ProtoBuf 与 gRPC

ProtoBuf 是一套接口描述语言(Interface Definition Language,IDL),类似 Apache 的 Thrift

相关处理工具主要是 protoc,基于 C++ 语言实现。

用户写好 .proto 描述文件,之后便可以使用 protoc 自动编译生成众多计算机语言(C++、Java、Python、C#、Go 等)的接口代码。这些代码可以支持 gRPC,也可以不支持。

gRPC 是 Google 开源的 RPC 框架和库,已支持主流计算机语言。底层通信采用 HTTP2 协议,比较适合互联网场景。gRPC 在设计上考虑了跟 ProtoBuf 的配合使用。

两者分别解决不同问题,可以配合使用,也可以分开单独使用。

典型的配合使用场景是,写好 .proto 描述文件定义 RPC 的接口,然后用 protoc(带 gRPC 插件)基于 .proto 模板自动生成客户端和服务端的接口代码。

ProtoBuf

需要工具主要包括:

  • 编译工具:protoc,以及一些官方没有带的语言插件;

  • 运行环境:各种语言的 protobuf 库,不同语言有不同的安装来源;

语法类似 C++ 语言,可以参考 ProtoBuf 语言规范:https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto。

比较核心的,message 是代表数据结构(里面可以包括不同类型的成员变量,包括字符串、数字、数组、字典……),service 代表 RPC 接口。变量后面的数字是代表进行二进制编码时候的提示信息,1~15 表示热变量,会用较少的字节来编码。另外,支持导入。

默认所有变量都是可选的(optional),repeated 则表示数组。主要 service rpc 接口接受单个 message 参数,返回单个 message。

参考官方给出示例,如下所示:

syntax = "proto3";
package helloworld;
// The greeting service definition.
service Greeter {
// Sends a greeting
rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}
}
// The request message containing the user's name.
message HelloRequest {
string name = 1;
}
// The response message containing the greetings
message HelloReply {
string message = 1;
}

编译最关键的参数是输出语言格式参数,例如,python 为 --python_out=OUT_DIR

一些还没有官方支持的语言,可以通过安装 protoc 对应的 plugin 来支持。例如,对于 Go 语言,可以安装

$ go get -u github.com/golang/protobuf/{protoc-gen-go,proto} // 前者是 plugin;后者是 go 的依赖库

之后,正常使用 protoc --go_out=./ ./hello.proto 命令调用 protoc-gen-go 插件来生成 hello.pb.go。

ProtoBuf 提供了 Marshal/Unmarshal 方法来将数据结构进行序列化操作。所生成的二进制文件在存储效率上比 XML 高 3~10 倍,并且处理性能高 1~2 个数量级。

gRPC

相关工具主要包括:

  • 运行时库:各种不同语言有不同的安装方法,主流语言的包管理器都已支持。

  • protoc,以及 gRPC 插件和其它插件:采用 ProtoBuf 作为 IDL 时,对 .proto 文件进行编译处理。

类似其它 RPC 框架,gRPC 的库在服务端提供一个 gRPC Server,客户端的库是 gRPC Stub。典型的场景是客户端发送请求,同步或异步调用服务端的接口。客户端和服务端之间的通信协议是基于 HTTP2 的 gRPC 协议,支持双工的流式保序消息,性能比较好,同时也很轻。

采用 ProtoBuf 作为 IDL,则需要定义 service 类型。生成客户端和服务端代码。用户自行实现服务端代码中的调用接口,并且利用客户端代码来发起请求到服务端。一个完整的例子可以参考 https://github.com/grpc/grpc-go/blob/master/examples/helloworld

以上面 proto 文件为例,需要执行时添加 gRPC 的 plugin:

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

执行后会生成对应的 .pb.go 文件,其中包括了 proto 文件中指定的结构和 protobuf 协议相关转换代码。

gRPC 更多原理可以参考官方文档:http://www.grpc.io/docs

实现服务端代码

生成的 .pb.go 文件中,服务端相关的核心代码如下,主要定义了 GreeterServer 接口,用户可以自行修改或编写实现代码。

type GreeterServer interface {
SayHello(context.Context, *HelloRequest) (*HelloReply, error)
}
func RegisterGreeterServer(s *grpc.Server, srv GreeterServer) {
s.RegisterService(&_Greeter_serviceDesc, srv)
}

用户需要自行实现服务端接口,代码如下。

比较重要的,创建并启动一个 gRPC 服务的过程:

  • 创建监听套接字:lis, err := net.Listen("tcp", port)

  • 创建服务端:grpc.NewServer()

  • 注册服务:pb.RegisterGreeterServer()

  • 启动服务端:s.Serve(lis)

package main
import (
"context"
"fmt"
"log"
"net"
"google.golang.org/grpc"
pb "hello/hello"
)
const (
port = ":50051"
)
type server struct{ }
// 这里实现服务端接口中的方法。
func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) {
log.Printf("Received: %v\n", in.GetName())
return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.GetName()}, nil
}
// 创建并启动一个 gRPC 服务的过程:创建监听套接字、创建服务端、注册服务、启动服务端。
func main() {
lis, err := net.Listen("tcp", port)
if err != nil {
log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
}
s := grpc.NewServer()
pb.RegisterGreeterServer(s, &server{})
fmt.Printf("Starting listen on port: %s", port)
if err := s.Serve(lis); err != nil {
log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
}
}

编译并启动服务端。

$ go run server/server.go
Starting listen on port: :50051

生成客户端代码

生成的 Go 文件中客户端相关代码如下,主要和实现了 HelloServiceClient 接口。用户可以通过 gRPC 来直接调用这个接口。

type GreeterClient interface {
// Sends a greeting
SayHello(ctx context.Context, in *HelloRequest, opts ...grpc.CallOption) (*HelloReply, error)
}
type greeterClient struct {
cc *grpc.ClientConn
}
func NewGreeterClient(cc *grpc.ClientConn) GreeterClient {
return &greeterClient{cc}
}
func (c *greeterClient) SayHello(ctx context.Context, in *HelloRequest, opts ...grpc.CallOption) (*HelloReply, error) {
out := new(HelloReply)
err := c.cc.Invoke(ctx, "/helloworld.Greeter/SayHello", in, out, opts...)
if err != nil {
return nil, err
}
return out, nil
}

用户直接调用接口方法:创建连接、创建客户端、调用接口。

package main
import (
"context"
"log"
"os"
"time"
"google.golang.org/grpc"
pb "hello/hello"
)
const (
address = "localhost:50051"
defaultName = "world"
)
func main() {
// Set up a connection to the server.
conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure(), grpc.WithBlock())
if err != nil {
log.Fatalf("did not connect: %v", err)
}
defer conn.Close()
c := pb.NewGreeterClient(conn)
// Contact the server and print out its response.
name := defaultName
if len(os.Args) > 1 {
name = os.Args[1]
}
ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second)
defer cancel()
r, err := c.SayHello(ctx, &pb.HelloRequest{Name: name})
if err != nil {
log.Fatalf("could not greet: %v", err)
}
log.Printf("Greeting: %s", r.GetMessage())
}

编译并启动客户端,可以查看到服务端返回的消息。

$ go run client/client.go
Greeting: Hello world