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[网络协议]手写一个 RPC 远程调用(C++)

手写一个 RPC 远程调用(C++)

版权声明

个人作品,禁止转载

参考资料

  • Build Remote Procedure Calls (RPC) - from scratch in C(https://www.udemy.com/course/linuxrpc/)
  • Linux manual page(https://man7.org/linux/man-pages/)
  • Cpp reference(https://en.cppreference.com/w/)

代码下载

https://github.com/541380000/write_rpc_from_scratch.git
或者从网盘下载
链接:https://pan.baidu.com/s/1BjTK3aH_T80umXsF9Yzqmg?pwd=5mof
提取码:5mof

推荐进阶工具

  • protobuf(对象序列化工具,按字节序列化)
  • msgpack(对象序列化工具,类似 json,但更加精简)
  • Boost 的序列化库

Overview

  • 这是一个学习型项目,旨在学习 RPC 如何运行
  • 这是一个 C++项目,只是用 C++标准库,不使用第三方库
  • 各个步骤纯手写,代码无法用于商业项目
  • 本项目不考虑机器大小端

预备知识

  • 基础的 c/c++知识
  • 基础的 socket 编程
  • 基础的 debug 能力

RPC 的步骤

  • RPC 客户端,序列化 RPC 头和 RPC 参数
  • RPC 客户端,将 RPC 头和参数打包成数据包,通过网络(等其他通信手段)发送
  • RPC 服务器,反序列化 RPC 头和 RPC 参数
  • RPC 服务器,执行远程调用
  • RPC 服务器,将 RPC 头和返回值打包成数据包,发送给客户端
  • RPC 客户端,反序列化 RPC 头和返回值,得到 RPC 结果

序列化和反序列化

基础数据类型:SerBuffer

结构体定义

SerBuffer是数据序列化和反序列化的缓冲区
```
using byte=char;
struct SerBuffer{
    vector<byte> buffer;
};
```

方法

创建新的 SerBuffer,预留若干字节的空间
unique_ptr<SerBuffer> creatSerBuffer(const uint32_t buffer_size=DEFAULT_INIT_SERIALIZE_BUFFER_SIZE){
    auto ptr = make_unique<SerBuffer>();
    ptr->buffer.reserve(buffer_size);
    return move(ptr);
}
将 nBytes 的数据复制到 buffer 中
void serializeData(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, const byte* data, const uint32_t nBytes){
    copy(data, data+nBytes, back_inserter(buffer->buffer));
}
跳过 n 字节,nBytes 为负则从缓冲区删除数据,为正则追加 nBytes 个 0
void serializeBufferSkip(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, int32_t nBytes){
    if (nBytes < 0)
        while(nBytes < 0) buffer->buffer.pop_back(), nBytes ++;
    else if (nBytes > 0)
        while(nBytes > 0) buffer->buffer.emplace_back('0'), nBytes --;
}
清空缓冲区
void resetSerBuffer(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    buffer->buffer.clear();
}
填充一个空指针,空指针用 0xFFFFFFFF 表示
void fillNull(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    uint32_t sentinel = 0xFFFFFFFF;
    serializeData(buffer, (byte*)&sentinel, 4);
}
将 RPC 头序列化到 buffer 中(RPC 头定义见下文)
void serializeRPCHeader(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, const RPCHeader* const header){
    serializeData(buffer, (char*)header, sizeof(header));
}

简单对象(反)序列化

简单对象定义为:只包含基础数据类型的结构体(不包含指针和其他结构体)

对象定义

using byte=char;
struct SimplePerson{
    byte name[30];
    uint32_t age;
    uint32_t weight;
};

序列化方法

  • 将数据拷贝到内存中,不考虑内存对齐。
  • 对于 SimplePerson,内存中应该包含:30 字节的 name,4 字节的 age,4 字节的 weight,共 38 字节
  • 如果传入参数为 NULL,则填充空指针,表示为 0xFFFFFFFF,否则填充数据
void serialize_simple_person(const SimplePerson* const obj, const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    if(!obj){
        fillNull(buffer);
        return ;
    }
    serializeData(buffer, obj->name, sizeof(obj->name));
    serializeData(buffer, (char*)&obj->age, sizeof(obj->age));
    serializeData(buffer, (char*)&obj->weight, sizeof(obj->weight));
}

反序列化方法

  • 相反的过程,将数据提取出来即可
  • offset 为:从 buffer 的第几个字节开始,反序列化出来一个对象

unique_ptr<SimplePerson> deserialize_simple_person(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, uint32_t offset = 0){
    if (*(uint32_t*)buffer->buffer.data() == 0xFFFFFFFF)
        return {nullptr};

    auto ptr = make_unique<SimplePerson>();
    auto& person = *ptr;
    copy(buffer->buffer.begin() + offset, buffer->buffer.begin() + sizeof(person) + offset, person.name);
    offset += sizeof(person.name);

    person.age = *(decltype(person.age)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.age);

    person.weight = *(decltype(person.weight)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.weight);

    return move(ptr);
}

测试

void testSimplePerson(){
    SimplePerson p{"1234", 1, 1};
    auto buf = make_unique<SerBuffer>();
    printf("-------------------> SimplePerson\n");
    serialize_simple_person(&p, buf);
    printf("Full size of person after serialize: %zu, expected is %d\n", buf->buffer.size(), 30+4+4);
    cout << "Before  serialize: " << p << "\nAfter deserialize: " << *deserialize_simple_person(buf) << endl << endl;
}

嵌套对象(反)序列化

简单对象定义为:只包含基础数据类型和其他结构体的结构体(不包含指针)

对象定义

struct Occupation{
    char title[30];
    uint32_t id;
}
struct NestedPerson{
    char name[30];
    Occupation occupation;
    uint32_t age;
    uint32_t weight;
}

Occupation 的(反)序列化方法(简单对象序列化)

void serialize_simple_occupation(const Occupation* const obj, const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    serializeData(buffer, obj->title, sizeof(obj->title));
    serializeData(buffer, (char*)&obj->id, sizeof(obj->id));
}

unique_ptr<Occupation> deserialize_simple_occupation(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, uint32_t offset = 0){
    auto ptr = make_unique<Occupation>();
    auto& occupation = *ptr;
    copy(buffer->buffer.begin() + offset, buffer->buffer.begin() + offset + sizeof(occupation.title), occupation.title);
    offset += sizeof(occupation.title);

    occupation.id = *(decltype(occupation.id)*)(buffer->buffer.data() + offset);

    return move(ptr);
}

序列化与反序列化方法

  • 如果遇到嵌套结构体,则调用嵌套结构体的序列化方法,将内层结构体序列化到 buffer 中
void serialize_nested_person(const NestedPerson* const obj, const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    if (!obj){
        fillNull(buffer);
        return ;
    }
    serializeData(buffer, obj->name, sizeof(obj->name));
    serialize_simple_occupation(&obj->occupation, buffer);
    serializeData(buffer, (char*)&obj->age, sizeof(obj->age));
    serializeData(buffer, (char*)&obj->weight, sizeof(obj->weight));
}

unique_ptr<NestedPerson> deserialize_nested_person(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, uint32_t offset = 0){
    if (*(uint32_t*)buffer->buffer.data() == 0xFFFFFFFF)
        return {nullptr};

    auto ptr = make_unique<NestedPerson>();
    auto& person = *ptr;
    copy(buffer->buffer.begin() + offset, buffer->buffer.begin() + sizeof(person) + offset, person.name);
    offset += sizeof(person.name);

    person.occupation = *deserialize_simple_occupation(buffer, offset);
    offset += sizeof(person.occupation.title) + sizeof(person.occupation.id);

    person.age = *(decltype(person.age)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.age);

    person.weight = *(decltype(person.weight)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.weight);

    return move(ptr);
}

测试

void testNestedPerson(){
    NestedPerson p{"1234", {"doctor", 294}, 1, 1};
    auto buf = make_unique<SerBuffer>();
    printf("-------------------> NestedPerson\n");
    serialize_nested_person(&p, buf);
    printf("Full size of nested person after serialize: %zu, expected is %d\n", buf->buffer.size(), 30+4+4+30+4);
    cout << "Before  serialize: " << p << "\nAfter deserialize: " << *deserialize_nested_person(buf) << endl << endl;
}

含有指针的结构体的(反)序列化

结构体定义

struct PointerPerson{
    char name[30];
    Occupation* occupation;
    uint32_t age;
    uint32_t weight;
}

序列化与反序列化方法

如果有指针

  • 指针为空,则填充 0xFFFFFFFF(如你所见,这会导致问题)
  • 指针不为空,调用内层对象的序列化方法,将内层对象序列化到 buffer 中
void serialize_pointer_person(const PointerPerson* const obj, const unique_ptr<SerBuffer>& buffer){
    if (!obj){
        fillNull(buffer);
        return ;
    }
    serializeData(buffer, obj->name, sizeof(obj->name));
    serialize_simple_occupation(obj->occupation, buffer);
    serializeData(buffer, (char*)&obj->age, sizeof(obj->age));
    serializeData(buffer, (char*)&obj->weight, sizeof(obj->weight));
}

unique_ptr<PointerPerson> deserialize_pointer_person(const unique_ptr<SerBuffer>& buffer, uint32_t offset = 0){
    if (*(uint32_t*)buffer->buffer.data() == 0xFFFFFFFF)
        return {nullptr};

    auto ptr = make_unique<PointerPerson>();
    auto& person = *ptr;
    copy(buffer->buffer.begin() + offset, buffer->buffer.begin() + sizeof(person) + offset, person.name);
    offset += sizeof(person.name);

    person.occupation = deserialize_simple_occupation(buffer, offset).release();
    offset += sizeof(person.occupation->title) + sizeof(person.occupation->id);

    person.age = *(decltype(person.age)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.age);

    person.weight = *(decltype(person.weight)*)(buffer->buffer.data() + offset);
    offset += sizeof(person.weight);

    return move(ptr);
}

测试

void testPointerPerson(){
    Occupation occ{"doctor", 294};
    PointerPerson p{"1234", &occ, 1, 1};
    auto buf = make_unique<SerBuffer>();
    printf("-------------------> PointerPerson\n");
    serialize_pointer_person(&p, buf);
    printf("Full size of pointer person after serialize: %zu, expected is %d\n", buf->buffer.size(), 30+4+4+30+4);
    cout << "Before  serialize: " << p << "\nAfter deserialize: " << *deserialize_pointer_person(buf) << endl << endl;
}

还有其他很多数据结构需要序列化,但是不应该这样手动实现

RPC 头

RPC 头应该包含如下信息

  • 远程调用 id,这里用 uint32_t 表示
  • payload 大小,即参数大小,用 uint32_t 表示
    定义为:
struct RPCHeader{
    uint32_t id;    // id of procedure
    uint32_t size;  // size of payload(argument)
};

RPC 服务器实现

下方的 id 为 1 的 RPC,实现如下功能:接受两个 SimplePerson 对象,给他们办结婚证
,返回值的 name 字段为 name1 -Merry- name2,age 最大值,weight 取最小值

// socket相关代码省略
// 从socket_fd读取指定字节的数据,存入buffer
int read_n_bytes(int connfd, char* buffer, int n_bytes){
    int tmp = 0;
    int cnt = 0;
    while (cnt < n_bytes) {
        if ((tmp = read(connfd, buffer + cnt, n_bytes - cnt)) == -1) {cout << "failed reading" << endl;return -1;}
        cnt += tmp;
    }
    return 0;
}
void handle_rpc(int connfd)
{

    char buff[BUFFER_SIZE];
    RPCHeader header{};
    for (;;) {
        bzero(buff, BUFFER_SIZE);
        // 读取RPC头
        if (read_n_bytes(connfd, buff, sizeof(RPCHeader))){
            printf("Error reading nbytes header\n");
            exit(-1);
        }

        memcpy(&header, buff, sizeof(RPCHeader));
        printf("Get header: id: %d\t\tpayload: %d\n", header.id, header.size);

        // 根据RPC头中指示的payload大小,读取参数
        bzero(buff, BUFFER_SIZE);
        if (read_n_bytes(connfd, buff, header.size)) {
            printf("Error reading nbytes payload\n");
            exit(-1);
        }

        auto buffer = make_unique<SerBuffer>();
        buffer->buffer.assign(buff, buff + header.size);
        cout << "Get header: " << header << endl;

        // 根据不同的远程调用id,执行远程调用
        switch (header.id) {
            // get merry of two person
            case 1:{
                // 解析两个参数
                auto p1 = deserialize_simple_person(buffer);
                auto p2 = deserialize_simple_person(buffer, header.size / 2);

                // 产生新的对象
                auto res = string(p1->name) + string(" -Merry- ") + string(p2->name);
                auto resp_buf = make_unique<SerBuffer>();
                SimplePerson p{};
                memcpy(p.name, res.c_str(), res.length());
                p.age = max(p1->age, p2->age);
                p.weight = min(p1->weight, p2->weight);
                // 产生RPC头,id为1的RPC请求,其返回的id为100+1=101
                RPCHeader resp_header{100+header.id, sizeof(p.weight) + sizeof(p.name) + sizeof(p.age)};
                // 序列化返回值并发送
                serializeRPCHeader(resp_buf, &resp_header);
                serialize_simple_person(&p, resp_buf);
                // send it back
                if (send(connfd, resp_buf->buffer.data(), resp_buf->buffer.size(), 0) == -1){
                    return ;
                }
                break;
            }
            case 2:{
                // .... do something
            }
            default:{
                printf("Invalid rpc id: %d\n", header.id);
                break;
            }
        }
    }
}

RPC 客户端实现

如下代码将调用 id 为 1 的 RPC,并接收结果

// socket相关代码省略
void func(int sockfd)
{
    char buff[BUFFER_SIZE];
    int n;
    bzero(buff, sizeof(buff));
    /**
     * to run rpc, we will follow the steps:
     * 1. serialize RPC header to a buffer
     * 2. serialize RPC argument to a buffer
     * 3. send RPC package through socket
     * 4. receive the response
     * 5. deserialize RPC package
     */
    // 1. serialize RPC header to a buffer
    RPCHeader rpcHeader{};
    rpcHeader.id = 1;
    // TODO: size will be assigned after argument serialize

    // 2. serialize RPC argument to a buffer
    SimplePerson p1{"Tony", 23, 160};
    SimplePerson p2{"Jenny", 21, 100};


    auto argumentBuffer = make_unique<SerBuffer>();
    serialize_simple_person(&p1, argumentBuffer);
    serialize_simple_person(&p2, argumentBuffer);
    rpcHeader.size = argumentBuffer->buffer.size();

    // combine 1 & 2
    auto buffer = make_unique<SerBuffer>();
    serializeRPCHeader(buffer, &rpcHeader);
    copy(argumentBuffer->buffer.begin(), argumentBuffer->buffer.end(), back_inserter(buffer->buffer));

    cout << "send request -> p1: " << p1 << "\t\tp2: " << p2 << endl;
    // cout << "buf sent: " << buffer->buffer.size() << endl;
    send(sockfd, buffer->buffer.data(), buffer->buffer.size(), 0);

    rpcHeader = {};
    read_n_bytes(sockfd, (char*)&rpcHeader, sizeof(rpcHeader));
    // printf("From Server : %s", buff);
    read_n_bytes(sockfd, buff, rpcHeader.size);
    resetSerBuffer(argumentBuffer);
    copy(buff, buff+rpcHeader.size, back_inserter(argumentBuffer->buffer));
    auto resp = deserialize_simple_person(argumentBuffer, 0);

    cout << "Get response -> " << *resp << endl;
}
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加:2022-02-28 15:59:55  更:2022-02-28 16:02:27 
 
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