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ProtocolBuffer是Google公司的一個開源專案，用於結構化資料序列化的靈活、高效、自動的方法，有如XML，不過它更小、更快、也更簡單。你可以定義自己的資料結構，然後使用程式碼生成器生成的程式碼來讀寫這個資料結構。你甚至可以在無需重新部署程式的情況下更新資料結構。

一個例子

比如有個電子商務的系統（假設用C++實現），其中的模組A需要傳送大量的訂單資訊給模組B，通訊的方式使用socket。

假設訂單包括如下屬性：
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　時間：time（用整數表示）
　　客戶id：userid（用整數表示）
　　交易金額：price（用浮點數表示）
　　交易的描述：desc（用字串表示）
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

如果使用protobuf實現，首先要寫一個proto檔案（不妨叫Order.proto），在該檔案中新增一個名為"Order"的message結構，用來描述通訊協議中的結構化資料。該檔案的內容大致如下：

message Order
{
  required int32 time = 1;
  required int32 userid = 2;
  required float price = 3;
  optional string desc = 4;
}

然後，使用protobuf內建的編譯器編譯該proto。由於本例子的模組是C++，你可以通過protobuf編譯器讓它生成 C++語言的“訂單包裝類”（一般來說，一個message結構會生成一個包裝類）。

然後你使用類似下面的程式碼來序列化/解析該訂單包裝類：

傳送方：

Order order;
order.set_time(XXXX);
order.set_userid(123);
order.set_price(100.0f);
order.set_desc("a test order");
string sOrder;
order.SerailzeToString(&sOrder);

然後呼叫某種socket的通訊庫把序列化之後的字串sOrder傳送出去；

接收方：

string sOrder;
// 先通過網路通訊庫接收到資料，存放到某字串sOrder
// ......
Order order;
if(order.ParseFromString(sOrder)){ // 解析該字串
  cout << "userid:" << order.userid() << endl
          << "desc:" << order.desc() << endl;
} else {
  cerr << "parse error!" << endl;
}

有了這種程式碼生成機制，開發人員再也不用吭哧吭哧地編寫那些協議解析的程式碼了。萬一將來需求發生變更，要求給訂單再增加一個“狀態”的屬性，那隻需要在Order.proto檔案中增加一行程式碼。對於傳送方，只要增加一行設定狀態的程式碼；對於接收方只要增加一行讀取狀態的程式碼。另外，如果通訊雙方使用不同的程式語言來實現，使用這種機制可以有效確保兩邊的模組對於協議的處理是一致的。

從某種意義上講，可以把proto檔案看成是描述通訊協議的規格說明書（或者叫介面規範）。這種伎倆其實老早就有了，搞過微軟的COM程式設計或者接觸過CORBA的同學，應該都能從中看到IDL（詳細解釋看“這裡 ”）的影子。它們的思想是相通滴。

ProtoBuf支援向後相容（backward compatible）和向前相容（forward compatible）：

1. 向後相容，比如說，當接收方升級了之後，它能夠正確識別傳送方發出的老版本的協議。由於老版本沒有“狀態”這個屬性，在擴充協議時，可以考 慮把“狀態”屬性設定成非必填 的（optional），或者給“狀態”屬性設定一個預設值；
2. 向前相容，比如說，當傳送方升級了之後，接收方能夠正常識別傳送方發出的新版本的協議。這時候，新增加的“狀態”屬性會被忽略；

向後相容和向前相容有啥用捏？俺舉個例子：當你維護一個很龐大的分散式系統時，由於你無法同時 升級所有 模組，為了保證在升級過程中，整個系統能夠儘可能不受影響，就需要儘量保證通訊協議的向後相容或向前相容。

proto檔案

如上面的例子，使用protobuf，首先需要在一個 .proto 檔案中定義你需要做序列化的資料結構資訊。每個ProtocolBuffer資訊是一小段邏輯記錄，包含一系列的鍵值對。

例如：

message Person {
    required string name=1;
    required int32 id=2;
    optional string email=3;

    enum PhoneType {
        MOBILE=0;
        HOME=1;
        WORK=2;
    }

    message PhoneNumber {
        required string number=1;
        optional PhoneType type=2 [default=HOME];
    }

    repeated PhoneNumber phone=4;
}

一旦你定義了自己的報文格式(message)，你就可以執行ProtocolBuffer編譯器，將你的 .proto 檔案編譯成特定語言的類。這些類提供了簡單的方法訪問每個欄位(像是 query() 和 set_query() )，像是訪問類的方法一樣將結構序列化或反序列化。例如你可以選擇C++語言，執行編譯如上的協議檔案生成類叫做 Person 。隨後你就可以在應用中使用這個類來序列化的讀取報文資訊。你可以這麼寫程式碼:

Person person;
person.set_name("John Doe");
person.set_id(1234);
person.set_email("[email protected]");
fstream.output("myfile",ios::out | ios::binary);
person.SerializeToOstream(&output);

然後，你可以讀取報文中的資料:

fstream input("myfile",ios::in | ios:binary);
Person person;
person.ParseFromIstream(&input);
cout << "Name: " << person.name() << endl;
cout << "E-mail: " << person.email() << endl;

你可以在不影響向後相容的情況下隨意給資料結構增加欄位，舊有的資料會忽略新的欄位。所以如果使用ProtocolBuffer作為通訊協議，你可以無須擔心破壞現有程式碼的情況下擴充套件協議。

protobuf 訊息

message由至少一個欄位組合而成，類似於C語言中的結構。每個欄位都有一定的格式：

限定修飾符 | 資料型別 | 欄位名稱 | = | 欄位編碼值 | [欄位預設值]

限定修飾符：

• Required：表示是一個必須欄位，必須相對於傳送方，在傳送訊息之前必須設定該欄位的值；對於接收方，必須能夠識別該欄位的意思。傳送之前沒有設定required欄位或者無法識別required欄位都會引發編解碼異常，導致訊息被丟棄。
• Optional：表示是一個可選欄位，可選對於傳送方，在傳送訊息時，可以有選擇性的設定或者不設定該欄位的值；對於接收方，如果能夠識別可選欄位就進行相應的處理，如果無法識別，則忽略該欄位，訊息中的其它欄位正常處理。很多介面在升級版本中都把後來新增的欄位都統一的設定為optional欄位，這樣老的版本無需升級程式也可以正常的與新的軟體進行通訊，只不過新的欄位無法識別而已，因為並不是每個節點都需要新的功能，因此可以做到按需升級和平滑過渡。
• Repeated：表示該欄位可以包含0 ~ N個元素，可以看作是在傳遞陣列。

欄位名稱：

欄位名稱的命名與C、C++、Java等語言的變數命名方式幾乎是相同的。
protobuf建議欄位的命名採用以下劃線分割的駝峰式，例如 first_name 而不是firstName。

欄位編碼值：

編碼值的取值範圍為 1~2^32（4294967296）。

訊息中的欄位的編碼值無需連續，只要是合法的，並且不能在同一個訊息中有欄位包含相同的編碼值。

protobuf 建議把經常要傳遞的值把其欄位編碼設定為1-15之間的值。

欄位預設值：

傳送資料時，對於required資料型別，如果使用者沒有設定值，則使用預設值傳遞到對端；

接收資料時，對於optional欄位，如果沒有接收到optional欄位，則設定為預設值。

另外：

• message訊息支援巢狀定義，訊息可以包含另一個訊息作為其欄位，也可以在訊息內定義一個新的訊息；
• proto定義檔案支援import匯入其它proto定義檔案；
• 每個proto檔案指定一個package名稱，對於java解析為java中的包。對於C++則解析為名稱空間。

protobuf 資料型別

其中：

varint（type=0），動態型別：

1. 每個位元組第一位表示有無後續位元組，有為1，無為0，（雙位元組，低位元組在前，高位元組在後）；
2. 剩餘7位倒序合併。

舉例: 300 的二進位制為 10 0101100

第一位：1（有後續） + 0101100

第二位：0（無後續） + 0000010

最終結果： 101011000000010

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