiceImpl))

	lis, err := net.Listen("tcp", ":1234")
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	grpcServer.Serve(lis)
}

首先是通过 grpc.NewServer() 构造一个 gRPC 服务对象，然后通过 gRPC 插件生成的 RegisterHelloServiceServer 函数注册我们实现的 HelloServiceImpl 服务。然后通过 grpcServer.Serve(lis) 在一个监听端口上提供 gRPC 服务。

然后就可以通过客户端连接 gRPC 服务了：

func main() {
	conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	defer conn.Close()

	client := NewHelloServiceClient(conn)
	reply, err := client.Hello(context.Background(), &String{Value: "hello"})
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Println(reply.GetValue())
}

其中 grpc.Dial 负责和 gRPC 服务建立连接，然后 NewHelloServiceClient 函数基于已经建立的连接构造 HelloServiceClient 对象。返回的 client 其实是一个 HelloServiceClient 接口对象，通过接口定义的方法就可以调用服务端对应的 gRPC 服务提供的方法。

gRPC 和标准库的 RPC 框架有一个区别，gRPC 生成的接口并不支持异步调用。不过我们可以在多个 Goroutine 之间安全地共享 gRPC 底层的 HTTP/2 连接，因此可以通过在另一个 Goroutine 阻塞调用的方式模拟异步调用。

4.4.3 gRPC 流

RPC 是远程函数调用，因此每次调用的函数参数和返回值不能太大，否则将严重影响每次调用的响应时间。因此传统的 RPC 方法调用对于上传和下载较大数据量场景并不适合。同时传统 RPC 模式也不适用于对时间不确定的订阅和发布模式。为此，gRPC 框架针对服务器端和客户端分别提供了流特性。

服务端或客户端的单向流是双向流的特例，我们在 HelloService 增加一个支持双向流的 Channel 方法：

service HelloService {
	rpc Hello (String) returns (String);

	rpc Channel (stream String) returns (stream String);
}

关键字 stream 指定启用流特性，参数部分是接收客户端参数的流，返回值是返回给客户端的流。

重新生成代码可以看到接口中新增加的 Channel 方法的定义：

type HelloServiceServer interface {
	Hello(context.Context, *String) (*String, error)
	Channel(HelloService_ChannelServer) error
}
type HelloServiceClient interface {
	Hello(ctx context.Context, in *String, opts ...grpc.CallOption) (
		*String, error,
	)
	Channel(ctx context.Context, opts ...grpc.CallOption) (
		HelloService_ChannelClient, error,
	)
}

在服务端的 Channel 方法参数是一个新的 HelloService_ChannelServer 类型的参数，可以用于和客户端双向通信。客户端的 Channel 方法返回一个 HelloService_ChannelClient 类型的返回值，可以用于和服务端进行双向通信。

HelloService_ChannelServer 和 HelloService_ChannelClient 均为接口类型：

type HelloService_ChannelServer interface {
	Send(*String) error
	Recv() (*String, error)
	grpc.ServerStream
}

type HelloService_ChannelClient interface {
	Send(*String) error
	Recv() (*String, error)
	grpc.ClientStream
}

可以发现服务端和客户端的流辅助接口均定义了 Send 和 Recv 方法用于流数据的双向通信。

现在我们可以实现流服务：

func (p *HelloServiceImpl) Channel(stream HelloService_ChannelServer) error {
	for {
		args, err := stream.Recv()
		if err != nil {
			if err == io.EOF {
				return nil
			}
			return err
		}

		reply := &String{Value: "hello:" + args.GetValue()}

		err = stream.Send(reply)
		if err != nil {
			return err
		}
	}
}

服务端在循环中接收客户端发来的数据，如果遇到 io.EOF 表示客户端流被关闭，如果函数退出表示服务端流关闭。生成返回的数据通过流发送给客户端，双向流数据的发送和接收都是完全独立的行为。需要注意的是，发送和接收的操作并不需要一一对应，用户可以根据真实场景进行组织代码。

客户端需要先调用 Channel 方法获取返回的流对象：

stream, err := client.Channel(context.Background())
if err != nil {
	log.Fatal(err)
}

在客户端我们将发送和接收操作放到两个独立的 Goroutine。首先是向服务端发送数据：

go func() {
	for {
		if err := stream.Send(&String{Value: "hi"}); err != nil {
			log.Fatal(err)
		}
		time.Sleep(time.Second)
	}
}()

然后在循环中接收服务端返回的数据：

for {
	reply, err := stream.Recv()
	if err != nil {
		if err == io.EOF {
			break
		}
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Println(reply.GetValue())
}

这样就完成了完整的流接收和发送支持。

4.4.4 发布和订阅模式

在前一节中，我们基于 Go 内置的 RPC 库实现了一个简化版的 Watch 方法。基于 Watch 的思路虽然也可以构造发布和订阅系统，但是因为 RPC 缺乏流机制导致每次只能返回一个结果。在发布和订阅模式中，由调用者主动发起的发布行为类似一个普通函数调用，而被动的订阅者则类似 gRPC 客户端单向流中的接收者。现在我们可以尝试基于 gRPC 的流特性构造一个发布和订阅系统。

发布订阅是一个常见的设计模式，开源社区中已经存在很多该模式的实现。其中 docker 项目中提供了一个 pubsub 的极简实现，下面是基于 pubsub 包实现的本地发布订阅代码：

import (
	"github.com/moby/moby/pkg/pubsub"
)

func main() {
	p := pubsub.NewPublisher(100*time.Millisecond, 10)

	golang := p.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
		if key, ok := v.(string); ok {
			if strings.HasPrefix(key, "golang:") {
				return true
			}
		}
		return false
	})
	docker := p.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
		if key, ok := v.(string); ok {
			if strings.HasPrefix(key, "docker:") {
				return true
			}
		}
		return false
	})

	go p.Publish("hi")
	go p.Publish("golang: https://golang.org")
	go p.Publish("docker: https://www.docker.com/")
	time.Sleep(1)

	go func() {
		fmt.Println("golang topic:", <-golang)
	}()
	go func() {
		fmt.Println("docker topic:", <-docker)
	}()

	<-make(chan bool)
}

其中 pubsub.NewPublisher 构造一个发布对象，p.SubscribeTopic() 可以通过函数筛选感兴趣的主题进行订阅。

现在尝试基于 gRPC 和 pubsub 包，提供一个跨网络的发布和订阅系统。首先通过 Protobuf 定义一个发布订阅服务接口：

service PubsubService {
	rpc Publish (String) returns (String);
	rpc Subscribe (String) returns (stream String);
}

其中 Publish 是普通的 RPC 方法，Subscribe 则是一个单向的流服务。然后 gRPC 插件会为服务端和客户端生成对应的接口：

type PubsubServiceServer interface {
	Publish(context.Context, *String) (*String, error)
	Subscribe(*String, PubsubService_SubscribeServer) error
}
type PubsubServiceClient interface {
	Publish(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (*String, error)
	Subscribe(context.Context, *String, ...grpc.CallOption) (
		PubsubService_SubscribeClient, error,
	)
}

type PubsubService_SubscribeServer interface {
	Send(*String) error
	grpc.ServerStream
}

因为 Subscribe 是服务端的单向流，因此生成的 PubsubService_SubscribeServer 接口中只有 Send 方法。

然后就可以实现发布和订阅服务了：

type PubsubService struct {
	pub *pubsub.Publisher
}

func NewPubsubService() *PubsubService {
	return &PubsubService{
		pub: pubsub.NewPublisher(100*time.Millisecond, 10),
	}
}

然后是实现发布方法和订阅方法：

func (p *PubsubService) Publish(
	ctx context.Context, arg *String,
) (*String, error) {
	p.pub.Publish(arg.GetValue())
	return &String{}, nil
}

func (p *PubsubService) Subscribe(
	arg *String, stream PubsubService_SubscribeServer,
) error {
	ch := p.pub.SubscribeTopic(func(v interface{}) bool {
		if key, ok := v.(string); ok {
			if strings.HasPrefix(key,arg.GetValue()) {
				return true
			}
		}
		return false
	})

	for v := range ch {
		if err := stream.Send(&String{Value: v.(string)}); err != nil {
			return err
		}
	}

	return nil
}

这样就可以从客户端向服务器发布信息了：

func main() {
	conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	defer conn.Close()

	client := NewPubsubServiceClient(conn)

	_, err = client.Publish(
		context.Background(), &String{Value: "golang: hello Go"},
	)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	_, err = client.Publish(
		context.Background(), &String{Value: "docker: hello Docker"},
	)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
}

然后就可以在另一个客户端进行订阅信息了：

func main() {
	conn, err := grpc.Dial("localhost:1234", grpc.WithInsecure())
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	defer conn.Close()

	client := NewPubsubServiceClient(conn)
	stream, err := client.Subscribe(
		context.Background(), &String{Value: "golang:"},
	)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	for {
		reply, err := stream.Recv()
		if err != nil {
			if err == io.EOF {
				break
			}
			log.Fatal(err)
		}

		fmt.Println(reply.GetValue())
	}
}

到此我们就基于 gRPC 简单实现了一个跨网络的发布和订阅服务。