认识 Protobuf 及其简单使用

柔情只为你懂 2023-10-10 19:06 23阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、序列化与反序列化
 *   *  1.1 序列化
     *  1.2 反序列化
     *  1.3 序列化与反序列化的使用场景
 *  二、初识 Protobuf
 *  三、Protobuf 的安装
 *  四、Protobuf 的使用案例
 *   *  4.1 创建并编写 .proto 文件的基本规范与语法
     *  4.2 编译 .proto 文件
     *  4.3 序列化与反序列化的使用
 *  五、总结 ProtoBuf 的使用特点

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# 一、序列化与反序列化 #

序列化和反序列化是在计算机科学中常见的概念，用于将对象或数据结构转换为字节流的过程，以便在网络上传输或存储在磁盘上，并在需要时重新构建成原始对象。

## 1.1 序列化 ##

序列化（Serialization）是指**将对象或数据结构转换为字节流的过程**。在序列化过程中，对象的状态被转换为一系列的字节，可以包括对象的属性值、方法等信息。这些字节可以被存储在磁盘上或通过网络传输。

## 1.2 反序列化 ##

反序列化（Deserialization）是**指将字节流转换回对象或数据结构的过程**。在反序列化过程中，字节流被解析，并恢复为原始的对象或数据结构，使其可以被程序进一步使用。

## 1.3 序列化与反序列化的使用场景 ##

序列化和反序列化在许多应用场景中都是很有用的。一些常见的应用包括：

1.  对象持久化：通过序列化，可以将对象保存到磁盘上，以便在以后的时间点重新加载和使用。这在应用程序重启或数据传输的情况下非常有用。
2.  远程通信：当不同的系统或应用程序需要进行通信时，可以通过序列化将对象转换为字节流并在网络上传输。接收方可以通过反序列化将字节流重新构建成对象并进行处理。
3.  缓存和消息队列：序列化和反序列化可以在缓存系统或消息队列中使用，以便将对象存储在内存中或在不同的应用程序之间传递消息。

不同的编程语言和框架通常提供了序列化和反序列化的库或工具，用于简化这些过程。常见的序列化格式包括 `JSON（JavaScript Object Notation）`、`XML（eXtensible Markup Language）`、`Protocol Buffers` 等。选择适当的序列化格式取决于应用的需求和使用场景。

# 二、初识 Protobuf #

*  Protobuf (Protocol Buffers) 是一种**用于序列化结构化数据的语言无关、平台无关的开源数据交换格式**。它由Google开发，并在许多不同的应用程序和系统中广泛使用。
 *  Protobuf 的主要目标是提供一种高效、灵活和可扩展的方式来序列化结构化数据，使其可以在不同的平台和语言之间进行通信和存储。**与其他序列化格式（如XML和JSON）相比，Protobuf具有更高的性能和更小的数据尺寸**。
 *  使用Protobuf，我们可以**定义数据的结构和格式，然后使用 `protoc` 编译器生成与不同编程语言兼容的类或结构体**。这些生成的类或结构体提供了一组方法，用于将数据序列化为 Protobuf 格式，以及从 Protobuf 格式反序列化回原始数据。
 *  Protobuf 支持包括C++、Java、Python、Go、C\#等多种编程语言，使得**不同语言的应用程序能够通过序列化和反序列化Protobuf 消息来进行跨平台和跨语言的通信**。
 *  总结起来，Protobuf 是一种用于**序列化结构化数据的高性能、可扩展和跨平台的数据交换格式**，它提供了一种定义数据结构的方式，并生成与多种编程语言兼容的代码。

# 三、Protobuf 的安装 #

关于 ProtoBuf 的安装可以参考我的另一篇博客：[Windows 和 Linux 环境下 ProtoBuf 的安装][Windows _ Linux _ ProtoBuf]。

# 四、Protobuf 的使用案例 #

这里我们以通讯录中的联系人为例：

*  对一个联系人的简单信息使用 Protobuf 进行序列化，并将结果保存到文件中。
 *  对序列化后的内容使用 Protobuf 进行反序列化，解析出联系⼈信息并打印出来。

## 4.1 创建并编写 .proto 文件的基本规范与语法 ##

**文件规范：**

*  创建`.proto`文件时，文件命名应该使用全小写字母进行命名，多个字母之间使用`_`连接，例如：`lower_snake_case.proto`。

**添加注释：**

*  向⽂件添加注释，可使用`//` 或者 `/* ... */`。

**指定 proto3 语法：**

*  Protocol Buffers 语⾔版本3，简称 `proto3`，是`.proto`文件最新的语法版本。`proto3`简化了 Protocol Buffers 语⾔，既易于使用，⼜可以在更⼴泛的编程语⾔中使⽤。即允许使用 Java、C++、Python等多种语言生成 Protocol Buffer 代码。
 *  在`.proto`文件中，要使用 `syntax = "proto3";`来指定文件语法为`proto3`，并且必须写在除去注释内容的第一行。如果没有指定，编译器会使用`proto2`语法。

**package 声明符：**

*  `package`是⼀个可选的声明符，能表示`.proto`文件的命名空间，在项目中要有唯⼀性。它的作用是为了避免我们定义的消息出现冲突。
 *  其语法为`package 作用域名称;`。

**定义消息（message）：**

*  消息（message）即要定义的结构化对象，可以在这个结构化对象中定义其对应的属性内容。
 *  为什么要定义消息？

>  *  在网络传输中，我们需要为传输双方定制协议。定制协议其实就是定义结构体或者结构化数据，比如`TCP`、`UDP` 报文就是结构化的数据。
>  *  另外将数据持久化存储到数据库时，也会将⼀系列元数据统⼀使用对象组织起来，再进行存储。

所以 Protobuf 就是以定义 `message` 的方式来支持我们定制协议字段，后期帮助我们形成类和方法来使用的。

**定义消息字段：**  
在 `message` 中我们可以定义其属性字段，字段定义格式为：`字段类型 字段名 = 字段唯⼀编号；`

*  字段名称命名规范：全小写字⺟，多个字⺟之间⽤`_`连接。
 *  字段类型分为：标量数据类型 和 特殊类型（包括枚举、其他消息类型等）。
 *  字段唯⼀编号：⽤来标识字段，⼀旦开始使⽤就不能够再改变。

以下表格展示了定义于消息体中的标量数据类型，以及编译`.proto`文件之后自动生成的类中与之对应的 C++语言 中的字段类型。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>.proto Type</th> 
   <th>Notes</th> 
   <th>C++ Type</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>double</td> 
   <td>双精度浮点数。</td> 
   <td>double</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>float</td> 
   <td>单精度浮点数。</td> 
   <td>float</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int32</td> 
   <td>使用变长编码。负数的编码效率较低，若字段可能为负值，应使用 sint32 代替。</td> 
   <td>int32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int64</td> 
   <td>使用变长编码。负数的编码效率较低，若字段可能为负值，应使用 sint64 代替。</td> 
   <td>int64</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>uint32</td> 
   <td>使用变长编码。</td> 
   <td>uint32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>uint64</td> 
   <td>使用变长编码。</td> 
   <td>uint64</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>sint32</td> 
   <td>使用变长编码。符号整型，负值的编码效率⾼于常规的 int32 类型。</td> 
   <td>int32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int64</td> 
   <td>使用变长编码。符号整型，负值的编码效率⾼于常规的 int64 类型。</td> 
   <td>int64</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fixed32</td> 
   <td>定长 4 字节。若值常大于 2^28 则会比 uint32 更高效。</td> 
   <td>uint32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fixed64</td> 
   <td>定长 8 字节。若值常大于 2^56 则会比 uint64 更高效。</td> 
   <td>uint64</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>sfixed32</td> 
   <td>定长 4 字节。</td> 
   <td>int32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>sfixed64</td> 
   <td>定长 8 字节。</td> 
   <td>int64</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bool</td> 
   <td>布尔类型</td> 
   <td>bool</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>string</td> 
   <td>包含 UTF-8 和 ASCII 编码的字符串，长度不能超过 2^32。</td> 
   <td>string</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bytes</td> 
   <td>可包含任意的字节序列，但长度不能超过 2^32。</td> 
   <td>string</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

值得⼀提的是，范围为 1 ~ 15 的字段编号需要⼀个字节进行编码，16 ~ 2047 内的数字需要两个字节进行编码。编码后的字节不仅只包含了编号，还包含了字段类型。所以 1 ~ 15 要用来标记出现非常频繁的字段，因此这些字段编号要为将来有可能添加的，频繁出现的字段预留⼀些出来。

**创建并编写`contacts.proto`文件：**

syntax = "proto3"; // 首行：语法指定
    package contacts2; //指定作用域
    
    message PeopleInfo 
    {
        
        string name = 1; //姓名
        int32 age = 2;   //年龄
        // repeated string phone_numbers = 3;
    
        // 嵌套定义message
        message Phone 
        {
        
            string number = 1;
        }
    
        repeated Phone phone = 3; //电话信息
    }
    
    //通讯录message
    message Contacts 
    {
        
        repeated PeopleInfo contacts = 1; 
    }

## 4.2 编译 .proto 文件 ##

**编译命令：**

*  编译命令行格式为：

protoc [--proto_path=IMPORT_PATH] --cpp_out=DST_DIR path/to/file.proto
    # protoc 是 Protocol Buffer 提供的命令⾏编译⼯具。
    # --proto_path 指定 被编译的.proto⽂件所在⽬录，可多次指定。可简写成 -I
    # IMPORT_PATH 如不指定该参数，则在当前⽬录进⾏搜索。当某个.proto ⽂件 import 其他 .proto ⽂件时，或需要编译的 .proto ⽂件不在当前⽬录下，这时就要⽤ -I 来指定搜索⽬录。
    # --cpp_out= 指编译后的⽂件为 C++ ⽂件。
    # OUT_DIR 编译后⽣成⽂件的⽬标路径。
    # path/to/file.proto 要编译的.proto⽂件。

*  编译 `contacts.proto`文件命令如下：

protoc --cpp_out=. contacts.proto

**编译 `contacts.proto` 文件后会生成什么?**

*  编译 `contacts.proto` 文件后，会生成所选择语⾔的代码，这里选择的是C++，所以编译后生成了两个文件： `contacts.pb.h` 和 `contacts.pb.cc` 。
 *  对于编译生成的 C++ 代码，包含了以下内容：

>  *  对于每个 `message`，都会⽣成⼀个对应的消息类。
>  *  在消息类中，编译器为每个字段提供了获取和设置方法，以及其他能够操作字段的方法。
>  *  编辑器会针对于每个 `.proto` 文件生成`.h` 和`.cc` 文件，分别用来存放类的声明与类的实现。

**`contacts.pb.h`部分代码展式：**

class PeopleInfo final : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {
        
    public:
    	using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::CopyFrom;
    	void CopyFrom(const PeopleInfo& from);
    	using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::MergeFrom;
    	void MergeFrom( const PeopleInfo& from) {
        
    	PeopleInfo::MergeImpl(*this, from);
    	}
    	
    	static ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::StringPiece FullMessageName() {
        
    	return "PeopleInfo";
    	}
    	
    	// string name = 1;
    	void clear_name();
    	const std::string& name() const;
    	template <typename ArgT0 = const std::string&, typename... ArgT>
    	void set_name(ArgT0&& arg0, ArgT... args);
    	std::string* mutable_name();
    	PROTOBUF_NODISCARD std::string* release_name();
    	void set_allocated_name(std::string* name);
    	
    	// int32 age = 2;
    	void clear_age();
    	int32_t age() const;
    	void set_age(int32_t value);
    };

上述的代码中：  
• 每个字段都有设置和获取的⽅法，`getter`的名称与小写字段完全相同，`setter`方法以`set_`开头。  
• 每个字段都有⼀个`clear_` 方法，可以将字段重新设置回`empty`状态。

`contacts.pb.cc`中的代码就是对类声明方法的实现，这里就不进行展示了。

到这里我们可能就有疑惑了，那之前提到的序列化和反序列化方法在哪⾥呢？其实通过不断的翻阅生成的源代码，可以发现在消息类`Message`的⽗类 `MessageLite` 中，里面提供了读写消息实例的方法，包括序列化和反序列化方法。

class MessageLite {
        
    public:
    //序列化：
    bool SerializeToOstream(ostream* output) const; // 将序列化后数据写⼊⽂件流
    bool SerializeToArray(void *data, int size) const;
    bool SerializeToString(string* output) const;
    
    //反序列化：
    bool ParseFromIstream(istream* input); // 从流中读取数据，再进⾏反序列化动作
    bool ParseFromArray(const void* data, int size);
    bool ParseFromString(const string& data);
    };

**注意：**

*  序列化的结果为⼆进制字节序列，而非文本格式。
 *  以上三种序列化的⽅法没有本质上的区别，只是序列化后输出的格式不同，可以供不同的应用场景使用。
 *  序列化的 API 函数均为 const 成员函数，因为序列化不会改变类对象的内容，而是将序列化的结果保存到函数入参指定的地址中。
 *  详细 `message API` 可以参考 [Protobuf 官方文档][Protobuf]。

## 4.3 序列化与反序列化的使用 ##

分别创建`write.cc`和`read.cc`源文件：

*  其中`write.cc`负责将输入的联系人信息序列化，任何保存到文件中。
 *  `read.cc`负责从文件中读取数据，然后将其反序列化为联系人对象，然后打印出来。

**write.cc：**

#include <iostream>
    #include <fstream>
    #include "contacts.pb.h"
    
    using namespace std;
    
    void AddPeopleInfo(contacts2::PeopleInfo *people)
    {
        
        cout << "-------------新增联系⼈-------------" << endl;
    
        cout << "请输入联系人姓名：";
        string name;
        getline(cin, name);
        people->set_name(name);
    
        cout << "请输入联系人年龄：";
        int age;
        cin >> age;
        people->set_age(age);
        cin.ignore(256, '\n'); // 清除缓冲区中的回车等数据，直到遇到‘\n’；
                               // 如果清除个256字符还没遇到‘\n’，也会停下来；
                               // 缓冲区内容不足256，也没有遇到‘\n’，也会停止
    
        for (int i = 0;; ++i)
        {
        
            cout << "请输⼊联系⼈电话" << i + 1 << "(只输⼊回⻋完成电话新增): ";
            string number;
            getline(cin, number);
            if (number.empty())
            {
        
                break;
            }
    
            contacts2::PeopleInfo_Phone *phone = people->add_phone();
            phone->set_number(number);
        }
    
        cout << "-----------添加联系⼈成功-----------" << endl;
    }
    
    main()
    {
        
        contacts2::Contacts contacts;
    
        // 先读取本地已经存在的通讯录文件
        fstream input("contacts.bin", ios::in | ios::binary);
        if (!input)
        {
        
            cout << "contacts.bin not found, create a new file!" << std::endl;
        }
        else if (!contacts.ParseFromIstream(&input))
        {
        
            cerr << "parse error!" << endl;
            input.close();
            return -1;
        }
    
        // 向通讯录中添加联系人
    
        AddPeopleInfo(contacts.add_contacts());
    
        // 将通讯录写入本地文件
        fstream output("contacts.bin", ios::out | ios::trunc | ios::binary); // 覆盖写入，前面已经读取通讯录内容
    
        if (!contacts.SerializeToOstream(&output))
        {
        
            cerr << "write error!" << endl;
            input.close();
            output.close();
            return -1;
        }
    
        cout << "write sucess!" << endl;
    
        input.close();
        output.close();
        return 0;
    }

**read.cc：**

#include <iostream>
    #include <fstream>
    #include "contacts.pb.h"
    
    using namespace std;
    
    void PrintContacts(contacts2::Contacts &contacts)
    {
        
        for (int i = 0; i < contacts.contacts_size(); ++i)
        {
        
            cout << "--------------------联系人" << i + 1 << "--------------------"<<endl;
            const ::contacts2::PeopleInfo &people = contacts.contacts(i);
            cout << "联系人姓名：" << people.name() << endl;
            cout << "联系人年龄：" << people.age() << endl;
    
            for (int j = 0; j < people.phone_size(); ++j)
            {
        
                const ::contacts2::PeopleInfo_Phone &phone = people.phone(j);
                cout << "联系人电话" << j + 1 << ": "<< phone.number() << endl;
            }
        }
    }
    
    int main()
    {
        
        contacts2::Contacts contacts;
        // 先读取本地已经存在的通讯录文件
        fstream input("contacts.bin", ios::in | ios::binary);
        if (!contacts.ParseFromIstream(&input))
        {
        
            cerr << "parse error!" << endl;
            input.close();
            return -1;
        }
    
        // 打印通讯录列表
        PrintContacts(contacts);
        return 0;
    }

注意，最后在使用`g++`编译源代码的时候，需要加上`lprotobuf`和`-std=c++11`。若不加前者，会链接报错；后者使用`C++11`语法进行编译。

首先执行`write`，输入联系人信息，可见将数据序列化后保存到文件`Contacts.bin`文件中：

![4fdc2a9d78be4d8cabc29217a2c8a11b.png][]  
由于 Protobuf 是把联系人对象序列化成了二进制序列，因此直接查看文件就是一堆乱码。可以执行`read`文件，读取后进行反序列化并打印出来：

![5b2650c778674d27acf59c5a4fdf559e.png][]

# 五、总结 ProtoBuf 的使用特点 #

Protobuf 的使用方法可以用以下图片进行概括：  
![c0c7df308b134cc2b68dc2d12e3465f5.png][]  
**其使用步骤可描述如下：**

1.  首先编写`.proto` 文件，目的就是结构对象（message）及其属性内容。
2.  使用 `protoc` 编译器编译 `.proto` 文件，生成一系列的相关的接口代码，存放在新的头文件和源文件中。
3.  依赖生成的接口，将编译生成的头文件包含进我们自己的代码中，实现对 `.proto` 文件中定义的字段进行设置和获取，以及对 `message` /对象进行序列化和反序列化。

总的来说，**Protobuf 就是是需要依赖通过编译生成的头文件和源文件来使用的。有了这种代码生成机制，开发人员再也不用辛辛苦苦地编写那些协议解析的代码了**。

[Windows _ Linux _ ProtoBuf]: https://blog.csdn.net/qq_61635026/article/details/130780919?spm=1001.2014.3001.5501
[Protobuf]: https://protobuf.dev/reference/cpp/api-docs/google.protobuf.message/#Message
[4fdc2a9d78be4d8cabc29217a2c8a11b.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/4fdc2a9d78be4d8cabc29217a2c8a11b.png
[5b2650c778674d27acf59c5a4fdf559e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/5b2650c778674d27acf59c5a4fdf559e.png
[c0c7df308b134cc2b68dc2d12e3465f5.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c0c7df308b134cc2b68dc2d12e3465f5.png