嵌入式RPC框架设计实践：六大核心类构建高效RPC框架

2024-04-27 本文已影响0人拂去尘世尘

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引言

在先前发布的文章中，我们构建了RPC底层数据传输的基础设计并实现了其功能（详尽代码与深入分析可参阅《实战高效RPC方案在嵌入式环境中的应用与揭秘》）。本文将继续以此为基础，探讨如何通过分层封装来提升RPC框架的易用性，旨在提供更便捷和正式的使用接口。

概述

在之前的文章中，我们阐述了结合共享内存与环形缓冲区技术，设计并实现了一种创新的共享环形缓冲区机制，用以支持RPC进程间高效的数据请求与响应交互。本篇文章将进一步依托此共享环形缓冲区的核心架构，专注于RPC框架的接口层次封装，力求精简对外接口，减轻使用者负担，从而实现实现服务进程与RPC框架之间的无缝集成与简便应用。

需求

针对专为嵌入式Linux环境定制的小型RPC框架，其核心功能需求可概括为以下几点，旨在实现高效、灵活且易于集成的远程通信解决方案：

自动服务注册与发现
框架应在服务端启动时自动完成RPC接口的注册，同时，客户端需能动态识别并连接至可用服务端口，无缝调用指定服务接口。
极致性能与低延迟通讯
强调从客户端请求发出到接收服务端响应的全链路快速响应，确保过程无明显阻塞，适合实时性要求高的嵌入式应用。
泛型数据序列化支持
支持丰富数据类型的参数传递，通过高效的序列化与反序列化机制，保障各类数据在调用过程中的准确无损传输。
高度抽象与易用性设计
框架设计应隐藏复杂的数据通信逻辑，为开发者提供简洁直观的API接口，使得远程方法调用如同调用本地函数一样直接和自然。

注：由于是针对嵌入式环境定制的RPC框架设计，重点聚焦于核心实用功能，鉴于资源限制与特定场景需求，我们将注意力集中于以下基本需求，暂不涵盖如数据加密等高级安全特性和跨语言交互能力。

类图

针对上述需求的分析，以及RPC功能的理解。初步可将其分为6个类实现：BindingHub、BindInterface、Binder、IBinder、Parcel、SharedRingBuffer。类图如下：

RPC框架类图

BindingHub (Bind中央协调器)
该类核心职责在于维护一个全局的服务注册表，其中记录了所有服务端的远程调用元数据。其作为独立的服务运行在后台，扮演着信息维护的角色，向客户端提供查询服务端远程入口能力。
SharedRingBuffer (数据传输类)
构成数据传输基础设施的关键组件，利用先进的共享内存技术结合高效的环形缓冲区设计，极大提升了进程间数据传输的速率与效率。此组件减少了系统调用的开销，特别是在资源受限的嵌入式环境中，其轻量级特性和高性能表现尤为显著。
Parcel (数据封装类)
该类是数据封装与传输的核心实现，负责数据的序列化与反序列化操作，确保信息在不同进程间准确无误地流动。通过集成SharedRingBuffer，它不仅高效地利用共享内存与环形缓冲区技术完成数据交换，还实现了数据交互的同步控制，增强了传输的可靠性与一致性。
Binder (服务端交互标识)
在服务端侧，该类扮演数据传输控制器的角色，依据服务标识生成对应的rspParcel和reqParcel实例与客户端通信。此类接口封装在BindInterface中，服务侧代码无感知。
IBinder (客户端交互标识)
在客户端侧，负责依据服务名称获取与之相匹配的rspParcel和reqParcel实例与服务端通信。此类接口封装在BindInterface中，客户侧代码无感知。
BindInterface (Bind初始化接口类)
此接口定义了RPC框架与外部应用交互的边界，为应用程序提供简洁的初始化接口。无论是服务端部署还是客户端查询适配，都通过此类返回类型安全的Binder与IBinder实例。

源码实现

编程环境

① 编译环境: Linux环境
② 语言: C++语言

接口定义

BindingHub (Bind中央协调器)

class BindingHub
{
public:
    ~BindingHub();

    static BindingHub* GetInstance();
    int32_t HandleMsgLoop();

private:
    BindingHub();

    int32_t EnvReady(const std::string& srvName);
    int32_t MsgResponseAddService();
    int32_t MsgResponseRemoveService();
    int32_t MsgResponseGetService();

private:
    using HandleFunction = int32_t (BindingHub::*)(void);

    std::map<std::string, BinderInfo> mBinderMap;
    std::map<int32_t, HandleFunction> mHandleFuncs;
};

BindHub 维护了一个全局服务注册表mBinderMap，用于实现进程间服务的高效发现与通信。分为如下步骤描述：

步骤一：服务注册过程
① 初始化请求：
当一个服务进程欲将其服务注册至系统中时，首先向BindHub发起注册请求。请求中包含了服务的唯一标识(进程名)，作为服务辨识的基础信息。
② 分配唯一标识：
接收到注册请求后，BindHub 会随即为该服务生成一个随机的、唯一的 key 值。用于为每个服务分配一个系统内的代理标识，便于后续的匿名化调用与管理。
③ 建立映射关系：
将生成的 key 与服务端进程名绑定，缓存至 mBinderMap 中。此步骤用于确定服务名与key之间的绑定关系，为后续查找与调用服务奠定了基础。
④ 响应确认：
完成映射关系的建立后，BindHub 将生成的 key 与服务名一并返回给服务端进程。服务端进程以key和服务名，创建共享内存和信号量，作为通信凭证，为即将到来的客户端请求做好准备。
步骤二：服务获取与通信
① 客户端请求服务：
客户端进程启动服务调用前，需先通过BindHub请求指定服务。此请求中需包含服务的名称。
② 查询服务信息：
接收到客户端的请求后，BindHub 在其维护的 mBinderMap 中依据服务名进行查找，获取与该服务关联的唯一key。
③ 返回通信凭证：
查询到key后，BindHub 向客户端返回该服务的 name 与对应的 key。这两个元素共同构成了客户端与服务端通信的凭证，允许客户端直接且安全地与目标服务建立连接。
④ 建立直接通信：
客户端利用获得的 name 和 key，可直接与服务端进程建立点对点通信链路（共享内存和信号量），无需再经过 BindHub 中介，从而实现高效的进程间通信。

SharedRingBuffer (数据传输类)
此类为共享环形缓冲区，用于存储通信数据，之前文章有详细说明，这里不再细说。
Parcel (数据封装类)
此类用实现数据序列化和反序列化，然后通过SharedRingBuffer传输，业务比较简单。

class Parcel
{
public:
    Parcel(const std::string& path, int key, bool master);
    ~Parcel();
    Parcel(const Parcel& other) = delete;
    Parcel& operator=(const Parcel& other) = delete;
    Parcel(Parcel&& other) = delete;
    Parcel& operator=(Parcel&& other) = delete;

    int Wait();
    int Post();
    int WriteBool(bool value);
    int ReadBool(bool& value);
    int WriteInt(int value);
    int ReadInt(int& value);
    int WriteString(const std::string& value);
    int ReadString(std::string& value);
    int WriteData(void* data, int size);
    int ReadData(void* data, int& size);
    
private:
    bool                mMaster;
    int                 mShmKey;
    sem_t*              mSem ;
    std::string         mShmPath;
    SharedRingBuffer*   mRingBuffer;
};

Binder (服务端交互标识)
此类作用于服务端，通过服务名name和key生成两个Parecl实例：reqParcel和rspParcel。作为通信桥梁与客户端进行交互。

class Binder
{
public:
    Binder(const std::string& name, int key) : mKey(key), mName(name) {};
    ~Binder() {};

    int32_t GetParcel(std::shared_ptr<Parcel>& reqParcel, std::shared_ptr<Parcel>& rspParcel);

private:
    int32_t mKey;
    std::string mName;
};

IBinder (客户端交互标识)
此类作用于客户端，作用和Binder相似，只是生成的是用于与服务端交互的两个Parcel实例。
客户端的reqParecel负责向服务端rspParcel发数据，客户端的rspParcel负责接收服务端reqParecel的应答消息。从而实现客户端与服务端的全双工通信。

class IBinder
{
public:
    IBinder(const std::string& name, int key) : mKey(key), mName(name) {};
    ~IBinder() {};

    int32_t GetParcel(std::shared_ptr<Parcel>& reqParcel, std::shared_ptr<Parcel>& rspParcel);

private:
    int mKey;
    std::string mName;
};

BindInterface (Bind初始化接口类)
该类的作用在于抽象化Binder和IBinder接口的复杂性，用户仅需通过初始化方法Initialize即可轻松获得预配置的Parcel实例，进而开展数据交换操作。

class BindInterface
{
public:
    ~BindInterface() = default;

    static BindInterface* GetInstance();
    bool InitializeServiceBinder(const std::string& srvName, std::shared_ptr<Parcel>& pReqParcel, std::shared_ptr<Parcel>& pRspParcel);
    bool InitializeClientBinder(const std::string& srvName, std::shared_ptr<Parcel>& pReqParcel, std::shared_ptr<Parcel>& pRspParcel);

private:
    BindInterface() = default;
    std::shared_ptr<Binder>  AddService(const std::string& name);
    std::shared_ptr<IBinder> GetService(const std::string& name);
    int32_t RemoveService(const std::string& name);
};

测试验证

测试代码
篇幅有限，这里只列举关键部分代码：

int Client()
{

    std::shared_ptr<Parcel> pReqParcel = nullptr;
    std::shared_ptr<Parcel> pRspParcel = nullptr;

    BindInterface::GetInstance()->InitializeClientBinder(SERVICE_NAME, pReqParcel, pRspParcel);
    if (pReqParcel == nullptr || pRspParcel == nullptr) {
        SPR_LOGE("GetParcel failed!\n");
        return -1;
    }

...
    pReqParcel->WriteInt(CMD_SUM);
    pReqParcel->WriteInt(10);
    pReqParcel->WriteInt(20);
    pReqParcel->Post();

    int sum = 0, ret = 0;
    pRspParcel->Wait();
    pRspParcel->ReadInt(sum);
    pRspParcel->ReadInt(ret);
    SPR_LOGD("sum = %d, ret = %d\n", sum, ret);
...
}

...
int Server()
{
    std::shared_ptr<Parcel> pReqParcel = nullptr;
    std::shared_ptr<Parcel> pRspParcel = nullptr;

    BindInterface::GetInstance()->InitializeServiceBinder(SERVICE_NAME, pReqParcel, pRspParcel);
    if (pReqParcel == nullptr || pRspParcel == nullptr) {
        SPR_LOGE("GetParcel failed\n");
        return -1;
    }

    do {
        int cmd = 0;
        pReqParcel->Wait();
        pReqParcel->ReadInt(cmd);
        switch(cmd)
        {
            case CMD_SUM:
            {
                SPR_LOGD("CMD_SUM\n");
                int a = 0, b = 0;
                pReqParcel->ReadInt(a);
                pReqParcel->ReadInt(b);

                int sum = a + b;
                pRspParcel->WriteInt(sum);
                pRspParcel->WriteInt(0);
                pRspParcel->Post();
                break;
            }

            default:
            {
                SPR_LOGE("Unknown cmd: %d\n", cmd);
                break;
            }
        }

    } while(1);

    return 0;
}

测试结果

$ ./debugbinder
------------------------------------------------------------------
Usage:
0: CMD_TEST
1: CMD_SUM
q: Quit
------------------------------------------------------------------
146 DebugBinder D: Input:1
173 DebugBinder D: sum = 30, ret = 0

这里只是一个简单测试，客户端发起请求，并同步获取服务端返回值30，初步验证RPC功能OK。

总结

先前探讨了SharedRingbuffer在数据传输中的低层机制。本文章重心主要聚焦软件设计，旨在简化RPC框架的使用体验，提升易用性。
RPC通信核心在于参数传递与返回值的高效同步。该过程依托共享内存与信号量技术，确保数据流畅传输与操作同步，提升交互效率。
RPC框架的实践不仅为项目提供便捷工具，也能够深入了解RPC技术底层逻辑与原理，从技术和设计的层面提升自己。

嵌入式RPC框架设计实践：六大核心类构建高效RPC框架

引言

概述

需求

类图

源码实现

测试验证

总结

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