ProtoBuf 与 gRPC

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 310 倍，并且处理性能高 12 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