gRPC服务的响应设计

1. 服务端响应的现状

做后端服务的开发人员对错误处理总是很敏感的，因此在做服务的响应(response/reply)设计时总是会很慎重。

如果后端服务选择的是HTTP API(rest api)，比如json over http，API响应(Response）中大多会包含如下信息：

{
 "code": 0,
 "msg": "ok",
 "payload" : {
        ... ...
 }
}

在这个http api的响应设计中，前两个状态标识这个请求的响应状态。这个状态由一个状态代码(code)与状态信息(msg)组成。状态信息是对状态代码所对应错误原因的详细诠释。只有当状态为正常时(code = 0)，后面的payload才具有意义。payload显然是在响应中意图传给客户端的业务信息。

这样的服务响应设计是目前比较常用且成熟的方案，理解起来也十分容易。

好，现在我们看看另外一大类服务：采用RPC方式提供的服务。我们还是以使用最为广泛的gRPC为例。在gRPC中，一个service的定义如下(我们借用一下grpc-go提供的helloworld示例^[1])：

// https://github.com/grpc/grpc-go/blob/master/examples/helloworld/helloworld/helloworld.proto
package helloworld;

// The greeting service definition.
service Greeter {
  // Sends a greeting
  rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}
}

// The request message containing the user's name.
message HelloRequest {
  string name = 1;
}

// The response message containing the greetings
message HelloReply {
  string message = 1;
}

grpc对于每个rpc方法(比如SayHello)都有约束，只能有一个输入参数和一个返回值。这个.proto定义通过protoc生成的go代码变成了这样：

// https://github.com/grpc/grpc-go/blob/master/examples/helloworld/helloworld/helloworld_grpc.pb.go
type GreeterServer interface {
 // Sends a greeting
    SayHello(context.Context, *HelloRequest) (*HelloReply, error)
    ... ...
}

我们看到对于SayHello RPC方法，protoc生成的go代码中，SayHello方法的返回值列表中多了一个Gopher们熟悉的error返回值。对于已经习惯了HTTP API那套响应设计的gopher来说，现在问题来了! http api响应中表示响应状态的code与msg究竟是定义在HelloReply这个业务响应数据中，还是通过error来返回的呢？这个grpc官方文档似乎也没有明确说明（如果各位看官找到位置，可以告诉我哦）。

2. gRPC服务端响应设计思路

我们先不急着下结论！我们继续借用helloworld这个示例程序来测试一下当error返回值不为nil时客户端的反应！先改一下greeter_server^[2]的代码：

// SayHello implements helloworld.GreeterServer
func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) { 
    log.Printf("Received: %v", in.GetName())
    return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.GetName()}, errors.New("test grpc error")
}

在上面代码中，我们故意构造一个错误并返回给调用该方法的客户端。我们来运行一下这个服务并启动greeter_client^[3]来访问该服务，在客户端侧，我们得到的结果如下：

2021/09/20 17:04:35 could not greet: rpc error: code = Unknown desc = test grpc error

从客户端的输出结果中，我们看到了我们自定义的错误的内容(test grpc error)。但我们还发现错误输出的内容中还有一个"code = Unknown"的输出，这个code是从何而来呢？似乎grpc期待的error形式是包含code与desc的形式。

这时候就不得不查看一下gprc-go(v1.40.0)的参考文档^[4]了！在grpc-go的文档中我们发现几个被DEPRECATED的与Error有关的函数：

在这几个作废的函数的文档中都提到了用status包的同名函数替代。那么这个status包又是何方神圣？我们翻看grpc-go的源码，终于找到了status包，在包说明的第一句中我们就找到了答案：

Package status implements errors returned by gRPC. 

原来status包实现了上面grpc客户端所期望的error类型。那么这个类型是什么样的呢？我们逐步跟踪代码：

在grpc-go/status包中我们看到如下代码：

type Status = status.Status

// New returns a Status representing c and msg.
func New(c codes.Code, msg string) *Status {
    return status.New(c, msg)
}

status包使用了internal/status包中的Status，我们再来看internal/status包中Status结构的定义：

// internal/status
type Status struct {
    s *spb.Status
}

// New returns a Status representing c and msg.
func New(c codes.Code, msg string) *Status {
    return &Status{s: &spb.Status{Code: int32(c), Message: msg}}
}

internal/status包的Status结构体组合了一个*spb.Status类型(google.golang.org/genproto/googleapis/rpc/status包中的类型)的字段，继续追踪spb.Status:

// https://pkg.go.dev/google.golang.org/genproto/googleapis/rpc/status
type Status struct {
 // The status code, which should be an enum value of [google.rpc.Code][google.rpc.Code].
 Code int32 `protobuf:"varint,1,opt,name=code,proto3" json:"code,omitempty"`
 // A developer-facing error message, which should be in English. Any
 // user-facing error message should be localized and sent in the
 // [google.rpc.Status.details][google.rpc.Status.details] field, or localized by the client.
 Message string `protobuf:"bytes,2,opt,name=message,proto3" json:"message,omitempty"`
 // A list of messages that carry the error details.  There is a common set of
 // message types for APIs to use.
 Details []*anypb.Any `protobuf:"bytes,3,rep,name=details,proto3" json:"details,omitempty"`
 // contains filtered or unexported fields
}

我们看到最后的这个Status结构包含了Code与Message。这样一来，grpc的设计意图就很明显了，它期望开发者在error这个返回值中包含rpc方法的响应状态，而自定义的响应结构体只需包含业务所需要的数据即可。我们用一幅示意图来横向建立一下http api与rpc响应的映射关系：

有了这幅图，再面对如何设计grpc方法响应这个问题时，我们就胸有成竹了！

grpc-go在codes包^[5]中定义了grpc规范要求的10余种错误码：

const (
 // OK is returned on success.
 OK Code = 0

 // Canceled indicates the operation was canceled (typically by the caller).
 //
 // The gRPC framework will generate this error code when cancellation
 // is requested.
 Canceled Code = 1

 // Unknown error. An example of where this error may be returned is
 // if a Status value received from another address space belongs to
 // an error-space that is not known in this address space. Also
 // errors raised by APIs that do not return enough error information
 // may be converted to this error.
 //
 // The gRPC framework will generate this error code in the above two
 // mentioned cases.
 Unknown Code = 2

 // InvalidArgument indicates client specified an invalid argument.
 // Note that this differs from FailedPrecondition. It indicates arguments
 // that are problematic regardless of the state of the system
 // (e.g., a malformed file name).
 //
 // This error code will not be generated by the gRPC framework.
 InvalidArgument Code = 3

    ... ...

 // Unauthenticated indicates the request does not have valid
 // authentication credentials for the operation.
 //
 // The gRPC framework will generate this error code when the
 // authentication metadata is invalid or a Credentials callback fails,
 // but also expect authentication middleware to generate it.
 Unauthenticated Code = 16

在这些标准错误码之外，我们还可以扩展定义自己的错误码与错误描述。

3. 服务端如何构造error与客户端如何解析error

前面提到，gRPC服务端采用rpc方法的最后一个返回值error来承载应答状态。google.golang.org/grpc/status包为构建客户端可解析的error提供了一些方便的函数，我们看下面示例（基于上面helloworld的greeter_server^[6]改造）：

func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) {
    log.Printf("Received: %v", in.GetName())
    return nil, status.Errorf(codes.InvalidArgument, "you have a wrong name: %s", in.GetName())
}

status包提供了一个类似于fmt.Errorf的函数，我们可以很方便的构造一个带有code与msg的error实例并返回给客户端。

而客户端同样可以通过status包提供的函数将error中携带的信息解析出来，我们看下面代码：

ctx, _ := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second)
r, err := c.SayHello(ctx, &pb.HelloRequest{Name: "tony")})
if err != nil {
    errStatus := status.Convert(err)
    log.Printf("SayHello return error: code: %d, msg: %s\n", errStatus.Code(), errStatus.Message())
}
log.Printf("Greeting: %s", r.GetMessage())

我们看到：通过status.Convert函数可以很简答地将rpc方法返回的不为nil的error中携带的信息提取出来。

4. 空应答

gRPC的proto文件规范要求每个rpc方法的定义中都必须包含一个返回值，返回值不能为空，比如上面helloworld项目的.proto文件中的SayHello方法：

rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {}

如果去掉HelloReply这个返回值，那么protoc在生成代码时会报错！

但是有些方法本身不需要返回业务数据，那么我们就需要为其定义一个空应答消息，比如：

message Empty {

}

考虑到每个项目在遇到空应答时都要重复造上面Empty message定义的轮子，grpc官方提供了一个可被复用的空message：

// https://github.com/protocolbuffers/protobuf/blob/master/src/google/protobuf/empty.proto

// A generic empty message that you can re-use to avoid defining duplicated
// empty messages in your APIs. A typical example is to use it as the request
// or the response type of an API method. For instance:
//
//     service Foo {
//       rpc Bar(google.protobuf.Empty) returns (google.protobuf.Empty);
//     }
//
// The JSON representation for `Empty` is empty JSON object `{}`.
message Empty {}

我们只需在.proto文件中导入该empty.proto并使用Empty即可，比如下面代码：

// xxx.proto

syntax = "proto3";
  
import "google/protobuf/empty.proto";

service MyService {
 rpc MyRPCMethod(...) returns (google.protobuf.Empty);
}

当然google.protobuf.Empty不仅仅适用于空响应，也适合空请求，这个就留给大家可自行完成吧。

5. 小结

本文我们讲述了gRPC服务端响应设计的相关内容，最主要想说的是直接使用gRPC生成的rpc方面的error返回值来表示rpc调用的响应状态，不要再在自定义的Message结构中重复放入code与msg字段来表示响应状态了。

btw，做API的错误设计，google的这份API设计方面的参考资料^[7]是十分好的。有时间一定要好好读读哦。

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参考资料