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原文：Uber RPC 框架 TChannel 源码分析——多路复用的实现
声明
tchannel-go 版本为 v1.12.0
阅读本篇文章需要 go 语言，HTTP2——多路复用基础
前言
UBER 的 RPC 框架 TChannel 有一个闪亮点————多路复用。对于多路复用是如何实现一直都很好奇，所以抽了点时间看了 TChannel 多路复用的实现源码，并整理成这篇文章。文章主要从客户端【发起请求】到服务端【响应请求】一条完整请求来看多路复用整个生命周期的实现。
客户端发起调用
客户端调用我们把这个过程分成 4 个步骤：
1. 出站握手
2. 复用链接
3. 消息交换
4. 有序写入——发起请求
出站握手
github.com/uber/tchannel-go/preinit_connection.go #35
func (ch *Channel) outboundHandshake(ctx context.Context, c net.Conn, outboundHP string, events connectionEvents) (_ *Connection, err error) {
……
msg := &initReq{initMessage: ch.getInitMessage(ctx, 1)}
if err := ch.writeMessage(c, msg); err != nil {
return nil, err
}
……
res := &initRes{}
id, err := ch.readMessage(c, res)
if err != nil {
return nil, err
}
……
return ch.newConnection(c, 1 /* initialID */, outboundHP, remotePeer, remotePeerAddress, events), nil
}
在开始请求前，TChannel 有一次握手，这次握手不是 TCP/IP 的三次握手，是为了确认服务端能够正常响应。如果服务端能够正常响应，则这条 TCP 链接将会被复用。
func (ch *Channel) newConnection(conn net.Conn, initialID uint32, outboundHP string, remotePeer PeerInfo,
remotePeerAddress peerAddressComponents, events connectionEvents) *Connection {
……
connID := _nextConnID.Inc()
……
c := &Connection{
channelConnectionCommon: ch.channelConnectionCommon,
connID: connID,
conn: conn,
opts: opts,
state: connectionActive,
sendCh: make(chan *Frame, opts.SendBufferSize),
……
inbound: newMessageExchangeSet(log, messageExchangeSetInbound),
outbound: newMessageExchangeSet(log, messageExchangeSetOutbound),
……
}
……
// Connections are activated as soon as they are created.
c.callOnActive()
go c.readFrames(connID)
go c.writeFrames(connID)
return c
}
当握手成功，这条链接随后会被放入 Peer，以备其他请求使用。同时会启动 2 个协程，“readFrames”用于读取服务端的响应，“writeFrames”把数据写入 TCP 链接里面，关于这 2 个协程的作用下面会详细介绍。
复用链接
github.com/uber/tchannel-go/peer.go #361
func (p *Peer) getActiveConnLocked() (*Connection, bool) {
allConns := len(p.inboundConnections) + len(p.outboundConnections)
if allConns == 0 {
return nil, false
}
// We cycle through the connection list, starting at a random point
// to avoid always choosing the same connection.
startOffset := peerRng.Intn(allConns)
for i := 0; i < allConns; i++ {
connIndex := (i + startOffset) % allConns
if conn := p.getConn(connIndex); conn.IsActive() {
return conn, true
}
}
return nil, false
}
复用链接是多路复用很关键的一步，和 HTTP 的复用不同，HTTP 链接需要响应成功后才能被复用，而多路复用链接只要被创建了就能被复用。
消息交换 —— 无序响应
github.com/uber/tchannel-go/mex.go #306
func (mexset *messageExchangeSet) newExchange(ctx context.Context, framePool FramePool,
msgType messageType, msgID uint32, bufferSize int) (*messageExchange, error) {
……
mex := &messageExchange{
msgType: msgType,
msgID: msgID,
ctx: ctx,
// 请求会等待 Frame 的写入
recvCh: make(chan *Frame, bufferSize),
errCh: newErrNotifier(),
mexset: mexset,
framePool: framePool,
}
mexset.Lock()
// 保存 messageExchange
addErr := mexset.addExchange(mex)
mexset.Unlock()
……
mexset.onAdded()
……
return mex, nil
}
在客户端发起多个请求的时候，由于只有一个 TCP 链接，如何知道哪个响应是对应哪个请求？为了能够正确响应，TChannel 使用了 MessageExchange，一个请求对应一个 MessageExchange。客户端会以 stream id 为下标索引，保存所有的 MessageExchange。当有一个请求时，它会阻塞在 MessageExchange.recvCh，响应回来会根据响应的 stream id 获取对应的 MessageExchange，并把帧放到 MessageExchange.recvCh 从而实现无序响应。
有序写入——发起请求
先写入队列
github.com/uber/tchannel-go/reqres.go #139
func (w *reqResWriter) flushFragment(fragment *writableFragment) error {
……
frame := fragment.frame.(*Frame)
……
select {
……
case w.conn.sendCh <- frame:
return nil
}
}
获取队列数据，写入 TCP 链接
github.com/uber/tchannel-go/connection.go #706
func (c *Connection) writeFrames(_ uint32) {
for {
select {
case f := <-c.sendCh:
……
err := f.WriteOut(c.conn)
……
}
}
}
在多路复用中，只有一条 TCP 链接，为了避免客户端同时写入链接里，TChannel 先把帧写入队列“sendCh”，再使用一个消费者获取队列数据，然后有序写入链接里面。
帧结构
github.com/uber/tchannel-go/frame.go #107
// A Frame is a header and payload
type Frame struct {
buffer []byte // full buffer, including payload and header
headerBuffer []byte // slice referencing just the header
// The header for the frame
Header FrameHeader
// The payload for the frame
Payload []byte
}
// FrameHeader is the header for a frame, containing the MessageType and size
type FrameHeader struct {
// The size of the frame including the header
size uint16
// The type of message represented by the frame
messageType messageType
// Left empty
reserved1 byte
// The id of the message represented by the frame
ID uint32 // 指 Stream ID
// Left empty
reserved [8]byte
}
帧被分为 2 部分，一部分是 Header Frame（只有 16 字节）；另一部分是 Data Frame。这 2 部分数据按照一定格式标准转成二进制数据进行传输。
服务端响应
服务端响应我们把这个过程分成 3 个步骤：
1. 入站握手
2. 读取请求数据
3. 有序写入——响应结果
入站握手
github.com/uber/tchannel-go/preinit_connection.go #69
func (ch *Channel) inboundHandshake(ctx context.Context, c net.Conn, events connectionEvents) (_ *Connection, err error) {
id := uint32(math.MaxUint32)
……
req := &initReq{}
id, err = ch.readMessage(c, req)
if err != nil {
return nil, err
}
……
res := &initRes{initMessage: ch.getInitMessage(ctx, id)}
if err := ch.writeMessage(c, res); err != nil {
return nil, err
}
return ch.newConnection(c, 0 /* initialID */, “” /* outboundHP */, remotePeer, remotePeerAddress, events), nil
}
入站握手是对客户端出站握手的响应，当握手成功，服务端这边也会调用 newConnection，启动“readFrames”和“writeFrames”协程，等待客户端请求。
读取请求数据
github.com/uber/tchannel-go/connection.go #615
func (c *Connection) readFrames(_ uint32) {
headerBuf := make([]byte, FrameHeaderSize)
……
for {
……
// 先读头部
if _, err := io.ReadFull(c.conn, headerBuf); err != nil {
handleErr(err)
return
}
frame := c.opts.FramePool.Get()
if err := frame.ReadBody(headerBuf, c.conn); err != nil {
handleErr(err)
c.opts.FramePool.Release(frame)
return
}
//handle frame
……
}
}
在服务端会监听握手成功的链接，如果客户端发送了请求，就会读取链接里面的数据。读取分 2 步：
先读取 Header Frame（16 字节）
Header Frame 的长度固定为 16 字节，这里面有 stream Id 和 Data Frame 的长度
再读取 Data Frame
从 Header Frame 获取到 Data Frame 的长度后，根据长度从链接读取指定的字节长度，就获取到正确的 Data Frame。
有序写入——响应结果
服务端的有序写入和客户端的有序写入是一样的功能，只是所处的角色不一样，这里不再重复。
客户端获取响应结果
客户端获取响应结果我们把这个过程分成 2 个步骤：
1. 读取响应结果
2. 找到 MessageExchange 响应
读取响应结果
客户端获取响应结果和服务端的读取请求数据也是相同的功能，这里不再重复。
找到 MessageExchange 响应
github.com/uber/tchannel-go/mex.go #429
func (mexset *messageExchangeSet) forwardPeerFrame(frame *Frame) error {
……
mexset.RLock()
mex := mexset.exchanges[frame.Header.ID]
mexset.RUnlock()
……
// 把帧交给 MessageExchange.recvCh
if err := mex.forwardPeerFrame(frame); err != nil {
……
return err
}
return nil
}
在客户端发起调用时介绍过，它会阻塞在 MessageExchange.recvCh，当响应回来时会根据 stream Id（上面的 frame.Header.ID）找到对应的 MessageExchange，并把 frame 放入 recvCh，完成响应。这一步就体现在上面的代码。
结语
至此 UBER 的 RPC 框架 TChannel————多路复用介绍完，感谢 UBER 团队的贡献，让我收益很多。
