如何使用 Protobuf 做資料交換

在以不同語言編寫並在不同平台上執行的應用程式之間交換資料時，Protobuf 編碼可提高效率。

協定緩衝區Protocol Buffers（Protobufs）像 XML 和 JSON 一樣，可以讓用不同語言編寫並在不同平台上執行的應用程式交換資料。例如，用 Go 編寫的傳送程式可以在 Protobuf 中對以 Go 表示的銷售訂單資料進行編碼，然後用 Java 編寫的接收方可以對它進行解碼，以獲取所接收訂單資料的 Java 表示方式。這是在網路連線上的結構示意圖：

Go 銷售訂單 —> Pbuf 編碼 —> 網路 —> Pbuf 介面 —> Java 銷售訂單

與 XML 和 JSON 相比，Protobuf 編碼是二進位制而不是文字，這會使偵錯複雜化。但是，正如本文中的程式碼範例所確認的那樣，Protobuf 編碼在大小上比 XML 或 JSON 編碼要有效得多。

Protobuf 以另一種方式提供了這種有效性。在實現級別，Protobuf 和其他編碼系統對結構化資料進行序列化serialize和反序列化deserialize。序列化將特定語言的資料結構轉換為位元組流，反序列化是將位元組流轉換回特定語言的資料結構的逆運算。序列化和反序列化可能成為資料交換的瓶頸，因為這些操作會占用大量 CPU。高效的序列化和反序列化是 Protobuf 的另一個設計目標。

最近的編碼技術，例如 Protobuf 和 FlatBuffers，源自 1990 年代初期的 DCE/RPC（分散式計算環境/遠端過程呼叫Distributed Computing Environment/Remote Procedure Call）計劃。與 DCE/RPC 一樣，Protobuf 在資料交換中為 IDL（介面定義語言）和編碼層做出了貢獻。

本文將著眼於這兩層，然後提供 Go 和 Java 中的程式碼範例以充實 Protobuf 的細節，並表明 Protobuf 是易於使用的。

Protobuf 作為一個 IDL 和編碼層

像 Protobuf 一樣，DCE/RPC 被設計為與語言和平台無關。適當的庫和實用程式允許任何語言和平台用於 DCE/RPC 領域。此外，DCE/RPC 體系結構非常優雅。IDL 文件是一側的遠端過程與另一側的呼叫者之間的協定。Protobuf 也是以 IDL 文件為中心的。

IDL 文件是文字，在 DCE/RPC 中，使用基本 C 語法以及後設資料的語法擴充套件（方括號）和一些新的關鍵字，例如 interface。這是一個例子：

[uuid (2d6ead46-05e3-11ca-7dd1-426909beabcd), version(1.0)]interface echo {   const long int ECHO_SIZE = 512;   void echo(      [in]          handle_t h,      [in, string]  idl_char from_client[ ],      [out, string] idl_char from_service[ECHO_SIZE]   );}

該 IDL 文件宣告了一個名為 echo 的過程，該過程帶有三個引數：型別為 handle_t（實現指標）和 idl_char（ASCII 字元陣列）的 [in] 引數被傳遞給遠端過程，而 [out] 引數（也是一個字串）從該過程中傳回。在此範例中，echo 過程不會顯式返回值（echo 左側的 void），但也可以返回值。返回值，以及一個或多個 [out] 引數，允許遠端過程任意返回許多值。下一節將介紹 Protobuf IDL，它的語法不同，但同樣用作資料交換中的協定。

DCE/RPC 和 Protobuf 中的 IDL 文件是建立用於交換資料的基礎結構程式碼的實用程式的輸入：

IDL 文件 —> DCE/PRC 或 Protobuf 實用程式 —> 資料交換的支援程式碼

作為相對簡單的文字，IDL 是同樣便於人類閱讀的關於資料交換細節的文件（特別是交換的資料項的數量和每個項的資料型別）。

Protobuf 可用於現代 RPC 系統，例如 gRPC；但是 Protobuf 本身僅提供 IDL 層和編碼層，用於從傳送者傳遞到接收者的訊息。與原本的 DCE/RPC 一樣，Protobuf 編碼是二進位制的，但效率更高。

目前，XML 和 JSON 編碼仍在通過 Web 服務等技術進行的資料交換中占主導地位，這些技術利用 Web 伺服器、傳輸協定（例如 TCP、HTTP）以及標準庫和實用程式等原有的基礎設施來處理 XML 和 JSON 文件。 此外，各種型別的資料庫系統可以儲存 XML 和 JSON 文件，甚至舊式關係型系統也可以輕鬆生成查詢結果的 XML 編碼。現在，每種通用程式語言都具有支援 XML 和 JSON 的庫。那麼，是什麼讓我們回到 Protobuf 之類的二進位制編碼系統呢？

讓我們看一下負十進位制值 -128。以 2 的二補數二進位制表示形式（在系統和語言中占主導地位）中，此值可以儲存在單個 8 位位元組中：10000000。此整數值在 XML 或 JSON 中的文字編碼需要多個位元組。例如，UTF-8 編碼需要四個位元組的字串，即 -128，即每個字元一個位元組（十六進位制，值為 0x2d、0x31、0x32 和 0x38）。XML 和 JSON 還新增了標記字元，例如尖括號和大括號。有關 Protobuf 編碼的詳細資訊下面就會介紹，但現在的關注點是一個通用點：文字編碼的壓縮性明顯低於二進位制編碼。

在 Go 中使用 Protobuf 的範例

我的程式碼範例著重於 Protobuf 而不是 RPC。以下是第一個範例的概述：

• 名為 dataitem.proto 的 IDL 檔案定義了一個 Protobuf 訊息，它具有六個不同型別的欄位：具有不同範圍的整數值、固定大小的浮點值以及兩個不同長度的字串。
• Protobuf 編譯器使用 IDL 檔案生成 Go 版本（以及後面的 Java 版本）的 Protobuf 訊息及支援函數。
• Go 應用程式使用隨機生成的值填充原生的 Go 資料結構，然後將結果序列化為本地檔案。為了進行比較， XML 和 JSON 編碼也被序列化為本地檔案。
• 作為測試，Go 應用程式通過反序列化 Protobuf 檔案的內容來重建其原生資料結構的範例。
• 作為語言中立性測試，Java 應用程式還會對 Protobuf 檔案的內容進行反序列化以獲取原生資料結構的範例。

我的網站上提供了該 IDL 檔案以及兩個 Go 和一個 Java 原始檔，打包為 ZIP 檔案。

最重要的 Protobuf IDL 文件如下所示。該文件儲存在檔案 dataitem.proto 中，並具有常規的.proto 擴充套件名。

範例 1、Protobuf IDL 文件

syntax = "proto3";package main;message DataItem {  int64  oddA  = 1;  int64  evenA = 2;  int32  oddB  = 3;  int32  evenB = 4;  float  small = 5;  float  big   = 6;  string short = 7;  string long  = 8;}

該 IDL 使用當前的 proto3 而不是較早的 proto2 語法。軟體包名稱（在本例中為 main）是可選的，但是慣例使用它以避免名稱衝突。這個結構化的訊息包含八個欄位，每個欄位都有一個 Protobuf 資料型別（例如，int64、string）、名稱（例如，oddA、short）和一個等號 = 之後的數位標籤（即鍵）。標籤（在此範例中為 1 到 8）是唯一的整數識別符號，用於確定欄位序列化的順序。

Protobuf 訊息可以巢狀到任意級別，而一個訊息可以是另外一個訊息的欄位型別。這是一個使用 DataItem 訊息作為欄位型別的範例：

message DataItems {  repeated DataItem item = 1;}

單個 DataItems 訊息由重複的（零個或多個）DataItem 訊息組成。

為了清晰起見，Protobuf 還支援列舉型別：

enum PartnershipStatus {  reserved "FREE", "CONSTRAINED", "OTHER";}

reserved 限定符確保用於實現這三個符號名的數值不能重複使用。

為了生成一個或多個宣告 Protobuf 訊息結構的特定於語言的版本，包含這些結構的 IDL 檔案被傳遞到protoc 編譯器（可在 Protobuf GitHub 儲存庫中找到）。對於 Go 程式碼，可以以通常的方式安裝支援的 Protobuf 庫（這裡以 ％ 作為命令列提示符）：

% go get github.com/golang/protobuf/proto

將 Protobuf IDL 檔案 dataitem.proto 編譯為 Go 原始碼的命令是：

% protoc --go_out=. dataitem.proto

標誌 --go_out 指示編譯器生成 Go 原始碼。其他語言也有類似的標誌。在這種情況下，結果是一個名為 dataitem.pb.go 的檔案，該檔案足夠小，可以將其基本內容複製到 Go 應用程式中。以下是生成的程式碼的主要部分：

var _ = proto.Marshaltype DataItem struct {   OddA  int64   `protobuf:"varint,1,opt,name=oddA" json:"oddA,omitempty"`   EvenA int64   `protobuf:"varint,2,opt,name=evenA" json:"evenA,omitempty"`   OddB  int32   `protobuf:"varint,3,opt,name=oddB" json:"oddB,omitempty"`   EvenB int32   `protobuf:"varint,4,opt,name=evenB" json:"evenB,omitempty"`   Small float32 `protobuf:"fixed32,5,opt,name=small" json:"small,omitempty"`   Big   float32 `protobuf:"fixed32,6,opt,name=big" json:"big,omitempty"`   Short string  `protobuf:"bytes,7,opt,name=short" json:"short,omitempty"`   Long  string  `protobuf:"bytes,8,opt,name=long" json:"long,omitempty"`}func (m *DataItem) Reset()         { *m = DataItem{} }func (m *DataItem) String() string { return proto.CompactTextString(m) }func (*DataItem) ProtoMessage()    {}func init() {}

編譯器生成的程式碼具有 Go 結構 DataItem，該結構匯出 Go 欄位（名稱現已大寫開頭），該欄位與 Protobuf IDL 中宣告的名稱匹配。該結構欄位具有標準的 Go 資料型別：int32、int64、float32 和 string。在每個欄位行的末尾，是描述 Protobuf 型別的字串，提供 Protobuf IDL 文件中的數位標籤及有關 JSON 資訊的後設資料，這將在後面討論。

此外也有函數；最重要的是 Proto.Marshal，用於將 DataItem 結構的範例序列化為 Protobuf 格式。輔助函數包括：清除 DataItem 結構的 Reset，生成 DataItem 的單行字串表示的 String。

描述 Protobuf 編碼的後設資料應在更詳細地分析 Go 程式之前進行仔細研究。

Protobuf 編碼

Protobuf 訊息的結構為鍵/值對的集合，其中數位標籤為鍵，相應的欄位為值。欄位名稱（例如，oddA 和 small）是供人類閱讀的，但是 protoc 編譯器的確使用了欄位名稱來生成特定於語言的對應名稱。例如，Protobuf IDL 中的 oddA 和 small 名稱在 Go 結構中分別成為欄位 OddA 和 Small。

鍵和它們的值都被編碼，但是有一個重要的區別：一些數位值具有固定大小的 32 或 64 位的編碼，而其他數位（包括訊息標籤）則是 varint 編碼的，位數取決於整數的絕對值。例如，整數值 1 到 15 需要 8 位 varint 編碼，而值 16 到 2047 需要 16 位。varint 編碼在本質上與 UTF-8 編碼類似（但細節不同），它偏愛較小的整數值而不是較大的整數值。（有關詳細分析，請參見 Protobuf 編碼指南）結果是，Protobuf 訊息應該在欄位中具有較小的整數值（如果可能），並且鍵數應盡可能少，但每個欄位至少得有一個鍵。

下表 1 列出了 Protobuf 編碼的要點：

表 1. Protobuf 資料型別

未明確固定長度的整數型別是 varint 編碼的；因此，在 varint 型別中，例如 uint32（u 代表無符號），數位 32 描述了整數的範圍（在這種情況下為 0 到 2³² - 1），而不是其位的大小，該位大小取決於值。相比之下，對於固定長度型別（例如 fixed32 或 double），Protobuf 編碼分別需要 32 位和 64 位。Protobuf 中的字串是位元組序列；因此，欄位編碼的大小就是位元組序列的長度。

另一個高效的方法值得一提。回想一下前面的範例，其中的 DataItems 訊息由重複的 DataItem 範例組成：

message DataItems {  repeated DataItem item = 1;}

repeated 表示 DataItem 範例是打包的：集合具有單個標籤，在這裡是 1。因此，具有重複的 DataItem 範例的 DataItems 訊息比具有多個但單獨的 DataItem 欄位、每個欄位都需要自己的標籤的訊息的效率更高。

了解了這一背景，讓我們回到 Go 程式。

dataItem 程式的細節

dataItem 程式建立一個 DataItem 範例，並使用適當型別的隨機生成的值填充欄位。Go 有一個 rand 包，帶有用於生成偽隨機整數和浮點值的函數，而我的 randString 函數可以從字元集中生成指定長度的偽隨機字串。設計目標是要有一個具有不同型別和位大小的欄位值的 DataItem 範例。例如，OddA 和 EvenA 值分別是 64 位非負整數值的奇數和偶數；但是 OddB 和 EvenB 變體的大小為 32 位，並存放 0 到 2047 之間的小整數值。隨機浮點值的大小為 32 位，字串為 16（Short）和 32（Long）字元的長度。這是用隨機值填充 DataItem 結構的程式碼段：

// 可變長度整數n1 := rand.Int63()        // 大整數if (n1 & 1) == 0 { n1++ } // 確保其是奇數...n3 := rand.Int31() % UpperBound // 小整數if (n3 & 1) == 0 { n3++ }       // 確保其是奇數// 固定長度浮點數...t1 := rand.Float32()t2 := rand.Float32()...// 字串str1 := randString(StrShort)str2 := randString(StrLong)// 訊息dataItem := &DataItem {   OddA:  n1,   EvenA: n2,   OddB:  n3,   EvenB: n4,   Big:   f1,   Small: f2,   Short: str1,   Long:  str2,}

建立並填充值後，DataItem 範例將以 XML、JSON 和 Protobuf 進行編碼，每種編碼均寫入本地檔案：

func encodeAndserialize(dataItem *DataItem) {   bytes, _ := xml.MarshalIndent(dataItem, "", " ")  // Xml to dataitem.xml   ioutil.WriteFile(XmlFile, bytes, 0644)            // 0644 is file access permissions   bytes, _ = json.MarshalIndent(dataItem, "", " ")  // Json to dataitem.json   ioutil.WriteFile(JsonFile, bytes, 0644)   bytes, _ = proto.Marshal(dataItem)                // Protobuf to dataitem.pbuf   ioutil.WriteFile(PbufFile, bytes, 0644)}

這三個序列化函數使用術語 marshal，它與 serialize 意思大致相同。如程式碼所示，三個 Marshal 函數均返回一個位元組陣列，然後將其寫入檔案。（為簡單起見，忽略可能的錯誤處理。）在範例執行中，檔案大小為：

dataitem.xml:  262 bytesdataitem.json: 212 bytesdataitem.pbuf:  88 bytes

Protobuf 編碼明顯小於其他兩個編碼方案。通過消除縮排字元（在這種情況下為空白和換行符），可以稍微減小 XML 和 JSON 序列化的大小。

以下是 dataitem.json 檔案，該檔案最終是由 json.MarshalIndent 呼叫產生的，並新增了以 ## 開頭的注釋：

{ "oddA":  4744002665212642479,                ## 64-bit >= 0 "evenA": 2395006495604861128,                ## ditto "oddB":  57,                                 ## 32-bit >= 0 but < 2048 "evenB": 468,                                ## ditto "small": 0.7562016,                          ## 32-bit floating-point "big":   0.85202795,                         ## ditto "short": "ClH1oDaTtoX$HBN5",                 ## 16 random chars "long":  "xId0rD3Cri%3Wt%^QjcFLJgyXBu9^DZI"  ## 32 random chars}

儘管這些序列化的資料寫入到本地檔案中，但是也可以使用相同的方法將資料寫入網路連線的輸出流。

測試序列化和反序列化

Go 程式接下來通過將先前寫入 dataitem.pbuf 檔案的位元組反序列化為 DataItem 範例來執行基本測試。這是程式碼段，其中去除了錯誤檢查部分：

filebytes, err := ioutil.ReadFile(PbufFile) // get the bytes from the file...testItem.Reset()                            // clear the DataItem structureerr = proto.Unmarshal(filebytes, testItem)  // deserialize into a DataItem instance

用於 Protbuf 反序列化的 proto.Unmarshal 函數與 proto.Marshal 函數相反。原始的 DataItem 和反序列化的副本將被列印出來以確認完全匹配：

Original:2041519981506242154 3041486079683013705 1192 18790.572123 0.326855boPb#T0O8Xd&Ps5EnSZqDg4Qztvo7IIs 9vH66AiGSQgCDxk&Deserialized:2041519981506242154 3041486079683013705 1192 18790.572123 0.326855boPb#T0O8Xd&Ps5EnSZqDg4Qztvo7IIs 9vH66AiGSQgCDxk&

一個 Java Protobuf 用戶端

用 Java 寫的範例是為了確認 Protobuf 的語言中立性。原始 IDL 檔案可用於生成 Java 支援程式碼，其中涉及巢狀類。但是，為了抑制警告資訊，可以進行一些補充。這是修訂版，它指定了一個 DataMsg 作為外部類的名稱，內部類在該 Protobuf 訊息後面自動命名為 DataItem：

syntax = "proto3";package main;option java_outer_classname = "DataMsg";message DataItem {...

進行此更改後，protoc 編譯與以前相同，只是所期望的輸出現在是 Java 而不是 Go：

% protoc --java_out=. dataitem.proto

生成的原始檔（在名為 main 的子目錄中）為 DataMsg.java，長度約為 1,120 行：Java 並不簡潔。編譯然後執行 Java 程式碼需要具有 Protobuf 庫支援的 JAR 檔案。該檔案位於 Maven 儲存庫中。

放置好這些片段後，我的測試程式碼相對較短（並且在 ZIP 檔案中以 Main.java 形式提供）：

package main;import java.io.FileInputStream;public class Main {   public static void main(String[] args) {      String path = "dataitem.pbuf";  // from the Go program's serialization      try {         DataMsg.DataItem deserial =           DataMsg.DataItem.newBuilder().mergeFrom(new FileInputStream(path)).build();         System.out.println(deserial.getOddA()); // 64-bit odd         System.out.println(deserial.getLong()); // 32-character string      }      catch(Exception e) { System.err.println(e); }    }}

當然，生產級的測試將更加徹底，但是即使是該初步測試也可以證明 Protobuf 的語言中立性：dataitem.pbuf 檔案是 Go 程式對 Go 語言版的 DataItem 進行序列化的結果，並且該檔案中的位元組被反序列化以產生一個 Java 語言的 DataItem 範例。Java 測試的輸出與 Go 測試的輸出相同。

用 numPairs 程式來結束

讓我們以一個範例作為結尾，來突出 Protobuf 效率，但又強調在任何編碼技術中都會涉及到的成本。考慮以下 Protobuf IDL 檔案：

syntax = "proto3";package main;message NumPairs {  repeated NumPair pair = 1;}message NumPair {  int32 odd = 1;  int32 even = 2;}

NumPair 訊息由兩個 int32 值以及每個欄位的整數標籤組成。NumPairs 訊息是嵌入的 NumPair 訊息的序列。

Go 語言的 numPairs 程式（如下）建立了 200 萬個 NumPair 範例，每個範例都附加到 NumPairs 訊息中。該訊息可以按常規方式進行序列化和反序列化。

範例 2、numPairs 程式

package mainimport (   "math/rand"   "time"   "encoding/xml"   "encoding/json"   "io/ioutil"   "github.com/golang/protobuf/proto")// protoc-generated code: startvar _ = proto.Marshaltype NumPairs struct {   Pair []*NumPair `protobuf:"bytes,1,rep,name=pair" json:"pair,omitempty"`}func (m *NumPairs) Reset()         { *m = NumPairs{} }func (m *NumPairs) String() string { return proto.CompactTextString(m) }func (*NumPairs) ProtoMessage()    {}func (m *NumPairs) GetPair() []*NumPair {   if m != nil { return m.Pair }   return nil}type NumPair struct {   Odd  int32 `protobuf:"varint,1,opt,name=odd" json:"odd,omitempty"`   Even int32 `protobuf:"varint,2,opt,name=even" json:"even,omitempty"`}func (m *NumPair) Reset()         { *m = NumPair{} }func (m *NumPair) String() string { return proto.CompactTextString(m) }func (*NumPair) ProtoMessage()    {}func init() {}// protoc-generated code: finishvar numPairsStruct NumPairsvar numPairs = &numPairsStructfunc encodeAndserialize() {   // XML encoding   filename := "./pairs.xml"   bytes, _ := xml.MarshalIndent(numPairs, "", " ")   ioutil.WriteFile(filename, bytes, 0644)   // JSON encoding   filename = "./pairs.json"   bytes, _ = json.MarshalIndent(numPairs, "", " ")   ioutil.WriteFile(filename, bytes, 0644)   // ProtoBuf encoding   filename = "./pairs.pbuf"   bytes, _ = proto.Marshal(numPairs)   ioutil.WriteFile(filename, bytes, 0644)}const HowMany = 200 * 100  * 100 // two millionfunc main() {   rand.Seed(time.Now().UnixNano())   // uncomment the modulus operations to get the more efficient version   for i := 0; i < HowMany; i++ {      n1 := rand.Int31() // % 2047      if (n1 & 1) == 0 { n1++ } // ensure it's odd      n2 := rand.Int31() // % 2047      if (n2 & 1) == 1 { n2++ } // ensure it's even      next := &NumPair {                 Odd:  n1,                 Even: n2,              }      numPairs.Pair = append(numPairs.Pair, next)   }   encodeAndserialize()}

每個 NumPair 中隨機生成的奇數和偶數值的範圍在 0 到 20 億之間變化。就原始資料（而非編碼資料）而言，Go 程式中生成的整數總共為 16MB：每個 NumPair 為兩個整數，總計為 400 萬個整數，每個值的大小為四個位元組。

為了進行比較，下表列出了 XML、JSON 和 Protobuf 編碼的範例 NumsPairs 訊息的 200 萬個 NumPair 範例。原始資料也包括在內。由於 numPairs 程式生成隨機值，因此樣本執行的輸出有所不同，但接近表中顯示的大小。

表 2. 16MB 整數的編碼開銷

不出所料，Protobuf 和之後的 XML 和 JSON 差別明顯。Protobuf 編碼大約是 JSON 的四分之一，是 XML 的五分之一。但是原始資料清楚地表明 Protobuf 也會產生編碼開銷：序列化的 Protobuf 訊息比原始資料大 11MB。包括 Protobuf 在內的任何編碼都涉及結構化資料，這不可避免地會增加位元組。

序列化的 200 萬個 NumPair 範例中的每個範例都包含四個整數值：Go 結構中的 Even 和 Odd 欄位分別一個，而 Protobuf 編碼中的每個欄位、每個標籤一個。對於原始資料（而不是編碼資料），每個範例將達到 16 個位元組，樣本 NumPairs 訊息中有 200 萬個範例。但是 Protobuf 標記（如 NumPair 欄位中的 int32 值）使用 varint 編碼，因此位元組長度有所不同。特別是，小的整數值（在這種情況下，包括標籤在內）需要不到四個位元組進行編碼。

如果對 numPairs 程式進行了修改，以使兩個 NumPair 欄位的值小於 2048，且其編碼為一或兩個位元組，則 Protobuf 編碼將從 27MB 下降到 16MB，這正是原始資料的大小。下表總結了樣本執行中的新編碼大小。

表 3. 編碼 16MB 的小於 2048 的整數

總之，修改後的 numPairs 程式的欄位值小於 2048，可減少原始資料中每個四位元組整數值的大小。但是 Protobuf 編碼仍然需要標籤，這些標籤會在 Protobuf 訊息中新增位元組。Protobuf 編碼確實會增加訊息大小，但是如果要編碼相對較小的整數值（無論是欄位還是鍵），則可以通過 varint 因子來減少此開銷。

對於包含混合型別的結構化資料（且整數值相對較小）的中等大小的訊息，Protobuf 明顯優於 XML 和 JSON 等選項。在其他情況下，資料可能不適合 Protobuf 編碼。例如，如果兩個應用程式需要共用大量文字記錄或大整數值，則可以採用壓縮而不是編碼技術。