protocol buffers原理与使用

一、简介

protocol buffers是google推出的一种数据序列化格式，简称protobuf。

具有以下优点

• 支持多种编程语言
• 序列化数据体积小
• 反序列化速度快
• 序列化和反序列化代码自动生成

同时，也有以下缺点：

•  可读性差，缺乏自描述性

在项目 thrift-protobuf-compare中，对各种序列化方式做了全方位的对比，对比结果中，protobuf各项都处于第5左右（共21个），综合性能较好。

下图（左JSON，右Protobuf）是同样的一段数据，用json和protobuf分别描述（仅表示描述方式，并不是最终生成的序列化数据）。可以看出，protobuf是把json中的key去掉了，用数字代替key，从而实现了减小了序列化后的数据大小。而protobuf反序列化过程中，无需做字符串解析，所以速度也很快，综合性能优于json很多。

二、使用步骤

protobuf使用，主要分为以下步骤：

1. 定义消息格式，编写.proto文件

2. 选择合适的protobuf实现框架，对.proto文件进行编译，生成对应的源代码文件

3. 在代码中调用生成的源代码文件，完成序列化和反序列化功能

三、在Android中使用

目前在Android种有两种实现框架，google-protobuf和square-wire。

1. 使用google-protobuf框架

以后补充

2. 使用square-wire框架

以后补充

四、原理

1. 消息格式

如下图所示，protobuf数据是连续的key-value组成，每个key-value对表示一个字段，value可以是基础类型，也可以是一个子消息。

其中，key表示了该字段数据类型，字段id信息，而value则是该字段的原始数据。若字段类型是string/bytes/子message（长度不固定），则在key和value之间还有一个值表示该字段的数据长度，如下图所示：

key值的计算方式为：key=(id<<3)|type，其中id是在消息定义时的字段id，而type表示数据类型，取值范围0-5，如下表所示：

例：假如proto文件定义如下，其中消息取值为code=10，msg=”abc”，尝试计算序列化后的消息数据。

message Response {
    required int32 code = 1;
    required string msg = 2;
}

答：

a. 消息的最终结构为key1-value1-key2-length2-value2;

b. 其中，key1=(id<<3)|type = (1<<3)|0=0x08，value1=0x0a，key2=(id<<3)|type=(2<<3)|2=0x12，length2=0x03，value2=0x616263;

c. 因此，最终的消息数据为：0x080a1203616263.

2. varint编码

在java中，int用4字节表示，long用8字节表示，而在实际场景中，一般我们不会使用到很大的数，因此使用4/8字节表示数值会有冗余。为了进一步减小序列化后的数据大小，protobuf引入了varint编码，解决数值表示过程中的冗余问题。

在protobuf中，key值/length/int32/int64/uint32/uint64使用了varint编码表示。

varint编码原理如下图所示，每个字节首位表示后面是否还有字节，而后7位表示数据。图中所示的数据，用二进制表示实际上是00101000100111（protobuf采用小端模式），即2599。

3. zigzag编码

由于负数在计算机中用补码表示，首位永远是1，无法使用varint编码进行压缩。为了解决此问题，protobuf引入了zigzag编码，目前，sint32和sint64类型的数据使用zigzag编码。

zigzag编码原理是，首先按照下表中的规律，将数据全部转化成正数，然后再用varint进行编码。

例：-3(int类型)用zigzag编码处理后，结果为0x05，仅需1个字节；而若不用zigzag，在内存中表示为0xFFFFFFFD，需要4个字节；若直接使用varint编码，则是0xFEFFFFFF0F，需要5个字节。

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