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    Go语言高级编程:4.6 gRPC和Protobuf扩展

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    2月 9, 2021 #Go高级编程

    目前开源社区已经围绕Protobuf和gRPC开发出众多扩展,形成了庞大的生态。本节我们将简单介绍验证器和REST接口扩展。

    4.6.1 验证器

    到目前为止,我们接触的全部是第三版的Protobuf语法。第二版的Protobuf有个默认值特性,可以为字符串或数值类型的成员定义默认值。

    我们采用第二版的Protobuf语法创建文件:

    syntax = "proto2";
    
    package main;
    
    message Message {
        optional string name = 1 [default = "gopher"];
        optional int32 age = 2 [default = 10];
    }
    

    内置的默认值语法其实是通过Protobuf的扩展选项特性实现。在第三版的Protobuf中不再支持默认值特性,但是我们可以通过扩展选项自己模拟默认值特性。

    下面是用proto3语法的扩展特性重新改写上述的proto文件:

    syntax = "proto3";
    
    package main;
    
    import "google/protobuf/descriptor.proto";
    
    extend google.protobuf.FieldOptions {
        string default_string = 50000;
        int32 default_int = 50001;
    }
    
    message Message {
        string name = 1 [(default_string) = "gopher"];
        int32 age = 2[(default_int) = 10];
    }
    

    其中成员后面的方括号内部的就是扩展语法。重新生成Go语言代码,里面会包含扩展选项相关的元信息:

    var E_DefaultString = &proto.ExtensionDesc{
        ExtendedType:  (*descriptor.FieldOptions)(nil),
        ExtensionType: (*string)(nil),
        Field:         50000,
        Name:          "main.default_string",
        Tag:           "bytes,50000,opt,name=default_string,json=defaultString",
        Filename:      "helloworld.proto",
    }
    
    var E_DefaultInt = &proto.ExtensionDesc{
        ExtendedType:  (*descriptor.FieldOptions)(nil),
        ExtensionType: (*int32)(nil),
        Field:         50001,
        Name:          "main.default_int",
        Tag:           "varint,50001,opt,name=default_int,json=defaultInt",
        Filename:      "helloworld.proto",
    }
    

    我们可以在运行时通过类似反射的技术解析出Message每个成员定义的扩展选项,然后从每个扩展的相关联的信息中解析出我们定义的默认值。

    在开源社区中,github.com/mwitkow/go-proto-validators 已经基于Protobuf的扩展特性实现了功能较为强大的验证器功能。要使用该验证器首先需要下载其提供的代码生成插件:

    $ go get github.com/mwitkow/go-proto-validators/protoc-gen-govalidators
    

    然后基于go-proto-validators验证器的规则为Message成员增加验证规则:

    syntax = "proto3";
    
    package main;
    
    import "github.com/mwitkow/go-proto-validators/validator.proto";
    
    message Message {
        string important_string = 1 [
            (validator.field) = {regex: "^[a-z]{2,5}$"}
        ];
        int32 age = 2 [
            (validator.field) = {int_gt: 0, int_lt: 100}
        ];
    }
    

    在方括弧表示的成员扩展中,validator.field表示扩展是validator包中定义的名为field扩展选项。validator.field的类型是FieldValidator结构体,在导入的validator.proto文件中定义。

    所有的验证规则都由validator.proto文件中的FieldValidator定义:

    syntax = "proto2";
    package validator;
    
    import "google/protobuf/descriptor.proto";
    
    extend google.protobuf.FieldOptions {
        optional FieldValidator field = 65020;
    }
    
    message FieldValidator {
        // Uses a Golang RE2-syntax regex to match the field contents.
        optional string regex = 1;
        // Field value of integer strictly greater than this value.
        optional int64 int_gt = 2;
        // Field value of integer strictly smaller than this value.
        optional int64 int_lt = 3;
    
        // ... more ...
    }
    

    从FieldValidator定义的注释中我们可以看到验证器扩展的一些语法:其中regex表示用于字符串验证的正则表达式,int_gt和int_lt表示数值的范围。

    然后采用以下的命令生成验证函数代码:

    protoc  \
        --proto_path=${GOPATH}/src \
        --proto_path=${GOPATH}/src/github.com/google/protobuf/src \
        --proto_path=. \
        --govalidators_out=. --go_out=plugins=grpc:.\
        hello.proto
    

    windows:替换 ${GOPATH} 为 %GOPATH% 即可.

    以上的命令会调用protoc-gen-govalidators程序,生成一个独立的名为hello.validator.pb.go的文件:

    var _regex_Message_ImportantString = regexp.MustCompile("^[a-z]{2,5}$")
    
    func (this *Message) Validate() error {
        if !_regex_Message_ImportantString.MatchString(this.ImportantString) {
            return go_proto_validators.FieldError("ImportantString", fmt.Errorf(
                `value '%v' must be a string conforming to regex "^[a-z]{2,5}$"`,
                this.ImportantString,
            ))
        }
        if !(this.Age > 0) {
            return go_proto_validators.FieldError("Age", fmt.Errorf(
                `value '%v' must be greater than '0'`, this.Age,
            ))
        }
        if !(this.Age < 100) {
            return go_proto_validators.FieldError("Age", fmt.Errorf(
                `value '%v' must be less than '100'`, this.Age,
            ))
        }
        return nil
    }
    

    生成的代码为Message结构体增加了一个Validate方法,用于验证该成员是否满足Protobuf中定义的条件约束。无论采用何种类型,所有的Validate方法都用相同的签名,因此可以满足相同的验证接口。

    通过生成的验证函数,并结合gRPC的截取器,我们可以很容易为每个方法的输入参数和返回值进行验证。

    4.6.2 REST接口

    gRPC服务一般用于集群内部通信,如果需要对外暴露服务一般会提供等价的REST接口。通过REST接口比较方便前端JavaScript和后端交互。开源社区中的grpc-gateway项目就实现了将gRPC服务转为REST服务的能力。

    grpc-gateway的工作原理如下图:

    图 4-2 gRPC-Gateway工作流程

    通过在Protobuf文件中添加路由相关的元信息,通过自定义的代码插件生成路由相关的处理代码,最终将REST请求转给更后端的gRPC服务处理。

    路由扩展元信息也是通过Protobuf的元数据扩展用法提供:

    syntax = "proto3";
    
    package main;
    
    import "google/api/annotations.proto";
    
    message StringMessage {
      string value = 1;
    }
    
    service RestService {
        rpc Get(StringMessage) returns (StringMessage) {
            option (google.api.http) = {
                get: "/get/{value}"
            };
        }
        rpc Post(StringMessage) returns (StringMessage) {
            option (google.api.http) = {
                post: "/post"
                body: "*"
            };
        }
    }
    

    我们首先为gRPC定义了Get和Post方法,然后通过元扩展语法在对应的方法后添加路由信息。其中“/get/{value}”路径对应的是Get方法,{value}部分对应参数中的value成员,结果通过json格式返回。Post方法对应“/post”路径,body中包含json格式的请求信息。

    然后通过以下命令安装protoc-gen-grpc-gateway插件:

    go get -u github.com/grpc-ecosystem/grpc-gateway/protoc-gen-grpc-gateway
    

    再通过插件生成grpc-gateway必须的路由处理代码:

    $ protoc -I/usr/local/include -I. \
        -I$GOPATH/src \
        -I$GOPATH/src/github.com/grpc-ecosystem/grpc-gateway/third_party/googleapis \
        --grpc-gateway_out=. --go_out=plugins=grpc:.\
        hello.proto
    

    windows:替换 ${GOPATH} 为 %GOPATH% 即可.

    插件会为RestService服务生成对应的RegisterRestServiceHandlerFromEndpoint函数:

    func RegisterRestServiceHandlerFromEndpoint(
        ctx context.Context, mux *runtime.ServeMux, endpoint string,
        opts []grpc.DialOption,
    ) (err error) {
        ...
    }
    

    RegisterRestServiceHandlerFromEndpoint函数用于将定义了Rest接口的请求转发到真正的gRPC服务。注册路由处理函数之后就可以启动Web服务了:

    func main() {
        ctx := context.Background()
        ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
        defer cancel()
    
        mux := runtime.NewServeMux()
    
        err := RegisterRestServiceHandlerFromEndpoint(
            ctx, mux, "localhost:5000",
            []grpc.DialOption{grpc.WithInsecure()},
        )
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
    
        http.ListenAndServe(":8080", mux)
    }
    

    启动grpc服务 ,端口5000

    type RestServiceImpl struct{}
    
    func (r *RestServiceImpl) Get(ctx context.Context, message *StringMessage) (*StringMessage, error) {
        return &StringMessage{Value: "Get hi:" + message.Value + "#"}, nil
    }
    
    func (r *RestServiceImpl) Post(ctx context.Context, message *StringMessage) (*StringMessage, error) {
        return &StringMessage{Value: "Post hi:" + message.Value + "@"}, nil
    }
    func main() {
        grpcServer := grpc.NewServer()
        RegisterRestServiceServer(grpcServer, new(RestServiceImpl))
        lis, _ := net.Listen("tcp", ":5000")
        grpcServer.Serve(lis)
    }
    

    首先通过runtime.NewServeMux()函数创建路由处理器,然后通过RegisterRestServiceHandlerFromEndpoint函数将RestService服务相关的REST接口中转到后面的gRPC服务。grpc-gateway提供的runtime.ServeMux类也实现了http.Handler接口,因此可以和标准库中的相关函数配合使用。

    当gRPC和REST服务全部启动之后,就可以用curl请求REST服务了:

    $ curl localhost:8080/get/gopher
    {"value":"Get: gopher"}
    
    $ curl localhost:8080/post -X POST --data '{"value":"grpc"}'
    {"value":"Post: grpc"}
    

    在对外公布REST接口时,我们一般还会提供一个Swagger格式的文件用于描述这个接口规范。

    $ go get -u github.com/grpc-ecosystem/grpc-gateway/protoc-gen-swagger
    
    $ protoc -I. \
      -I$GOPATH/src/github.com/grpc-ecosystem/grpc-gateway/third_party/googleapis \
      --swagger_out=. \
      hello.proto
    

    然后会生成一个hello.swagger.json文件。这样的话就可以通过swagger-ui这个项目,在网页中提供REST接口的文档和测试等功能。

    4.6.3 Nginx

    最新的Nginx对gRPC提供了深度支持。可以通过Nginx将后端多个gRPC服务聚合到一个Nginx服务。同时Nginx也提供了为同一种gRPC服务注册多个后端的功能,这样可以轻松实现gRPC负载均衡的支持。Nginx的gRPC扩展是一个较大的主题,感兴趣的读者可以自行参考相关文档。

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