在單體應用時，一次服務調用發(fā)生在同一臺機器上的同一個進程內(nèi)部，也就是說調用發(fā)生在本機內(nèi)部，因此也被叫作本地方法調用。在進行服務化拆分之后，服務提供者和服務消費者運行在兩臺不同物理機上的不同進程內(nèi)，它們之間的調用相比于本地方法調用，可稱之為遠程方法調用，簡稱RPC（Remote Procedure Call），那么RPC調用是如何實現(xiàn)的呢？

在介紹RPC調用的原理之前，先來想象一下一次電話通話的過程。首先，呼叫者A通過查詢號碼簿找到被呼叫者B的電話號碼，然后撥打B的電話。B接到來電提示時，如果方便接聽的話就會接聽；如果不方便接聽的話，A就得一直等待。當?shù)却^一段時間后，電話會因超時被掛斷，這個時候A需要再次撥打電話，一直等到B空閑的時候，才能接聽。

RPC調用的原理與此類似，我習慣把服務消費者叫作 客戶端，服務提供者叫作 服務端，兩者通常位于網(wǎng)絡上兩個不同的地址，要完成一次RPC調用，就必須先建立網(wǎng)絡連接。建立連接后，雙方還必須按照某種約定的協(xié)議進行網(wǎng)絡通信，這個協(xié)議就是通信協(xié)議。雙方能夠正常通信后，服務端接收到請求時，需要以某種方式進行處理，處理成功后，把請求結果返回給客戶端。為了減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小，還要對數(shù)據(jù)進行壓縮，也就是對數(shù)據(jù)進行序列化。

上面就是RPC調用的過程，由此可見，想要完成調用，你需要解決四個問題：

• 客戶端和服務端如何建立網(wǎng)絡連接？

• 服務端如何處理請求？

• 數(shù)據(jù)傳輸采用什么協(xié)議？

• 數(shù)據(jù)該如何序列化和反序列化？

客戶端和服務端如何建立網(wǎng)絡連接？

根據(jù)我的實踐經(jīng)驗，客戶端和服務端之間基于TCP協(xié)議建立網(wǎng)絡連接最常用的途徑有兩種。

1. HTTP通信

HTTP通信是基于應用層HTTP協(xié)議的，而HTTP協(xié)議又是基于傳輸層TCP協(xié)議的。一次HTTP通信過程就是發(fā)起一次HTTP調用，而一次HTTP調用就會建立一個TCP連接，經(jīng)歷一次下圖所示的“ 三次握手”的過程來建立連接。

三次握手過程詳解

• 第一次握手：

  • 1、【客戶端】向【服務端】發(fā)送連接請求報文，標記ACK=1， SYN=1，客戶端序列號seq=x，客戶端進入等待狀態(tài)。

• 第二次握手：

  • 1、【服務端】收到請求報文，將收到的報文緩存起來，緩存客戶端seq=x
  • 3、【服務端】向【客戶端】發(fā)送確認報文，生成一個【服務端】seq=y，標記ACK=1，SYN=1，【服務端】自己的序列號seq=y，確認序列號ACK_Number=x+1，發(fā)送給【客戶端】

• 第三次握手：

  • 1、【客戶端】收到服務端發(fā)送的確認報文，將收到的報文存起來，緩存【服務端】seq=y
  • 2、【客戶端】發(fā)送確認報文給【服務端】，標記ACK=1，SYN=0，【客戶端】自己的序列號seq=x+1，確認序列號ACK_Number=y+1
  • 3、【客戶端】、【服務端】都會進入ESTABLISHED (連接已建立狀態(tài))

完成請求后，再經(jīng)歷一次“四次揮手”的過程來斷開連接。

四次揮手過程詳解

• 第一次揮手：

  • 1、【客戶端】向【服務端】發(fā)送釋放連接報文，并停止發(fā)送數(shù)據(jù)，主動關閉 TCP 連接
  • 2、標記FIN=1，【客戶端序列號】seq=x，該序號等于前面已經(jīng)傳送過去的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號加1
  • 3、這時，客戶端 FIN—WAIT-1 (終止等待1)狀態(tài)，等待服務端確認

• 第二次揮手：

  • 1、【服務端】收到釋放連接報文，將收到的報文緩存起來，緩存【客戶端】seq=x
  • 2、【服務端】向【客戶端】發(fā)出確認釋放報文，標記ACK=1，【服務端序列號】seq=y，確認序列號ACK_Number=a+1 （a為【服務端】前面已經(jīng)傳送過的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號）
  • 3、此時【服務端】進入CLOSE—WAIT(關閉等待)狀態(tài)
  • 4、此時TCP服務器進程應該通知上層的應用進程，因為【客戶端】到【服務端】這個方向的連接就釋放了，這時TCP處于半關閉狀態(tài)，即【客戶端】已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)了，但【服務端】若發(fā)送數(shù)據(jù)，【客戶端】仍要接受，也就是說從【服務端】到【客戶端】這個方向的連接并沒有關閉，這個狀態(tài)可能會持續(xù)一些時間。

• 第三次揮手：

  • 1、【客戶端】收到【服務端】確認報文，并緩存起來
  • 2、此時【客戶端】進入FIN—WAIT(終止等待2)狀態(tài)，等待【服務端】發(fā)起釋放連接報文
  • 3、如果【服務端】沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送給【客戶端】了，【服務端】的應用進程就會通知TCP釋放連接
  • 4、此時【服務端】向【客戶端】發(fā)送釋放連接報文，標記FIN=1，確認序列號ACK_Number=a+1(與第二次揮手的確認號一致)，【服務端序號】seq=z+1(z為半關閉狀態(tài)發(fā)送的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號)
  • 5、此時【服務端】進入最后確認狀態(tài)，等待【客戶端】確認

• 第四次揮手：

  • 1、【客戶端】收到【服務端】釋放連接請求，必須發(fā)出確認
  • 2、【客戶端】向【服務端】發(fā)送確認報文，標記ACK=1，確認號序列號ACK_Numbe=z+1+1，【客戶端序號】seq=x+1(x為第一次揮手的seq)
  • 3、此時【客戶端】進入等待狀態(tài)，必須經(jīng)過時間等待計時器設置的時間2倍MSL(報文最大生存時間)后，【客戶端】才進入CLOSED狀態(tài)，MSL叫做最長報文壽命，RFC建議設為2分鐘，實際應用中是30秒。在這2倍MSL期間【客戶端】進入TIME—WAIT狀態(tài)后，要經(jīng)過4分鐘才能進入到CLOSED狀態(tài)。
  • 4、【服務端】只要收到了【客戶端】的確認后，就進入了CLOSED狀態(tài)
  • 5、當【客戶端】和【服務端】都進入CLOSED狀態(tài)后，連接就完全釋放了

2. Socket通信

Socket通信是基于TCP/IP協(xié)議的封裝，建立一次Socket連接至少需要一對套接字，其中一個運行于客戶端，稱為ClientSocket ；另一個運行于服務器端，稱為ServerSocket 。就像下圖所描述的，Socket通信的過程分為四個步驟：服務器監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認、數(shù)據(jù)傳輸。

• 服務器監(jiān)聽：ServerSocket通過調用bind()函數(shù)綁定某個具體端口，然后調用listen()函數(shù)實時監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)，等待客戶端的連接請求。

• 客戶端請求：ClientSocket調用connect()函數(shù)向ServerSocket綁定的地址和端口發(fā)起連接請求。

• 服務端連接確認：當ServerSocket監(jiān)聽到或者接收到ClientSocket的連接請求時，調用accept()函數(shù)響應ClientSocket的請求，同客戶端建立連接。

• 數(shù)據(jù)傳輸：當ClientSocket和ServerSocket建立連接后，ClientSocket調用send()函數(shù)，ServerSocket調用receive()函數(shù)，ServerSocket處理完請求后，調用send()函數(shù)，ClientSocket調用receive()函數(shù)，就可以得到得到返回結果。

直接理解可能有點抽象，你可以把這個過程套入前面我舉的“打電話”的例子，可以方便你理解Socket通信過程。

當客戶端和服務端建立網(wǎng)絡連接后，就可以發(fā)起請求了。但網(wǎng)絡不一定總是可靠的，經(jīng)常會遇到網(wǎng)絡閃斷、連接超時、服務端宕機等各種異常，通常的處理手段有兩種。

• 鏈路存活檢測：客戶端需要定時地發(fā)送心跳檢測消息（一般是通過ping請求）給服務端，如果服務端連續(xù)n次心跳檢測或者超過規(guī)定的時間都沒有回復消息，則認為此時鏈路已經(jīng)失效，這個時候客戶端就需要重新與服務端建立連接。

• 斷連重試：通常有多種情況會導致連接斷開，比如客戶端主動關閉、服務端宕機或者網(wǎng)絡故障等。這個時候客戶端就需要與服務端重新建立連接，但一般不能立刻完成重連，而是要等待固定的間隔后再發(fā)起重連，避免服務端的連接回收不及時，而客戶端瞬間重連的請求太多而把服務端的連接數(shù)占滿。

服務端如何處理請求？

假設這時候客戶端和服務端已經(jīng)建立了網(wǎng)絡連接，服務端又該如何處理客戶端的請求呢？通常來講，有三種處理方式。

• 同步阻塞方式（BIO），客戶端每發(fā)一次請求，服務端就生成一個線程去處理。當客戶端同時發(fā)起的請求很多時，服務端需要創(chuàng)建很多的線程去處理每一個請求，如果達到了系統(tǒng)最大的線程數(shù)瓶頸，新來的請求就沒法處理了。

• 同步非阻塞方式 (NIO)，客戶端每發(fā)一次請求，服務端并不是每次都創(chuàng)建一個新線程來處理，而是通過I/O多路復用技術進行處理。就是把多個I/O的阻塞復用到同一個select的阻塞上，從而使系統(tǒng)在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。這種方式的優(yōu)勢是開銷小，不用為每個請求創(chuàng)建一個線程，可以節(jié)省系統(tǒng)開銷。

• 異步非阻塞方式（AIO），客戶端只需要發(fā)起一個I/O操作然后立即返回，等I/O操作真正完成以后，客戶端會得到I/O操作完成的通知，此時客戶端只需要對數(shù)據(jù)進行處理就好了，不需要進行實際的I/O讀寫操作，因為真正的I/O讀取或者寫入操作已經(jīng)由內(nèi)核完成了。這種方式的優(yōu)勢是客戶端無需等待，不存在阻塞等待問題。

從前面的描述，可以看出來不同的處理方式適用于不同的業(yè)務場景：

• BIO適用于連接數(shù)比較小的業(yè)務場景，這樣的話不至于系統(tǒng)中沒有可用線程去處理請求。這種方式寫的程序也比較簡單直觀，易于理解。

• NIO適用于連接數(shù)比較多并且請求消耗比較輕的業(yè)務場景，比如聊天服務器。這種方式相比BIO，相對來說編程比較復雜。

• AIO適用于連接數(shù)比較多而且請求消耗比較重的業(yè)務場景，比如涉及I/O操作的圖片服務器。這種方式相比另外兩種，編程難度最大，程序也不易于理解。

上面兩個問題就是“通信框架”要解決的問題，你可以基于現(xiàn)有的Socket通信，在服務消費者和服務提供者之間建立網(wǎng)絡連接，然后在服務提供者一側基于BIO、NIO和AIO三種方式中的任意一種實現(xiàn)服務端請求處理，最后再花費一些精力去解決服務消費者和服務提供者之間的網(wǎng)絡可靠性問題。這種方式對于Socket網(wǎng)絡編程、多線程編程知識都要求比較高，感興趣的話可以嘗試自己實現(xiàn)一個通信框架。 但我建議最為穩(wěn)妥的方式是使用成熟的開源方案，比如Netty、MINA等，它們都是經(jīng)過業(yè)界大規(guī)模應用后，被充分論證是很可靠的方案。

假設客戶端和服務端的連接已經(jīng)建立了，服務端也能正確地處理請求了，接下來完成一次正常地RPC調用還需要解決兩個問題，即數(shù)據(jù)傳輸采用什么協(xié)議以及數(shù)據(jù)該如何序列化和反序列化。

數(shù)據(jù)傳輸采用什么協(xié)議？

首先來看第一個問題，數(shù)據(jù)傳輸采用什么協(xié)議？

最常用的有HTTP協(xié)議，它是一種開放的協(xié)議，各大網(wǎng)站的服務器和瀏覽器之間的數(shù)據(jù)傳輸大都采用了這種協(xié)議。還有一些定制的私有協(xié)議，比如阿里巴巴開源的Dubbo協(xié)議，也可以用于服務端和客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸。無論是開放的還是私有的協(xié)議，都必須定義一個“契約”，以便服務消費者和服務提供者之間能夠達成共識。服務消費者按照契約，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼，然后通過網(wǎng)絡傳輸過去；服務提供者從網(wǎng)絡上接收到數(shù)據(jù)后，按照契約，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行解碼，然后處理請求，再把處理后的結果進行編碼，通過網(wǎng)絡傳輸返回給服務消費者；服務消費者再對返回的結果進行解碼，最終得到服務提供者處理后的返回值。

通常協(xié)議契約包括兩個部分：消息頭和消息體。其中消息頭存放的是協(xié)議的公共字段以及用戶擴展字段，消息體存放的是傳輸數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

以HTTP協(xié)議為例，主要分為消息頭和消息體兩部分，其中消息頭中存放的是協(xié)議的公共字段，比如Server代表是服務端服務器類型、Content-Length代表返回數(shù)據(jù)的長度、Content-Type代表返回數(shù)據(jù)的類型；消息體中存放的是具體的返回結果，這里就是一段HTML網(wǎng)頁代碼。

數(shù)據(jù)該如何序列化和反序列化？

再看第二個問題，數(shù)據(jù)該如何序列化和反序列化。

一般數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中進行傳輸前，都要先在發(fā)送方一端對數(shù)據(jù)進行編碼，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭_另一端后，再對數(shù)據(jù)進行解碼，這個過程就是序列化和反序列化。

為什么要對數(shù)據(jù)進行序列化和反序列化呢？要知道網(wǎng)絡傳輸?shù)暮臅r一方面取決于網(wǎng)絡帶寬的大小，另一方面取決于數(shù)據(jù)傳輸量。要想加快網(wǎng)絡傳輸，要么提高帶寬，要么減小數(shù)據(jù)傳輸量，而對數(shù)據(jù)進行編碼的主要目的就是減小數(shù)據(jù)傳輸量。比如一部高清電影原始大小為30GB，如果經(jīng)過特殊編碼格式處理，可以減小到3GB，同樣是100MB/s的網(wǎng)速，下載時間可以從300s減小到30s。

常用的序列化方式分為兩類：文本類如XML/JSON等，二進制類如PB/Thrift等，而具體采用哪種序列化方式，主要取決于三個方面的因素。

• 支持數(shù)據(jù)結構類型的豐富度。數(shù)據(jù)結構種類支持的越多越好，這樣的話對于使用者來說在編程時更加友好，有些序列化框架如Hessian 2.0還支持復雜的數(shù)據(jù)結構比如Map、List等。

• 跨語言支持。序列化方式是否支持跨語言也是一個很重要的因素，否則使用的場景就比較局限，比如Java序列化只支持Java語言，就不能用于跨語言的服務調用了。

• 性能。主要看兩點，一個是序列化后的壓縮比，一個是序列化的速度。以常用的PB序列化和JSON序列化協(xié)議為例來對比分析，PB序列化的壓縮比和速度都要比JSON序列化高很多，所以對性能和存儲空間要求比較高的系統(tǒng)選用PB序列化更合適；而JSON序列化雖然性能要差一些，但可讀性更好，更適合對外部提供服務。

總結

今天我們一起了解服務調用需要解決的幾個問題：

• 通信框架。它主要解決客戶端和服務端如何建立連接、管理連接以及服務端如何處理請求的問題。

• 通信協(xié)議。它主要解決客戶端和服務端采用哪種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的問題。

• 序列化和反序列化。它主要解決客戶端和服務端采用哪種數(shù)據(jù)編解碼的問題。

這三個部分就組成了一個完整的RPC調用框架，通信框架提供了基礎的通信能力，通信協(xié)議描述了通信契約，而序列化和反序列化則用于數(shù)據(jù)的編/解碼。一個通信框架可以適配多種通信協(xié)議，也可以采用多種序列化和反序列化的格式，比如服務化框架Dubbo不僅支持Dubbo協(xié)議，還支持RMI協(xié)議、HTTP協(xié)議等，而且還支持多種序列化和反序列化格式，比如JSON、Hession 2.0以及Java序列化等。