4.6 gRPC 和 Protobuf 扩展

4.6 gRPC 和 Protobuf 扩展

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：

4.6 gRPC 和 Protobuf 扩展 - 图1

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。