螞蟻金服通訊框架SOFABolt解析 |序列化機制(Serializer)
SOFA
Scalable Open Financial Architecture
是螞蟻金服自主研發的金融級分散式中介軟體，包含了構建金融級雲原生架構所需的各個元件，是在金融場景裡錘鍊出來的最佳實踐。
本文為《螞蟻金服通訊框架SOFABolt解析》系列第二篇，作者魯道，就職於 E 籤寶。
《螞蟻金服通訊框架SOFABolt解析》系列由 SOFA 團隊和原始碼愛好者們出品。
前言
SOFABolt 是一款基於 Netty 最佳實踐，通用、高效、穩定的通訊框架。目前已經運用在了螞蟻中介軟體的微服務，訊息中心，分散式事務，分散式開關，配置中心等眾多產品上。
本文將重點分析 SOFABolt 的序列化機制。
我們知道，但凡在網路中傳輸資料，都涉及到序列化以及反序列化。即將資料編碼成位元組，再把位元組解碼成資料的過程。
例如在 RPC 框架中，一個重要的效能優化點是序列化機制的設計。即如何為服務消費者和和服務提供者提供靈活的，高效能的序列化器。
這裡說的序列化器，不僅僅是指“物件”的序列化器，例如 Hessian，Protostuff，JDK 原生這種“物件”級別的序列化器，而是指“協議”級別的序列化器，“物件”的序列化只是其中一部分。通常“協議”級別的序列化器包含更多的資訊。
下面我們將先從 SOFABolt 的設計及實現入手，進而分析 SOFABolt 詳細的序列化與分序列化流程，最後介紹 SOFABolt 序列化擴充套件。
設計及實現
一個優秀的網路通訊框架，必然要有一個靈活的，高效能的序列化機制。那麼，SOFABolt 序列化機制的設計目標是什麼呢？具體又是如何設計的呢？
首先說靈活，靈活指的是，框架的使用方（這裡指的是網路通訊框架的使用方，例如 RPC，訊息中心等中介軟體）能夠自定義自己的實現，即使用者決定使用什麼型別的序列化以及怎麼序列化。
再說高效，序列化和反序列化事實上是一個重量級的操作，阿里 HSF 作者畢玄在著名的 NFS-RPC框架優化過程（從37k到168k） 文章中提到，其優化 RPC 傳輸效能的第一步就是調整反序列化操作，從而將 TPS 從 37k 提升到 56k。之後又通過更換物件序列化器，又將 TPS 提升了將近 10k。由此可見，合理地設計序列化機制對效能的影響十分巨大。
而 SOFABolt 和 HSF 有著親密的血緣關係，不但有著 HSF 的高效能，甚至在某些地方，優化的更為徹底。
我們現在可以看看 SOFABolt 序列化設計。
介面設計
SOFABolt 設計了兩個介面：
-
Serializer
該介面定義 serialize 方法和 deserialize 方法，用於物件的序列化和反序列化。 - CustomSerializer
該介面定義了很多方法，主要針對自定義協議中的 header 和 content 進行序列化和反序列化。同時提供上下文，以精細的控制時機。
同時，從框架設計的角度說，他們可以稱之為 “核心域”， 他們也被對應的 “服務域” 進行管理。
這裡解釋一下服務域和核心域，在框架設計裡，通常會有“核心域”，“服務域”， “會話域” 這三部分組成。
例如在 Spring 中，Bean 就是核心域，是核心領域模型，所有其他模型都向其靠攏；而 BeanFactory 是服務域，即服務“核心域”的模型，通常長期存在於系統中，且是單例；“會話域” 指的是一次會話產生的物件，會話結束則物件銷燬，例如 Request，Response。
在 SOFABolt 序列化機制中，Serializer 和 CustomSerializer 可以認為是核心域，同時，也有服務於他們的 “服務域”，即 SerializerManager 和 CustomSerializerManager。“會話域” RpcCommand 依賴 “服務域” 獲取 “核心域” 例項。
UML 設計圖如下：
其中紅色部分就是 SOFABolt 序列化機制的核心介面，同時也是使用者的擴充套件介面，他們被各自的 Manager 服務域進行管理，最後，會話域 RpcCommand 依賴著 Manager 以獲取序列化元件。
這兩個介面的使用場景通常在資料被 協議編解碼器 編碼之前或解碼之後，進行處理。
例如在傳送資料之前，協議編碼器 根據通訊協議（如 bolt 協議）進行編碼，編碼之前，使用者需要將資料的具體內容進行序列化，協議編解碼器 再進行更詳細的編碼。
同樣，協議解碼器 在接收到 Socket 傳送來的位元組後，根據協議將位元組解碼成物件，但是，物件的內容還是位元組，需要使用者進行反序列化。
一個比較簡單的流程圖就是這樣的:
上圖中，假設場景是 Client 傳送資料給 Server，那麼，編解碼器負責將位元組流解碼成 Command 物件，序列化器負責將 Command 物件裡的內容反序列化成業務物件，從設計模式的角度看，這裡是 GOF 中 “命令模式”和“職責鏈模式”的組合設計。
看完了設計，再看看實現。
介面實現
我們可以看看這兩個介面的實現。
- Serializer
Serializer 介面在 SOFABolt 中已有預設實現，即 HessianSerializer，目前使用的是 hessian-3.3.0 版本。通過一個 SerializerManager 管理器進行管理。注意，這個管理器內部使用的是陣列，而不是 Map，這在上文畢玄的文章也曾提到：通過使用陣列替換成 Map，NFS-RPC 框架的 TPS 從 153k 提升到 160k。事實上，任何對效能非常敏感的框架，__能用陣列就絕不用 Map__，例如 Netty 的 FastThreadLocal，也是如此。
當然，Serializer 介面使用者也是可以擴充套件的，例如使用 protostuff，FastJson，kryo 等，擴充套件後，通過 SerializerManager 可以將自己的序列化器新增到 SOFABolt 中。注意：這裡的序列化 type 實際就是上面提到的陣列的下標，所以不能和其他序列化器的下標有衝突。
- CustomSerializer
再說 CustomSerializer，這個介面也是有預設實現的，使用者也可以選擇自己實現，我們這裡以 SOFARPC 為例。
SOFARPC 在其擴充套件模組 sofa-rpc-remoting-bolt 中，通過實現 CustomSerializer 介面，自己實現了序列化 header，content。
這裡稍微擴充套件講一下 header 和 content。實際上，header 和 content 類似 http 協議的訊息頭和訊息體，header 和 content 中到底存放什麼內容，取決於協議設計者。
例如在 SOFARPC 的協議中，header 裡存放的是一些擴充套件屬性和元資訊上下文。而 content 中存放的則是主要的一些資訊，比如 request 物件，request 物件裡就存放了 RPC 呼叫中常用資訊了，例如引數，型別，方法名稱。
同時，CustomSerializer 介面定義的方法中，提供了 InvokeContext 上下文，例如是否泛化呼叫等資訊，當進行序列化時，將是否泛型的資訊放入上下文，反序列化時，再從上下文中取出該屬性，即可正確處理泛化呼叫。
注意，如果使用者已經自己實現了 CustomSerializer 介面，那麼 SOFABolt 的 SerializerManager 中設定的序列化器將不起作用！因為 SOFABolt 優先使用使用者的序列化器。
具體程式碼如下：
行文至此，討論的都是“靈活”這個設計，即使用者既可以使用 SOFABolt 預設的序列化器，也可以使用自定義序列化器做更多的定製，值得注意的是： SOFABolt 優先使用使用者的序列化器。
讓我們再談談序列化的高效能部分 。
效能優化
上文提到，序列化和反序列化是重量級操作。通常，對效能敏感的框架都會對這一塊進行效能優化。
一般對序列化操作進行效能優化有以下三個實踐：
1. 減少欄位，即使用更加複雜的對映從而減少網路中欄位的傳輸和編解碼。
2. 使用零拷貝的序列化器，例如利用 Protostuff 實現序列化零拷貝。通常的反序列化都是 ByteBuf-->byte[]-->Biz 轉換過程，我們可以將中間的 byte[] 轉換過程砍掉，實現序列化的零拷貝。
- 將欄位拆分在不同的執行緒裡進行反序列化。
限於篇幅，本文將重點介紹第三點。
我們以 SOFARPC 協議為例，序列化內容包括 4 個部分：
- 基本欄位（固定24位元組）
- ClassName(變長位元組)
- Header（變長位元組）
- Content（變長位元組）
可以看到，基本欄位資料很少，序列化的主要壓力在後 3 個部分。
注意： 在請求傳送階段，即呼叫 Netty 的 writeAndFlush 介面之前，會在業務執行緒做好序列化，這部分沒什麼壓力。
但是，反序列化就不同了。
我們知道，高效能的網路框架基本都是使用的 Reactor 模型，即一個執行緒掛載多個 Channel（Socket），這個執行緒一般稱之為 IO 執行緒，如果這個執行緒執行任務耗時過長，將影響該執行緒下所有 Channel 的響應時間。無論是 Netty 的主要 Commiter —— Norman 還是 HSF 作者畢玄，都曾提出：永遠不要在 IO 執行緒做過多的耗時任務或者阻塞 IO 執行緒。
因此，為了效能考慮，這 3 個欄位通常不會都在 IO 執行緒中進行反序列化。
在 SOFABolt 預設的 RPC 協議實現中，__預設 IO 執行緒只反序列化 ClassName__，剩下的內容由業務執行緒反序列化。同時，為了最大程度配合業務特性，保證整體吞吐量， SOFABolt 設計了精細的開關來控制反序列化時機:
其中，SOFABolt 提供了一個介面，用於定義是否在 IO 執行緒執行所有任務：
- UserProcessor#processInIOThread
- 如果使用者返回 true，表示，所有的序列化及業務邏輯都在 IO 執行緒中執行。
- 反之，如果返回 fasle 且使用者使用了執行緒池隔離策略，那麼就由 IO 執行緒反序列化 header + className。
- 最後，如果返回 false，但使用者沒有使用執行緒池隔離策略，那麼所有的反序列化和業務邏輯則都在預設（Server預設或者業務預設）執行緒池執行。
虛擬碼如下：
流程分析
為了直觀的描述 SOFABolt 序列化與反序列化流程， 我們將會給出物件處理的時序圖。實際上，應該有 4 種序列圖：
- Request 物件的序列化
- Request 物件的反序列化
- Response 物件的序列化
- Response 物件的反序列化
但限於篇幅，本文只給出 2 和 3 的序列圖，只當拋磚引玉，有興趣的同學可以自己檢視原始碼：）
首先是客戶端序列化 Response 物件。
然後是服務端反序列化 Request 物件，實際上，效能優化通常就是在這個呼叫序列中 :）
注意，上圖 “處理器根據使用者設定進行精細
反序列化” 步驟，就是 SOFABolt 對序列化優化的核心步驟。
擴充套件設計
為了方便使用者自定義序列化需求，SOFABolt 提供了兩種擴充套件方式設計：
1. 簡單的物件序列化擴充套件，例如 hessian，json，protostuff
如上文所述，如果沒有自定義 header 和 content 的需求，那麼直接使用 SOFABolt 的預設序列化即可，你可以通過以下方式來更換不同的序列化器（預設 hessian）：
2. 擴充套件 CustomSerializer 介面，自定義序列化 header，content
如果你需要自定義序列化，那麼你可以參考 SOFARPC 的方式，自己實現 CustomSerializer 介面，然後將其註冊到 SOFABolt 中，示例程式碼：
同時，SOFABolt 原始碼中有更詳細的示例程式碼，地址：使用示例
總結
上文闡述了 SOFABolt 序列化的設計與實現，以及 SOFABolt 的序列化詳細機制，這裡再做一下總結：
-
靈活的控制反序列化時機的重要性
由於服務提供者需要提供__高效能__的服務，通常使用 Reactor 模型的架構，那麼，就需要注意：通常不能在 IO 執行緒做耗時操作。因此，SOFABolt 預設只在 IO 執行緒反序列化少量資料（ClassName），其餘的資料都由業務執行緒進行反序列化，以最大化的利用 IO 執行緒處理連線的能力。 同時，SOFABolt 也提供了更多場景的下的反序列化時機，例如 IO 密集型的業務，為了防止大量上下文切換，就可以直接在 IO 執行緒處理所有任務，包括業務邏輯。同時也停供業務執行緒池隔離的場景，此時 IO 執行緒在反序列化 ClassName 的基礎上，再反序列化 header，剩下的交有業務執行緒池。不可謂不靈活。 -
可擴充套件機制的重要性
一個好的設計的框架，通常遵守 "微核外掛式，平等對待第三方規則，如果做不到微核，至少要平等對待第三方， 原作者要把自己當作擴充套件者，這樣才能保證框架的可持續性及由內向外的穩定性"。 SOFABolt 的序列化器，使用者可以自定義擴充套件，無論是簡單的修改物件序列化器，還是自定義整個 header 和 content 的序列化，都是非常簡單的。讓使用者可以方便的擴充套件。因此，無論你是 RPC 中介軟體，還是訊息佇列中介軟體，使用 SOFABolt 來進行序列化都是非常的方便。
好了，本文到這裡，關於 SOFABolt 的序列化機制部分就介紹完畢了，讀者如果對序列化機制有什麼疑問，可在下方評論與作者溝通 ，期待共同交流 :-)
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