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#、Golang 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

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。如下所示。

syntax = "proto3";
package hello;

message HelloRequest {
  string greeting = 1;
}

message HelloResponse {
  string reply = 1;
  repeated int32 number=4;
}

service HelloService {
  rpc SayHello(HelloRequest) returns (HelloResponse){}
}

在XML或JSON等数据描述语言中，一般通过成员的名字来绑定对应的数据。但是Protobuf编码却是通过成员的唯一编号来绑定对应的数据，因此Protobuf编码后数据的体积会比较小，但是也非常不便于人类查阅。我们目前并不关注Protobuf的编码技术，最终生成的Go结构体可以自由采用JSON或gob等编码格式，因此大家可以暂时忽略Protobuf的成员编码部分。

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 来生成 hello.pb.go，会自动调用 protoc-gen-go 插件。

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 3~10 倍，并且处理性能高 1~2 个数量级。

gRPC

生成服务端代码

服务端相关代码如下，主要定义了 HelloServiceServer 接口，用户可以自行编写实现代码。

type HelloServiceServer interface {
        SayHello(context.Context, *HelloRequest) (*HelloResponse, error)
}

func RegisterHelloServiceServer(s *grpc.Server, srv HelloServiceServer) {
        s.RegisterService(&_HelloService_serviceDesc, srv)
}

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.RegisterHelloServiceServer()；
启动服务端：s.Serve(lis)。

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) {
    return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.Name}, 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.RegisterHelloServiceServer(s, &server{})
    s.Serve(lis)
}

编译并启动服务端。

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 HelloServiceClient interface {
        SayHello(ctx context.Context, in *HelloRequest, opts ...grpc.CallOption) (*HelloResponse, error)
}

type helloServiceClient struct {
        cc *grpc.ClientConn
}

func NewHelloServiceClient(cc *grpc.ClientConn) HelloServiceClient {
        return &helloServiceClient{cc}
}

func (c *helloServiceClient) SayHello(ctx context.Context, in *HelloRequest, opts ...grpc.CallOption) (*HelloResponse, error) {
        out := new(HelloResponse)
        err := grpc.Invoke(ctx, "/hello.HelloService/SayHello", in, out, c.cc, 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。

func main() {
    // Set up a connection to the server.
    conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        log.Fatalf("did not connect: %v", err)
    }
    defer conn.Close()
    c := pb.NewHelloServiceClient(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{Greeting: name})
    if err != nil {
        log.Fatalf("could not greet: %v", err)
    }
    log.Printf("Greeting: %s, %v", r.Reply, r.Number)
}

编译并启动客户端，查看到服务端返回的消息。

Demo代码: https://github.com/alovn/tutorials/tree/master/golang/grpc/grpc_hello

文档

gRPC 更多原理可以参考官方文档：http://www.grpc.io/docs。

Protobuf 与 gRPC

Protobuf gRPC