介绍

Golang 中的微服务系列总计十部分,预计每周更新。本系列的解决方案采用了 protobuf 和 gRPC 作为底层传输协议。为什么采用这两个技术呢?我花了相当长的时间,才想出并决定采用这个方案。这个方案对开发者来说,非常清晰而简明。我也很乐意把自己在搭建、测试和部署端到端的微服务过程中的心得,分享给想接触这块的朋友们。

在这个教程中,我们将先接触几个基础的概念和术语,然后开始搭建第一个简单的微服务模型。

本系列中,我们将会创建以下服务:

  • 委托
  • 存货清单
  • 用户
  • 认证
  • 角色
  • 容器

整个技术栈从底至顶主要可划分为:golang、mongodb、grpc、docker、Google Cloud、Kubernetes、NATS、CircleCI、Terraform 和 go-micro。

接下来,你可以根据我的 git 仓库(每篇文章都有自己的分支)中的指导逐步操作,不过必须注意把根据你的开发环境调整 GOPATH 。

同时你需要注意,我是在 Macbook 上开发的,你或许会需要替换 Makefiles 中的 $(GOPATH) 为 $GOPATH 。操作系统不一致带来的问题可能不止这一个,但这里就不一一列举了。

先决条件

  • 掌握 golang 语言和其开发环境
  • 安装 gRPC / protobuf 查看链接
  • 安装 golang 查看链接
  • 按照下列指令,安装 go 的第三方库
go get -u google.golang.org/grpc  
go get -u github.com/golang/protobuf/protoc-gen-go

我们要搭建的是?

我们将搭建的是一个非常通用的微服务 —— 船运集装箱的管理平台。当然,我也可以用微服务搭建一个博客作为例子,但这实在是太简单了,我更希望能够展示分离复杂性的功能。最终我选择了这个管理平台为例,作为一个挑战!

那么,接下来我们先了解几个知识点:

什么是微服务?

在传统的单体应用中,所有系统的特性都被写入单个应用程序中。有时候我们用类型来区分这些特性,例如控制器、单元模块、工厂等等;其它情况下,例如在更大型的应用中,用互相间的关系或者各自的特征来区分应用特性,所以你可能会有授权程序包、好友关系处理包以及文章管理包,这些包可能都有各自的工厂、服务、数据库、数据模型等。不过,最终它们都被塞入了一个代码库中。

微服务就是把第二种解决方案做得更彻底:将原先的关系分离出来,每个程序包都保存到独立的、可运行的代码库中。

为什么选用微服务?

复杂性 —— 依照特性把程序分割成多个微服务,有助于把大块代码分割成更小的模块。正如一句 Unix 中的老格言所说:把一件事做好(doing one thing well)。在单体应用的系统中,各模块倾向于紧密结合,模块间的关系很模糊。这个会导致系统的升级更为危险和复杂、存在更多的潜在 bug、集成的难度更高。

扩展性 —— 在单体应用的系统中,总有特定模块的代码会比其余模块用得更为频繁,而你只能扩大整个库的规模来解决。例如你的鉴权模块被高频率地调用,对系统造成了高负荷的压力。于是你扩大了库规模,而原因仅仅是一个小小鉴权模块。

如果换成了微服务,那么你可以独立地扩大任何一个服务模块,这意味着我们可以更有效地进行横向扩展。这种分离性对多核、多区域的云计算带来了极大的帮助。

Nginx 有个极好的微服务系列,讲述了各种概念,请点击链接访问

为什么选择 Golang?

几乎所有的语言都支持微服务。微服务不是一个具体的框架或工具,而是一个概念。这就意味着,在选择构建微服务的语言中,总有一些更为合适、或者说支持性更好。Golang 就是其中的佼佼者。

Golang 是一个轻量级、运行速度快、对高并发支持极好的语言,很有力地支持了多核、多设备运行的场景。

Golang 在网络服务上,也具有强大的标准库。

目前,已有一个强大的微服务框架 —— go-micro,我们在这个系列中会用到它。

protobuf/gRPC 简介

微服务被分割成多个独立的代码库,这就带来了一个重要的问题 —— 通信。在单体应用的系统中,你可以在代码库的任何地方调用想要的代码,所以不存在通信的问题。而微服务分布在不同的代码库中,不具备直接调用的能力。所以,你需要找到一个途径,使得不同服务之间可以尽可能低延迟地进行数据交互。

这里,我们可以采用传统的 REST 架构,例如通过 http 传输 JSON 或者 XML 。但这种方案会带来了一个问题:服务 A 把原始数据编码成 JSON/XML 格式,发送一长串字符给服务 B,B 通过解码还原成原始数据。不过,当原始数据量很大时,这可能对通信造成严重影响。当我们和网络浏览器的通信时,只要约定了服务间的通信方式、固定了编码和解码方法,那么格式可以任意。

gRPC 就应运而生。gRPC 是一个由 Google 开发、基于 RPC 通信、轻量级的二进制传输协议。这个定义有点复杂,下面请由我细细道来。gRPC 核心数据格式采用的是二进制,而在上面 RESTful 的例子中,我们用的是 JSON 格式,也就是通过 http 发送一串字符串。字符串包括了它的编码格式、长度和其它占用字节的信息,所以总体数据量很大。基于客户端的字符串数据,服务器可以通知传统的浏览器,解析得到预期的数据。但在两个微服务的通信间,我们不需要字符串中的所有数据,所以我们采用难理解但更加轻量的二进制数据进行交互。gRPC 采用的是支持二进制数据的 HTTP 2.0 规范,这个规范还能支持双向的通信流,相当炫酷!HTTP 2 是 gRPC 工作的基础。如果你想进一步了解 HTTP 2,可以点击这个Google 链接

接下来的问题是,二进制数据该如何处理呢?不用担心,gRPC 有一个内部的数字模拟语言,叫 protobuf。Protobuf 支持自定义接口格式,对开发者很友好。

了解 gRPC 和 protobuf,我们准备实战,开始创建第一个服务的定义。首先,在代码库的根目录下创建如下文件 consignment-service/proto/consignment/consignment.proto。目前,为了让这个教程阅读起来更容易,我采用的是单一仓,就是把所有的服务都存放在一个代码库中。对使用单一仓很多争论和反对意见,这边我暂不深入探讨。当然,你在开发中最好把不同的服务和部件存放在分离的代码仓中,这种方式普遍受欢迎,但比较复杂。

在刚才创建的 consignment.proto 文件中,添加如下内容:

// consignment-service/proto/consignment/consignment.proto
syntax = "proto3";

package go.micro.srv.consignment; 

service ShippingService {  
  rpc CreateConsignment(Consignment) returns (Response) {}
}

message Consignment {  
  string id = 1;
  string description = 2;
  int32 weight = 3;
  repeated Container containers = 4;
  string vessel_id = 5;
}

message Container {  
  string id = 1;
  string customer_id = 2;
  string origin = 3;
  string user_id = 4;
}

message Response {  
  bool created = 1;
  Consignment consignment = 2;
}

这是个非常基础的定义的例子,不过还是有几点需要我们掌握。首先,你定义了服务内容,它应该包括你希望暴露给其他服务的方法。接着,你需要定义消息类型,这些数据结构体都非常简洁。正如上面的 Container 结构体,Protobuf 是一种可以自定义的静态类型。每个消息体都是他们自定义的类型。

现在已经使用到了两个库:消息通过 protobuf 处理;服务通过 gRPC 的 protobuf 插件处理,把消息编译成代码,从而进行交互,正如 proto 文件中的 service 部分。

protobuf 定义的结构,可以通过客户端接口,自动生成相应语言的二进制数据和功能。

说到这,我们就来一起给我们的服务创建一个 Makefile,路径如下 $ touch consignment-service/Makefile

build:
    protoc -I. --go_out=plugins=grpc:$(GOPATH)/src/github.com/ewanvalentine/shipper/consignment-service \
      proto/consignment/consignment.proto

这个 Makefile 会调用 protoc 库,将你的 protobuf 编译成对应的代码。同时,我们也指定了 gRPC 插件、编译目录和输出目录。

生成 Makefile 文件后,进入服务所在的文件夹,运行 $ make build 指令,然后你就能在 proto/consignment/ 下看到一个名为 consignment.pb.go 的新 Go 文件。这里使用了 gRPC/protobuf 库,把自定义的 protobuf 结构自动转换成你想要的代码。

接下来,我们就可以正式搭建服务了。进入项目的根目录,创建一个文件 main.go $ touch consignment-service/main.go

// consignment-service/main.go
package main

import (  
    "log"
    "net"

    // 导入生成的 protobuf 代码
    pb "github.com/ewanvalentine/shipper/consignment-service/proto/consignment"
    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
    "google.golang.org/grpc/reflection"
)

const (  
    port = ":50051"
)

type IRepository interface {  
    Create(*pb.Consignment) (*pb.Consignment, error)
}

// Repository - 一个模拟数据存储的虚拟仓库,以后我们会替换成真实的数据仓库
type Repository struct {  
    consignments []*pb.Consignment
}

func (repo *Repository) Create(consignment *pb.Consignment) (*pb.Consignment, error) {  
    updated := append(repo.consignments, consignment)
    repo.consignments = updated
    return consignment, nil
}

// 服务需要实现所有在 protobuf 里定义的方法。
// 你可以参考 protobuf 生成的 go 文件中的接口信息。
type service struct {  
    repo IRepository
}

// CreateConsignment - 目前只创建了这个方法,包括 `ctx` (环境信息)和 `req`(委托请求)两个参数,会通过 gRPC 服务器进行处理
func (s *service) CreateConsignment(ctx context.Context, req *pb.Consignment) (*pb.Response, error) {

    // 保存委托
    consignment, err := s.repo.Create(req)
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    // 返回和 protobuf 中定义匹配的 `Response` 消息
    return &pb.Response{Created: true, Consignment: consignment}, nil
}

func main() {

    repo := &Repository{}

    // 启动 gRPC 服务器。
    lis, err := net.Listen("tcp", port)
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
    }
    s := grpc.NewServer()

    // 注册服务到 gRPC 服务器,会把已定义的 protobuf 与自动生成的代码接口进行绑定。
    pb.RegisterShippingServiceServer(s, &service{repo})

    // 在 gRPC 服务器上注册 reflection 服务。
    reflection.Register(s)
    if err := s.Serve(lis); err != nil {
        log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
    }
}

请仔细阅读代码中的注释,有助于你对这个服务的理解。简单来说,这些代码实现的功能是:在 50051 端口创建一个的 gRPC 服务器,通过 protobuf 生成的消息格式,实现 gRPC 接口交互的逻辑。就这样,你完成了一个完整功能的 gRPC 服务!你可以输入指令 $ go run main.go 来运行这个程序,不过,目前,从界面上你还看不到任何东西。那如何能直观看到这个 gRPC 服务器正常工作了呢?我们来一起创建个与它对接的客户端吧!

下面,我们来写一个命令行交互的程序,用来读取一个包含委托信息的 JSON 文件,和我们已创建的 gRPC 服务器交互。

进入根目录,输入命令行创建一个新的子文件夹 $ mkdir consignment-cli。在文件夹中,创建一个新文件 cli.go,代码如下:

// consignment-cli/cli.go
package main

import (  
    "encoding/json"
    "io/ioutil"
    "log"
    "os"

    pb "github.com/ewanvalentine/shipper/consignment-service/proto/consignment"
    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
)

const (  
    address         = "localhost:50051"
    defaultFilename = "consignment.json"
)

func parseFile(file string) (*pb.Consignment, error) {  
    var consignment *pb.Consignment
    data, err := ioutil.ReadFile(file)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    json.Unmarshal(data, &consignment)
    return consignment, err
}

func main() {  
    // 创建和服务器的一个连接
    conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        log.Fatalf("Did not connect: %v", err)
    }
    defer conn.Close()
    client := pb.NewShippingServiceClient(conn)

    // 和服务器通信,并打印出返回信息
    file := defaultFilename
    if len(os.Args) > 1 {
        file = os.Args[1]
    }

    consignment, err := parseFile(file)

    if err != nil {
        log.Fatalf("Could not parse file: %v", err)
    }

    r, err := client.CreateConsignment(context.Background(), consignment)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Could not greet: %v", err)
    }
    log.Printf("Created: %t", r.Created)
}

同时,再创建一个委托信息文件 consignment-cli/consignment.json

{
  "description": "This is a test consignment",
  "weight": 550,
  "containers": [
    { "customer_id": "cust001", "user_id": "user001", "origin": "Manchester, United Kingdom" }
  ],
  "vessel_id": "vessel001"
}

完成以上步骤后,在 consignment-service 下运行 $ go run main.go,然后打开一个新的终端界面,运行 $ go run cli.go,这时你就能看到一条消息 Created: true。不过,如何我们才能确认,这个委托真正地生成了?让我们继续更新我们的服务,添加一个 GetConsignments 方法,能够看到所有已创建的委托。

首先需要更新我们的 proto 定义(我在修改部分添加了备注)

// consignment-service/proto/consignment/consignment.proto
syntax = "proto3";

package go.micro.srv.consignment;

service ShippingService {  
  rpc CreateConsignment(Consignment) returns (Response) {}

  // 创建一个新方法
  rpc GetConsignments(GetRequest) returns (Response) {}
}

message Consignment {  
  string id = 1;
  string description = 2;
  int32 weight = 3;
  repeated Container containers = 4;
  string vessel_id = 5;
}

message Container {  
  string id = 1;
  string customer_id = 2;
  string origin = 3;
  string user_id = 4;
}

// 创建一个空白的获取请求
message GetRequest {}

message Response {  
  bool created = 1;
  Consignment consignment = 2;

  // 增加一个数组,用来返回委托列表
  repeated Consignment consignments = 3;
}

我们成功地在服务上创建了一个叫 GetConsignments 和 GetRequest 的新方法,后者目前不含任何内容。我们也在回复的消息中,添加了 consignments 参数。你可能会注意到,该参数的类型前有个关键词:repeated。顾名思义,这代表该参数是以数组的方式保存的。

现在,让我们再次运行 $ make build 指令,并启动你的服务,你会看到一个类似 *service does not implement go_micro_srv_consignment.ShippingServiceServer (missing GetConsignments method) 的错误信息。

protobuf 库产生的接口在通信两端必须完全匹配,这是实现 gRPC 的基础。所以,我们需要确认 proto 的定义是否一致。

让我们更新下 consignment-service/main.go 文件:

package main

import (  
    "log"
    "net"

    // 导入生成的 protobuf 代码
    pb "github.com/ewanvalentine/shipper/consignment-service/proto/consignment"
    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
    "google.golang.org/grpc/reflection"
)

const (  
    port = ":50051"
)

type IRepository interface {  
    Create(*pb.Consignment) (*pb.Consignment, error)
    GetAll() []*pb.Consignment
}

// Repository - 一个模拟数据存储的虚拟仓库,以后我们会替换成真实的数据仓库
type Repository struct {  
    consignments []*pb.Consignment
}

func (repo *Repository) Create(consignment *pb.Consignment) (*pb.Consignment, error) {  
    updated := append(repo.consignments, consignment)
    repo.consignments = updated
    return consignment, nil
}

func (repo *Repository) GetAll() []*pb.Consignment {  
    return repo.consignments
}

// 服务需要实现所有在 protobuf 里定义的方法。
// 你可以参考 protobuf 生成的 go 文件中的接口信息。
type service struct {  
    repo IRepository
}

// CreateConsignment - 目前只创建了这个方法,包括 `ctx` (环境信息)和 `req`(委托请求)两个参数,会通过 gRPC 服务器进行处理
func (s *service) CreateConsignment(ctx context.Context, req *pb.Consignment) (*pb.Response, error) {

    // 保存委托
    consignment, err := s.repo.Create(req)
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    // 返回和 protobuf 中定义匹配的 `Response` 消息
    return &pb.Response{Created: true, Consignment: consignment}, nil
}

func (s *service) GetConsignments(ctx context.Context, req *pb.GetRequest) (*pb.Response, error) {  
    consignments := s.repo.GetAll()
    return &pb.Response{Consignments: consignments}, nil
}

func main() {

    repo := &Repository{}

    // 启动 gRPC 服务器。
    lis, err := net.Listen("tcp", port)
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
    }
    s := grpc.NewServer()

    //注册服务到 gRPC 服务器,会把已定义的 protobuf 与自动生成的代码接口进行绑定。
    pb.RegisterShippingServiceServer(s, &service{repo})

    // 在 gRPC 服务器上注册 reflection 服务。
    reflection.Register(s)
    if err := s.Serve(lis); err != nil {
        log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
    }
}

现在,我们引用了新的 GetConsignments 方法、更新了库和接口,也就满足了两边的 proto 定义一致。再次运行 go run main.go 后,服务能正常工作了。

再回到我们的客户端工具,我们通过调用 GetConsignments 这个方法,列出所有的委托:

func main() {
    ... 
    // ·...`表示和之前代码一致,这里不再重复

    getAll, err := client.GetConsignments(context.Background(), &pb.GetRequest{})
    if err != nil {
        log.Fatalf("Could not list consignments: %v", err)
    }
    for _, v := range getAll.Consignments {
        log.Println(v)
    }
}

在原先 main 函数中,找到打印 Created: success 日志的位置,在这之后添加上述代码,然后运行 $ go run cli.go。程序就会创建一个委托,紧接着调用 GetConsignments。当你运行次数越多,委托列表就会越来越长。

注意:为了看起来简洁,我有时会用 ... 来表示和之前的代码完全一致。之后几行新增的代码,需要手动添加到原代码中

到这里,我们通过 protobuf 和 gRPC,完整地创建了一个微服务,以及一个与之交互的客户端。

本系列的下一章节将围绕着集成 go-micro 展开。go-micro 是一个基于微服务的、创建 gRPC 的强大框架。我们也会在下章创建第二个微服务 —— 容器服务。光说“容器”二字也许会令你困惑,这里具体指的是 Docker 中的“容器”概念。我们会在下一章探索微服务在 Docker 容器中的运行情况。

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