RPC开发1_简易框架

为了加深对RPC框架的理解,我跟着鱼皮进行了一次完整的RPC框架的开发,写博客主要用来记录技术要点,开发过程适当省略。

一、基本概念

什么是 RPC?

RPC(Remote Procedure Call)即远程过程调用,是一种计算机通信协议,它允许程序在不同的计算机之间进行通信和交互,就像本地调用一样。

简单理解,以前只能跑腿到线下店购买食物,耗时耗力。但现在有了手机、网络、外卖平台,只需要在家动动手指,就能点外卖让骑手把食物配送到家,而不需要关注网络是怎么传输的、外卖平台是怎么操作的、骑手小哥是怎么配送的,只负责享受食物就行了。

为什么需要 RPC?

回到 RPC 的概念,RPC 允许一个程序(称为服务消费者)像调用自己程序的方法一样,调用另一个程序(称为服务提供者)的接口,而不需要了解数据的传输处理过程、底层网络通信的细节等。这些都会由 RPC 框架帮你完成,使得开发者可以轻松调用远程服务,快速开发分布式系统。

举个例子,现在有个项目 A 提供了点餐服务,项目 B 需要调用点餐服务完成下单。

点餐服务和接口的示例伪代码如下:

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interface OrderService {
// 点餐,返回 orderId
long order(参数1, 参数2, 参数3);
}

如果没有 RPC 框架,项目 B 怎么调用项目 A 的服务呢?

首先,由于项目 A 和项目 B 都是独立的系统,不能像 SDK 一样作为依赖包引入。那么就需要项目 A 提供 web 服务,并且编写一个点餐接口暴露服务,比如访问 http://meituan.top 就能调用点餐服务;然后项目 B 作为服务消费者,需要自己构造请求,并通过 HttpClient 请求上述地址。如果项目 B 需要调用更多第三方服务,每个服务和方法的调用都编写一个 HTTP 请求,那么会非常麻烦!

示例伪代码如下:

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url = "http://meituan.top"
req = new Req(参数1, 参数2, 参数3)
res = httpClient.post(url).body(req).execute()
orderId = res.data.orderId

而有了 RPC 框架,项目 B 可以通过一行代码完成调用!

示例伪代码如下:

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orderId = orderService.order(参数1, 参数2, 参数3)

二、RPC 框架实现思路

基本设计

RPC 框架为什么能帮我们简化调用?如何实现一个 RPC 框架呢?

首先如下图,有服务消费者和服务提供者两个角色:

消费者想要调用提供者,就需要提供者启动一个 web 服务,然后通过 请求客户端发送 HTTP 或者其他协议的请求来调用。

比如请求 yupi.icu/order 地址后,提供者会调用 orderService 的 order 方法:

但如果提供者提供了多个服务和方法,每个接口和方法都要单独写一个接口?消费者要针对每个接口写一段 HTTP 调用的逻辑么?

其实可以提供一个统一的服务调用接口,通过 请求处理器 根据客户端的请求参数来进行不同的处理、调用不同的服务和方法。

可以在服务提供者程序维护一个 本地服务注册器,记录服务和对应实现类的映射。

举个例子,消费者要调用 orderService 服务的 order 方法,可以发送请求,参数为 service=orderService,method=order,然后请求处理器会根据 service 从服务注册器中找到对应的服务实现类,并且通过 Java 的反射机制调用 method 指定的方法。

需要注意的是,由于 Java 对象无法直接在网络中传输,所以要对传输的参数进行 序列化反序列化

为了简化消费者发请求的代码,实现类似本地调用的体验。可以基于代理模式,为消费者要调用的接口生成一个代理对象,由代理对象完成请求和响应的过程。

所谓代理,就是有人帮你做一些事情,不用自己操心。

至此,一个最简易的 RPC 框架架构图诞生了:

上图中的虚线框部分,就是 RPC 框架需要提供的模块和能力。

扩展设计

虽然上述设计已经跑通了基本调用流程,但离一个完备的 RPC 框架还有很大的差距,让我们带着问题来进一步完善下架构设计。

1、服务注册发现

问题 1:消费者如何知道提供者的调用地址呢?

类比生活场景,我们点外卖时,外卖小哥如何知道我们的地址和店铺的地址?肯定是买家和卖家分别填写地址,由平台来保存的。
因此,我们需要一个 注册中心,来保存服务提供者的地址。消费者要调用服务时,只需从注册中心获取对应服务的提供者地址即可。

架构图如下:

一般用现成的第三方注册中心,比如 Redis、Zookeeper 即可。

2、负载均衡

问题 2:如果有多个服务提供者,消费者应该调用哪个服务提供者呢?

我们可以给服务调用方增加负载均衡能力,通过指定不同的算法来决定调用哪一个服务提供者,比如轮询、随机、根据性能动态调用等。

架构图如下:

3、容错机制

问题 3:如果服务调用失败,应该如何处理呢?

为了保证分布式系统的高可用,我们通常会给服务的调用增加一定的容错机制,比如失败重试、降级调用其他接口等等。

架构图如下:

4、其他

除了上面几个经典设计外,如果想要做一个优秀的 RPC 框架,还要考虑很多问题。

比如:

  • 服务提供者下线了怎么办?需要一个失效节点剔除机制。
  • 服务消费者每次都从注册中心拉取信息,性能会不会很差?可以使用缓存来优化性能。
  • 如何优化 RPC 框架的传输通讯性能?比如选择合适的网络框架、自定义协议头、节约传输体积等。
  • 如何让整个框架更利于扩展?比如使用 Java 的 SPI 机制、配置化等等。

我们可以通过做一个 RPC 项目学习到网络、序列化、代理、服务注册发现、负载均衡、容错、可扩展设计等知识,相信完成项目后会收获满满。

三、开发简易版 RPC 框架

下面从 0 开始,先完成一个简易版的 RPC 框架,后面再持续扩展优化。

项目准备

1、项目初始化

分别介绍几个模块:

  • example-common:示例代码的公共依赖,包括接口、Model 等
  • example-consumer:示例服务消费者代码
  • example-provider:示例服务提供者代码
  • yu-rpc-easy:简易版 RPC 框架

2、公共模块

公共模块需要同时被消费者和服务提供者引入,主要是编写和服务相关的接口和数据模型。

1)编写用户实体类 User:

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/**
* 用户
*/
public class User implements Serializable {

private String name;

public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}

注意,对象需要实现序列化接口,为后续网络传输序列化提供支持。

2)编写用户服务接口 UserService,提供一个获取用户的方法:

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/**
* 用户服务
*/
public interface UserService {

/**
* 获取用户
*
* @param user
* @return
*/
User getUser(User user);
}

3、服务提供者

服务提供者是真正实现了接口的模块。

1)编写服务实现类,实现公共模块中定义的用户服务接口。

功能是打印用户的名称,并且返回参数中的用户对象。

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/**
* 用户服务实现类
*/
public class UserServiceImpl implements UserService {

public User getUser(User user) {
System.out.println("用户名:" + user.getName());
return user;
}
}

2)编写服务提供者启动类,之后会在该类的 main 方法中编写提供服务的代码。

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/**
* 简易服务提供者示例
*/
public class EasyProviderExample {

public static void main(String[] args) {
// 提供服务
}
}

4、服务消费者

服务消费者是需要调用服务的模块。

1)创建服务消费者启动类 EasyConsumerExample,编写调用接口的代码。

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/**
* 简易服务消费者示例
*/
public class EasyConsumerExample {

public static void main(String[] args) {
// todo 需要获取 UserService 的实现类对象
UserService userService = null;
User user = new User();
user.setName("yupi");
// 调用
User newUser = userService.getUser(user);
if (newUser != null) {
System.out.println(newUser.getName());
} else {
System.out.println("user == null");
}
}
}

需要注意的是,现在是无法获取到 userService 实例的,所以预留为 null。我们之后的目标是,能够通过 RPC 框架,快速得到一个支持远程调用服务提供者的代理对象,像调用本地方法一样调用 UserService 的方法。

web 服务器

接下来,我们要先让服务提供者提供 可远程访问 的服务。那么,就需要一个 web 服务器,能够接受处理请求、并返回响应。

web 服务器的选择有很多,比如 Spring Boot 内嵌的 Tomcat、NIO 框架 Netty 和 Vert.x 等等。

此处使用高性能的 NIO 框架 Vert.x 来作为 RPC 框架的 web 服务器。

Vert.x 官方文档:https://vertx.io/

1)编写一个 web 服务器的接口 HttpServer,定义统一的启动服务器方法,便于后续的扩展,比如实现多种不同的 web 服务器。

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/**
* HTTP 服务器接口
*/
public interface HttpServer {

/**
* 启动服务器
*
* @param port
*/
void doStart(int port);
}

2)编写基于 Vert.x 实现的 web 服务器 VertxHttpServer,能够监听指定端口并处理请求。

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public class VertxHttpServer implements HttpServer {

public void doStart(int port) {
// 创建 Vert.x 实例
Vertx vertx = Vertx.vertx();

// 创建 HTTP 服务器
io.vertx.core.http.HttpServer server = vertx.createHttpServer();

// 监听端口并处理请求
server.requestHandler(request -> {
// 处理 HTTP 请求
System.out.println("Received request: " + request.method() + " " + request.uri());

// 发送 HTTP 响应
request.response()
.putHeader("content-type", "text/plain")
.end("Hello from Vert.x HTTP server!");
});

// 启动 HTTP 服务器并监听指定端口
server.listen(port, result -> {
if (result.succeeded()) {
System.out.println("Server is now listening on port " + port);
} else {
System.err.println("Failed to start server: " + result.cause());
}
});
}
}

3)验证 web 服务器能否启动成功并接受请求。

修改示例服务提供者模块的 EasyProviderExample 类,编写启动 web 服务的代码,如下:

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/**
* 简易服务提供者示例
*/
public class EasyProviderExample {

public static void main(String[] args) {
// 启动 web 服务
HttpServer httpServer = new VertxHttpServer();
httpServer.doStart(8080);
}
}

通过浏览器访问 localhost:8080,查看能否正常访问并看到输出的文字。

本地服务注册器

我们现在做的简易 RPC 框架主要是跑通流程,所以暂时先不用第三方注册中心,直接把服务注册到服务提供者本地即可。

使用线程安全的 ConcurrentHashMap 存储服务注册信息,key 为服务名称、value 为服务的实现类。之后就可以根据要调用的服务名称获取到对应的实现类,然后通过反射进行方法调用了。

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/**
* 本地注册中心
*/
public class LocalRegistry {

/**
* 注册信息存储
*/
private static final Map<String, Class<?>> map = new ConcurrentHashMap<>();

/**
* 注册服务
*
* @param serviceName
* @param implClass
*/
public static void register(String serviceName, Class<?> implClass) {
map.put(serviceName, implClass);
}

/**
* 获取服务
*
* @param serviceName
* @return
*/
public static Class<?> get(String serviceName) {
return map.get(serviceName);
}

/**
* 删除服务
*
* @param serviceName
*/
public static void remove(String serviceName) {
map.remove(serviceName);
}
}

注意,本地服务注册器和注册中心的作用是有区别的。注册中心的作用侧重于管理注册的服务、提供服务信息给消费者;而本地服务注册器的作用是根据服务名获取到对应的实现类,是完成调用必不可少的模块。

服务提供者启动时,需要注册服务到注册器中,修改 EasyProviderExample 代码如下:

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/**
* 简易服务提供者示例
*/
public class EasyProviderExample {

public static void main(String[] args) {
// 注册服务
LocalRegistry.register(UserService.class.getName(), UserServiceImpl.class);

// 启动 web 服务
HttpServer httpServer = new VertxHttpServer();
httpServer.doStart(8080);
}
}

序列化器

服务在本地注册后,就可以根据请求信息取出实现类并调用方法了。

但是在编写处理请求的逻辑前,我们要先实现序列化器模块。因为无论是请求或响应,都会涉及参数的传输。而 Java 对象是存活在 JVM 虚拟机中的,如果想在其他位置存储并访问、或者在网络中进行传输,就需要进行序列化和反序列化。

什么是序列化和反序列化呢?

  • 序列化:将 Java 对象转为可传输的字节数组。
  • 反序列化:将字节数组转换为 Java 对象。

有很多种不同的序列化方式,比如 Java 原生序列化、JSON、Hessian、Kryo、protobuf 等。

为了实现方便,此处选择 Java 原生的序列化器。

1)在 RPC 模块中编写序列化接口 Serializer,提供序列化和反序列化两个方法,便于后续扩展更多的序列化器。

代码如下:

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/**
* 序列化器接口
*/
public interface Serializer {

/**
* 序列化
*
* @param object
* @param <T>
* @return
* @throws IOException
*/
<T> byte[] serialize(T object) throws IOException;

/**
* 反序列化
*
* @param bytes
* @param type
* @param <T>
* @return
* @throws IOException
*/
<T> T deserialize(byte[] bytes, Class<T> type) throws IOException;
}

2)基于 Java 自带的序列化器实现 JdkSerializer,代码如下:

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package com.yupi.yurpc.serializer;

import java.io.*;

/**
* JDK 序列化器
*/
public class JdkSerializer implements Serializer {

/**
* 序列化
*
* @param object
* @param <T>
* @return
* @throws IOException
*/
@Override
public <T> byte[] serialize(T object) throws IOException {
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(outputStream);
objectOutputStream.writeObject(object);
objectOutputStream.close();
return outputStream.toByteArray();
}

/**
* 反序列化
*
* @param bytes
* @param type
* @param <T>
* @return
* @throws IOException
*/
@Override
public <T> T deserialize(byte[] bytes, Class<T> type) throws IOException {
ByteArrayInputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(inputStream);
try {
return (T) objectInputStream.readObject();
} catch (ClassNotFoundException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
objectInputStream.close();
}
}
}

提供者处理调用 - 请求处理器

请求处理器是 RPC 框架的实现关键,它的作用是:处理接收到的请求,并根据请求参数找到对应的服务和方法,通过反射实现调用,最后封装返回结果并响应请求。

1)在 RPC 模块中编写请求和响应封装类。

请求类 RpcRequest 的作用是封装调用所需的信息,比如服务名称、方法名称、调用参数的类型列表、参数列表。这些都是 Java 反射机制所需的参数。

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/**
* RPC 请求
*/
@Data
@Builder
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class RpcRequest implements Serializable {

/**
* 服务名称
*/
private String serviceName;

/**
* 方法名称
*/
private String methodName;

/**
* 参数类型列表
*/
private Class<?>[] parameterTypes;

/**
* 参数列表
*/
private Object[] args;

}

响应类 RpcResponse 的作用是封装调用方法得到的返回值、以及调用的信息(比如异常情况)等。

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/**
* RPC 响应
*/
@Data
@Builder
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class RpcResponse implements Serializable {

/**
* 响应数据
*/
private Object data;

/**
* 响应数据类型(预留)
*/
private Class<?> dataType;

/**
* 响应信息
*/
private String message;

/**
* 异常信息
*/
private Exception exception;

}

2)编写请求处理器 HttpServerHandler。

业务流程如下:

  1. 反序列化请求为对象,并从请求对象中获取参数。
  2. 根据服务名称从本地注册器中获取到对应的服务实现类。
  3. 通过反射机制调用方法,得到返回结果。
  4. 对返回结果进行封装和序列化,并写入到响应中。
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/**
* HTTP 请求处理
*/
public class HttpServerHandler implements Handler<HttpServerRequest> {

@Override
public void handle(HttpServerRequest request) {
// 指定序列化器
final Serializer serializer = new JdkSerializer();

// 记录日志
System.out.println("Received request: " + request.method() + " " + request.uri());

// 异步处理 HTTP 请求
request.bodyHandler(body -> {
byte[] bytes = body.getBytes();
RpcRequest rpcRequest = null;
try {
rpcRequest = serializer.deserialize(bytes, RpcRequest.class);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}

// 构造响应结果对象
RpcResponse rpcResponse = new RpcResponse();
// 如果请求为 null,直接返回
if (rpcRequest == null) {
rpcResponse.setMessage("rpcRequest is null");
doResponse(request, rpcResponse, serializer);
return;
}

try {
// 获取要调用的服务实现类,通过反射调用
Class<?> implClass = LocalRegistry.get(rpcRequest.getServiceName());
Method method = implClass.getMethod(rpcRequest.getMethodName(), rpcRequest.getParameterTypes());
Object result = method.invoke(implClass.newInstance(), rpcRequest.getArgs());
// 封装返回结果
rpcResponse.setData(result);
rpcResponse.setDataType(method.getReturnType());
rpcResponse.setMessage("ok");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
rpcResponse.setMessage(e.getMessage());
rpcResponse.setException(e);
}
// 响应
doResponse(request, rpcResponse, serializer);
});
}

/**
* 响应
*
* @param request
* @param rpcResponse
* @param serializer
*/
void doResponse(HttpServerRequest request, RpcResponse rpcResponse, Serializer serializer) {
HttpServerResponse httpServerResponse = request.response()
.putHeader("content-type", "application/json");
try {
// 序列化
byte[] serialized = serializer.serialize(rpcResponse);
httpServerResponse.end(Buffer.buffer(serialized));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
httpServerResponse.end(Buffer.buffer());
}
}
}

需要注意,不同的 web 服务器对应的请求处理器实现方式也不同,比如 Vert.x 中是通过实现 Handler<HttpServerRequest> 接口来自定义请求处理器的。并且可以通过 request.bodyHandler 异步处理请求。

3)给 HttpServer 绑定请求处理器。

修改 VertxHttpServer 的代码,通过 server.requestHandler 绑定请求处理器。

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/**
* Vertx HTTP 服务器
*/
public class VertxHttpServer implements HttpServer {

/**
* 启动服务器
*
* @param port
*/
public void doStart(int port) {
// 创建 Vert.x 实例
Vertx vertx = Vertx.vertx();

// 创建 HTTP 服务器
io.vertx.core.http.HttpServer server = vertx.createHttpServer();

// 监听端口并处理请求
server.requestHandler(new HttpServerHandler());

// 启动 HTTP 服务器并监听指定端口
server.listen(port, result -> {
if (result.succeeded()) {
System.out.println("Server is now listening on port " + port);
} else {
System.err.println("Failed to start server: " + result.cause());
}
});
}
}

至此,引入了 RPC 框架的服务提供者模块,已经能够接受请求并完成服务调用了。

消费方发起调用 - 代理

在项目准备阶段,我们已经预留了一段调用服务的代码,只要能够获取到 UserService 对象(实现类),就能跑通整个流程。

但 UserService 的实现类从哪来呢?

总不能把服务提供者的 UserServiceImpl 复制粘贴到消费者模块吧?要能那样做还需要 RPC 框架干什么?分布式系统中,我们调用其他项目或团队提供的接口时,一般只关注请求参数和响应结果,而不关注具体实现。

在之前的架构中讲过,我们可以通过生成代理对象来简化消费方的调用。

代理的实现方式大致分为 2 类:静态代理和动态代理,下面依次实现。

静态代理

静态代理是指为每一个特定类型的接口或对象,编写一个代理类。

比如在 example-consumer 模块中,创建一个静态代理 UserServiceProxy,实现 UserService 接口和 getUser 方法。

只不过实现 getUser 方法时,不是复制粘贴服务提供者 UserServiceImpl 中的代码,而是要构造 HTTP 请求去调用服务提供者。

需要注意发送请求前要将参数序列化,代码如下:

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/**
* 静态代理
*/
public class UserServiceProxy implements UserService {

public User getUser(User user) {
// 指定序列化器
Serializer serializer = new JdkSerializer();

// 发请求
RpcRequest rpcRequest = RpcRequest.builder()
.serviceName(UserService.class.getName())
.methodName("getUser")
.parameterTypes(new Class[]{User.class})
.args(new Object[]{user})
.build();
try {
byte[] bodyBytes = serializer.serialize(rpcRequest);
byte[] result;
try (HttpResponse httpResponse = HttpRequest.post("http://localhost:8080")
.body(bodyBytes)
.execute()) {
result = httpResponse.bodyBytes();
}
RpcResponse rpcResponse = serializer.deserialize(result, RpcResponse.class);
return (User) rpcResponse.getData();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}

return null;
}
}

然后修改 EasyConsumerExample,new 一个代理对象并赋值给 userService,就能完成调用:

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/**
* 简易服务消费者示例
*/
public class EasyConsumerExample {

public static void main(String[] args) {
// 静态代理
UserService userService = new UserServiceProxy();

...
}
}

静态代理虽然很好理解(就是写个实现类),但缺点也很明显,我们如果要给每个服务接口都写一个实现类,是非常麻烦的,这种代理方式的灵活性很差!

所以 RPC 框架中,我们会使用动态代理。

动态代理

动态代理的作用是,根据要生成的对象的类型,自动生成一个代理对象。

常用的动态代理实现方式有 JDK 动态代理和基于字节码生成的动态代理(比如 CGLIB)。前者简单易用、无需引入额外的库,但缺点是只能对接口进行代理;后者更灵活、可以对任何类进行代理,但性能略低于 JDK 动态代理。

此处我们使用 JDK 动态代理。

1)在 RPC 模块中编写动态代理类 ServiceProxy,需要实现 InvocationHandler 接口的 invoke 方法。

代码如下(几乎就是把静态代理的代码搬运过来):

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/**
* 服务代理(JDK 动态代理)
*/
public class ServiceProxy implements InvocationHandler {

/**
* 调用代理
*
* @return
* @throws Throwable
*/
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
// 指定序列化器
Serializer serializer = new JdkSerializer();

// 构造请求
RpcRequest rpcRequest = RpcRequest.builder()
.serviceName(method.getDeclaringClass().getName())
.methodName(method.getName())
.parameterTypes(method.getParameterTypes())
.args(args)
.build();
try {
// 序列化
byte[] bodyBytes = serializer.serialize(rpcRequest);
// 发送请求
// todo 注意,这里地址被硬编码了(需要使用注册中心和服务发现机制解决)
try (HttpResponse httpResponse = HttpRequest.post("http://localhost:8080")
.body(bodyBytes)
.execute()) {
byte[] result = httpResponse.bodyBytes();
// 反序列化
RpcResponse rpcResponse = serializer.deserialize(result, RpcResponse.class);
return rpcResponse.getData();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}

return null;
}
}

解释下上述代码,当用户调用某个接口的方法时,会改为调用 invoke 方法。在 invoke 方法中,我们可以获取到要调用的方法信息、传入的参数列表等,这不就是我们服务提供者需要的参数么?用这些参数来构造请求对象就可以完成调用了。

需要注意的是,上述代码中,请求的服务提供者地址被硬编码了,需要使用注册中心和服务发现机制来解决。

2)创建动态代理工厂 ServiceProxyFactory,作用是根据指定类创建动态代理对象。

这里是使用了 工厂设计模式,来简化对象的创建过程,代码如下:

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/**
* 服务代理工厂(用于创建代理对象)
*/
public class ServiceProxyFactory {

/**
* 根据服务类获取代理对象
*
* @param serviceClass
* @param <T>
* @return
*/
public static <T> T getProxy(Class<T> serviceClass) {
return (T) Proxy.newProxyInstance(
serviceClass.getClassLoader(),
new Class[]{serviceClass},
new ServiceProxy());
}
}

上述代码中,主要是通过 Proxy.newProxyInstance 方法为指定类型创建代理对象。

3)最后,在 EasyConsumerExample 中,就可以通过调用工厂来为 UserService 获取动态代理对象了。

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// 动态代理
UserService userService = ServiceProxyFactory.getProxy(UserService.class);

至此,简易版的 RPC 框架已经开发完成。