[TOC]
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：
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。
