2019-15 gRPC and Protocol Buffers

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1. 開運研修2019 スキーマファースト開発入門 gRPC & Protocol buffers 編 ymmt
2. スキーマファースト（schema first）とは ▌API の仕様からコードを生成する開発スタイル ⚫ API仕様＝スキーマ ⚫ 仕様と実装の乖離の恐れがない ⚫ コードの多くが自動生成できるので開発コストが減る ▌対称的に、コードから仕様を生成するスタイルもある ⚫ コードファースト（Code First）
3. Agenda ▌Remote Procedure Call （RPC）概説 ▌Protocol Buffers の基本 ▌Protocol Buffers 演習 ▌gRPC の基本 ▌gRPC の演習
4. Remote Procedure Call (RPC) とは ▌関数コールで、他サーバー上のサービスを呼び出す ⚫ 呼び出し関数は stub と称される ⚫ 呼び出される関数本体は別の言語で実装可能 ▌一般に、マシンアーキテクチャや言語に非依存 ⚫ 呼び出し規約はインタフェース記述言語（IDL）で記述 ⚫ IDL をコンパイルして stub 類を生成
5. RPC の特徴 ▌Good ⚫ Stub 関数を使うのは通常とても容易 ⚫ IDL で書かれた仕様は仕様書としても利用可能 ▌Bad ⚫ 実装の隠蔽度合いが強いためチューニングが困難 ⚫ （関数呼び出しなので）同期的な処理が基本
6. IDL コンパイラの仕事 ▌データ構造のシリアライズ・デシリアライズ ⚫ エンディアンに依存しない ⚫ 各言語の型に自然にマッピング ▌Stub およびサーバー実装の生成 ⚫ Stub は完全に自動生成可能 ⚫ サーバー実装は関数本体を除いて自動生成可能 ▌その他 ⚫ 仕様書の出力
7. Protocol Buffers
8. Protocol Buffers とは ▌Google が開発した IDL ⚫ https://developers.google.com/protocol-buffers/ ⚫ Version 2 と3 があるが、これから使うなら 3 で ▌言語サポートが豊富 ⚫ 公式：C++, C#, Dart, Java, JavaScript, Objective-C, PHP, Python, Ruby ⚫ サードパーティー実装も多数存在 https://github.com/protocolbuffers/protobuf/blob/master/docs/third_party.md
9. 特徴 • protoc コマンド（IDLコンパイラ）を簡単に機能拡張できる • gRPC もプラグインで実装 拡張性が高い • 結果として IDL ファイルの可読性が高い 仕様が簡潔 • すべてのフィールドは Optional • IDL にない昔のフィールドは無視 後方互換性への配慮
10. IDL 言語 ▌.proto 拡張子のファイルに書く ▌message を定義していく ⚫ 構造体（struct, object）相当 ⚫ フィールドには数値や文字列といったスカラや他の message, それらの配列（repeated）, mapを指定できる ⚫ 各フィールドにはユニークな数値 ID がある ⚫ フィールドがない場合の既定値が定められている
11. Import と Well-Known-Types ▌他所で定義された Message を再利用できる ⚫ Import する .proto ファイルはローカルにおく必要あり ⚫ ファイルの場所は protoc –IDIR で指定 ▌Well-Known-Types ⚫ Timestamp などよく利用される定義済み Message ⚫ protoc 同梱の .proto ファイルを Import して使う ⚫ 各言語の型に変換するライブラリもある ⚫例：github.com/golang/protobuf/ptypes
12. proto ファイルの例 syntax = “proto3”; // Protocol Buffers v3 であることを宣言 package tutorial; // import する際に使われるパッケージ名 import “google/protobuf/timestamp.proto”; // Well-Known-Types (WKT) option java_package = “com.example.tutorial”; // option は protoc が生成するコードへの指示 option java_outer_classname = “AddressBookProtos”; // message のシリアライズ形式には一切影響しない message Person { string name = 1; // フィールドには数値識別子が必要（1～2^29-1） int32 id = 2; // 19000～19999 の識別子は予約されているので使わない string email = 3; enum PhoneType { MOBILE = 0; // enum は必ず =0 の要素から始めなければいけない HOME = 1; // 0 は、フィールドがないときのデフォルト値となる WORK = 2; } message PhoneNumber { // message の内側に message や enum を定義することができる string number = 1; PhoneType type = 2; } repeated PhoneNumber phones = 4; // repeated のフィールドは 0 個以上の要素を持てる（リスト） google.protobuf.Timestamp last_updated = 5; // import した message はパッケージ名で修飾して参照する }
13. 演習の準備 ▌protoc （と gRPC）が使えるようにしてください ⚫ https://grpc.io/docs/quickstart/ ▌Go, Java, Node 辺りが良いと思います ⚫ 一部の言語はサーバー側の実装に不向きです ⚫ 講師は Go でやります ⚫ https://github.com/ymmt2005/demo-protobuf
14. 演習：シリアライズ・デシリアライズ ▌以下の proto ファイルを使ってデータをシリアライ ズ・デシリアライズしてみましょう ⚫ https://github.com/protocolbuffers/protobuf/blob/master/examples/addressbook.proto ⚫ Protocol Buffers のチュートリアルにヒントがあります ▌シリアライズしたデータをファイルに保存しましょう ⚫ 次の演習のため
15. 演習：proto ファイルの更新 ▌前の proto ファイルにフィールドを足してください ▌足した proto ファイルをコンパイルし、前の演習で保 存したデータをデシリアライズしてみよう ▌余裕があれば、他の言語でデシリアライズしてみよう
16. 演習：protoc-gen-doc で仕様書生成 ▌protoc-gen-doc ⚫ https://github.com/pseudomuto/protoc-gen-doc ⚫ protoc のプラグイン ⚫ HTML や Markdown の仕様書を生成 ⚫ proto ファイルにコメントを足して良い感じにしましょう
17. Further readings ▌Language Specification ⚫ Protocol Buffers v3 の IDL 言語仕様書 ▌Style Guide ⚫ proto ファイルの良い書き方 ▌Backward and Forward Compatibility, Protobuf Versioning, Serialization ⚫ 互換性を維持する方法論
18. gRPC
19. gRPC とは ▌Google が開発した RPC 実装 ▌Protocol Buffers を IDL として採用 ▌Half & Full duplex なストリーム処理をサポート ⚫ イベントの監視などに便利 ▌HTTP/2 frame を利用 ⚫ TCP/IP 必須ではなく UNIX ドメインソケットでもOK
20. gRPC とマイクロサービス ▌以下の理由で gRPC が良く採用されている ⚫ Protocol Buffers で後方互換性を確保しやすい ⚫ IDL ファイルによる仕様の明確化 ⚫ 実装言語の選択肢が多い ⚫ クライアントが自動生成できる ⚫ ストリーム処理が可能
21. service 定義 ▌Protocol Buffers は service も定義できる ⚫ service を gRPC プラグインが解釈してコード生成する ⚫ プラグインがないと単に無視される ▌service は複数の rpc を定義できる ⚫ /service/rpc が HTTP/2 の :path 疑似ヘッダーになる ⚫ HTTP/2 を扱えるリバースプロキシを利用可能 ▌各 rpc には stream 指定ができる
22. service の例 message Empty {} // 引数・戻り値が不要な RPC 用の空メッセージ message GetLVResponse { string name = 1; … } service VGService { rpc GetLVList(Empty) returns (GetLVListResponse); // 引数と戻り値の型はそれぞれひとつの指定が必須 rpc Watch(Empty) returns (stream WatchResponse); // サーバーが WatchResponse をストリームする RPC rpc Notify(stream VGEvent) returns (Empty); // クライアントが VGEvent をストリームする RPC }
23. gRPC ライブラリ ▌gRPC の通信処理はランタイムライブラリで提供 ⚫ Go: https://github.com/grpc/grpc-go ⚫ Java: https://github.com/grpc/grpc-java ⚫ Python: https://grpc.github.io/grpc/python/ ▌gRPC では標準的なエラーコードが定義されている ⚫ 各言語での利用例が以下にある https://github.com/avinassh/grpc-errors
24. 演習：gRPC クライアント ▌以下のリポジトリにある greeter_server に接続する クライアントを開発してみよう ⚫ https://github.com/grpc/grpc-go/tree/master/examples ▌proto ファイルからクライアント用 stub を生成 ⚫ https://github.com/grpc/grpc-go/blob/master/examples/helloworld/helloworld/helloworld.proto
25. 演習：gRPC ストリーミング ▌二人一組で、以下のサービスを proto から設計 ⚫ 要求された間隔毎に、指定された形式で時報を返す ▌片方がサーバーを、片方がクライアントを実装 ▌実装例 ⚫ https://github.com/ymmt2005/demo-grpc
26. Further readings ▌Guides ⚫ 認証やエラー処理といった大事なことが書いてあります ▌go-grpc-middleware ⚫ 分散トレーシングやリクエストログ、rate limit など ▌lvmd ⚫ LVM を操作する gRPC マイクロサービス ⚫ 実例としてどうぞ
27. gRPC-Web ▌https://github.com/grpc/grpc-web ▌Web ブラウザで gRPC プロトコルは使えない ⚫ gRPC は HTTP/2 必須だがブラウザはそうではないため ▌JavaScript で扱えるプロトコル（gRPC-Web）を規定 ⚫ プロキシで gRPC-Web を gRPC に変換 ▌Client-side ストリーミング等わずかな制限あり
28. GraphQL 編に続く