集群RPC通信
最后更新于：2022-04-01 07:10:53
RPC即远程过程调用，它的提出旨在消除通信细节、屏蔽繁杂且易错的底层网络通信操作，像调用本地服务一般地调用远程服务，让业务开发者更多关注业务开发而不必考虑网络、硬件、系统的异构复杂环境。
先看看集群中RPC的整个通信过程，假设从节点node1开始一个RPC调用，①先将待传递的数据放到NIO集群通信框架（这里使用的是tribes框架）中；②由于使用的是NIO模式，线程无需阻塞直接返回；③由于与集群其他节点通信需要花销若干时间，为了提高CPU使用率当前线程应该放弃CPU的使用权进行等待操作；④NIO集群通信框架tribes接收到node2节点的响应消息，并将消息封装成Response对象保存至响应数组；⑤tribes接收到node4节点的响应消息，由于是使用了并行通信，所以node4可能比node3先返回消息，并将消息封装成Response对象保存至响应数组；⑥tribes最后接收到node3节点的响应消息，并将消息封装成Response对象保存至响应数组；⑦现在所有节点的响应都已经收集完毕，是时候通知刚刚被阻塞的那条线程了，原来的线程被notify醒后拿到所有节点的响应Response[]进行处理，至此完成了整个集群RPC过程。
上面整个过程是在只有一条线程的情况下，一切看起来没什么问题，但如果有多条线程并发调用则会导致一个问题：线程与响应的对应关系将被打乱，无法确定哪个线程对应哪几个响应。因为NIO通信框架不会每个线程都独自使用一个socket通道，为提高性能一般都是使用长连接，所有线程公用一个socket通道，这时就算线程一比线程二先放入tribes也不能保证响应一比响应二先接收到，所以接收到响应一后不知道该通知线程一还是线程二。只有解决了这个问题才能保证RPC调用的正确性。
要解决线程与响应对应的问题就需要维护一个线程响应关系列表，响应从关系列表中就能查找对应的线程，如下图，在发送之前生成一个UUID标识，此标识要保证同socket中唯一，再把UUID与线程对象关系对应起来，可使用Map数据结构实现，UUID的值作为key，线程对应的锁对象为value。接着制定一个协议报文，UUID作为报文的其中一部分，报文发往另一个节点node2后将响应信息message放入报文中并返回，node1对接收到的报文进行解包根据UUID去查找并唤起对应的线程，告诉它“你要的消息已经收到，往下处理吧”。但在集群环境下，我们更希望是集群中所有节点的消息都接收到了才往下处理，如下图下半部分，一个UUID1的请求报文会发往node2、node3和node4三个节点，这时假如只接收到一个响应则不唤起线程，直到node2、node3对应UUID1的响应报文都接收到后才唤起对应线程往下执行。同样地，UUID2、UUID3的报文消息都是如此处理，最后集群中对应的响应都能正确回到各自线程上。
用简单代码实现一个RPC例子，选择一个集群通信框架负责底层通信，这里使用tribes，接着往下：
①定义一个RPC接口，这些方法是预留提供给上层具体逻辑处理的入口，replyRequest方法用于处理响应逻辑，leftOver方法用于残留请求的逻辑处理。
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public interface RpcCallback {
public Serializable replyRequest(Serializable msg, Member sender);
public void leftOver(Serializable msg, Member sender);
}
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②定义通信消息协议，实现Externalizable接口自定义序列化和反序列化，message用于存放响应消息，uuid标识用于关联线程，rpcId用于标识RPC实例，reply表示是否回复。
~~~
public class RpcMessage implements Externalizable {
protected Serializable message;
protected byte[] uuid;
protected byte[] rpcId;
protected boolean reply = false;
public RpcMessage() {
}
public RpcMessage(byte[] rpcId, byte[] uuid, Serializable message) {
this.rpcId = rpcId;
this.uuid = uuid;
this.message = message;
}
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@Override
~~~
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException,ClassNotFoundException {
reply = in.readBoolean();
int length = in.readInt();
uuid = new byte[length];
in.readFully(uuid);
length = in.readInt();
rpcId = new byte[length];
in.readFully(rpcId);
message = (Serializable) in.readObject();
}
~~~
@Override
~~~
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
out.writeBoolean(reply);
out.writeInt(uuid.length);
out.write(uuid, 0, uuid.length);
out.writeInt(rpcId.length);
out.write(rpcId, 0, rpcId.length);
out.writeObject(message);
}
}
~~~
③响应类型，提供多种唤起线程的条件，一共四种类型，分别表示接收到第一个响应就唤起线程、接收到集群中大多数节点的响应就唤起线程、接收到集群中所有节点的响应才唤起线程、无需等待响应的无响应模式。
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public class RpcResponseType {
public static final int FIRST_REPLY = 1;
public static final int MAJORITY_REPLY = 2;
public static final int ALL_REPLY = 3;
public static final int NO_REPLY = 4;
}
~~~
④响应对象，用于封装接收到的消息，Member在通信框架tribes是节点的抽象，这里用来表示来源节点。
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public class RpcResponse {
private Member source;
private Serializable message;
public RpcResponse() {
}
public RpcResponse(Member source, Serializable message) {
this.source = source;
this.message = message;
}
public void setSource(Member source) {
this.source = source;
}
public void setMessage(Serializable message) {
this.message = message;
}
public Member getSource() {
return source;
}
public Serializable getMessage() {
return message;
}
}
~~~
⑤RPC响应集，用于存放同个UUID的所有响应。
~~~
public class RpcCollector {
public ArrayList responses = new ArrayList();
public byte[] key;
public int options;
public int destcnt;
public RpcCollector(byte[] key, int options, int destcnt) {
this.key = key;
this.options = options;
this.destcnt = destcnt;
}
public void addResponse(Serializable message, Member sender){
RpcResponse resp = new RpcResponse(sender,message);
responses.add(resp);
}
public boolean isComplete() {
if ( destcnt <= 0 ) return true;
switch (options) {
case RpcResponseType.ALL_REPLY:
return destcnt == responses.size();
case RpcResponseType.MAJORITY_REPLY:
{
float perc = ((float)responses.size()) / ((float)destcnt);
return perc >= 0.50f;
}
case RpcResponseType.FIRST_REPLY:
return responses.size()>0;
default:
return false;
}
}
public RpcResponse[] getResponses() {
return responses.toArray(new RpcResponse[responses.size()]);
}
}
~~~
⑥RPC核心类，是整个RPC的抽象，它要实现tribes框架的ChannelListener接口，在messageReceived方法中处理接收到的消息。因为所有的消息都会通过此方法，所以它必须要根据key去处理对应的线程，同时它也要负责调用RpcCallback接口定义的相关的方法，例如响应请求的replyRequest方法和处理残留的响应leftOver方法，残留响应是指有时我们在接收到第一个响应后就唤起线程。
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public class RpcChannel implements ChannelListener {
private Channel channel;
private RpcCallback callback;
private byte[] rpcId;
private int replyMessageOptions = 0;
private HashMap responseMap = new HashMap();
public RpcChannel(byte[] rpcId, Channel channel, RpcCallback callback) {
this.rpcId = rpcId;
this.channel = channel;
this.callback = callback;
channel.addChannelListener(this);
}
public RpcResponse[] send(Member[] destination, Serializable message,
int rpcOptions, int channelOptions, long timeout)
throws ChannelException {
int sendOptions = channelOptions& ~Channel.SEND_OPTIONS_SYNCHRONIZED_ACK;
byte[] key = UUIDGenerator.randomUUID(false);
RpcCollector collector = new RpcCollector(key, rpcOptions,
destination.length);
try {
synchronized (collector) {
if (rpcOptions != RpcResponseType.NO_REPLY)
responseMap.put(key, collector);
RpcMessage rmsg = new RpcMessage(rpcId, key, message);
channel.send(destination, rmsg, sendOptions);
if (rpcOptions != RpcResponseType.NO_REPLY)
collector.wait(timeout);
}
} catch (InterruptedException ix) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
responseMap.remove(key);
}
return collector.getResponses();
}
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@Override
~~~
public void messageReceived(Serializable msg, Member sender) {
RpcMessage rmsg = (RpcMessage) msg;
byte[] key = rmsg.uuid;
if (rmsg.reply) {
RpcCollector collector = responseMap.get(key);
if (collector == null) {
callback.leftOver(rmsg.message, sender);
} else {
synchronized (collector) {
if (responseMap.containsKey(key)) {
collector.addResponse(rmsg.message, sender);
if (collector.isComplete())
collector.notifyAll();
} else {
callback.leftOver(rmsg.message, sender);
}
}
}
} else {
Serializable reply = callback.replyRequest(rmsg.message, sender);
rmsg.reply = true;
rmsg.message = reply;
try {
channel.send(new Member[] { sender }, rmsg, replyMessageOptions
& ~Channel.SEND_OPTIONS_SYNCHRONIZED_ACK);
} catch (Exception x) {
}
}
}
~~~
@Override
~~~
public boolean accept(Serializable msg, Member sender) {
if (msg instanceof RpcMessage) {
RpcMessage rmsg = (RpcMessage) msg;
return Arrays.equals(rmsg.rpcId, rpcId);
} else
return false;
}
}
~~~
⑦自定义一个RPC，它要实现RpcCallback接口，分别对请求处理和残留响应处理，这里请求处理仅仅是简单返回“hello,response for you!”作为响应消息，残留响应处理则是简单输出“receive a leftover message!”。假如整个集群有五个节点，由于接收模式设置成了FIRST_REPLY，所以每个只会接受一个响应消息，其他的响应都被当做残留响应处理。
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public class MyRPC implements RpcCallback {
@Override
public Serializable replyRequest(Serializable msg, Member sender) {
RpcMessage mapmsg = (RpcMessage) msg;
mapmsg.message = "hello,response for you!";
return mapmsg;
}
@Override
public void leftOver(Serializable msg, Member sender) {
System.out.println("receive a leftover message!");
}
public static void main(String[] args) {
MyRPC myRPC = new MyRPC();
byte[] rpcId = new byte[] { 1, 1, 1, 1 };
byte[] key = new byte[] { 0, 0, 0, 0 };
String message = "hello";
int sendOptions = Channel.SEND_OPTIONS_SYNCHRONIZED_ACK
| Channel.SEND_OPTIONS_USE_ACK;
RpcMessage msg = new RpcMessage(rpcId, key, (Serializable) message);
RpcChannel rpcChannel = new RpcChannel(rpcId, channel, myRPC);
RpcResponse[] resp = rpcChannel.send(channel.getMembers(), msg,
RpcResponseType.FIRST_REPLY, sendOptions, 3000);
while(true)
Thread.currentThread().sleep(1000);
}
}
~~~
可以看到通过上面的RPC封装后，上层可以把更多的精力关注到消息逻辑处理上面了，而不必关注具体的网络IO如何实现，屏蔽了繁杂重复的网络传输操作，为上层提供了很大的方便。