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Protobuf詳解(.Java檔案)

阿新 • • 發佈：2019-01-16

我們在開發一些RPC呼叫的程式時，通常會涉及到物件的序列化/反序列化的問題，比如一個“Person”物件從Client端通過TCP方式傳送到Server端；因為TCP協議(UDP等這種低階協議)只能傳送位元組流，所以需要應用層將Java物件序列化成位元組流，資料接收端再反序列化成Java物件即可。“序列化”一定會涉及到編碼（encoding，format），目前我們可選擇的編碼方式：

    1）使用JSON，將java物件轉換成JSON結構化字串。在web應用、移動開發方面等，基於Http協議下，這是常用的，因為JSON的可讀性較強。效能稍差。

    2）基於XML，和JSON一樣，資料在序列化成位元組流之前，都轉換成字串。可讀性強，效能差，異構系統、open api型別的應用中常用。

    3）使用JAVA內建的編碼和序列化機制，可移植性強，效能稍差。無法跨平臺（語言）。

    4）其他開源的序列化/反序列化框架，比如Apache Avro，Apache Thrift，這兩個框架和Protobuf相比，效能非常接近，而且設計原理如出一轍；其中Avro在大資料儲存（RPC資料交換，本地儲存）時比較常用；Thrift的亮點在於內建了RPC機制，所以在開發一些RPC互動式應用時，Client和Server端的開發與部署都非常簡單。

    評價一個序列化框架的優缺點，大概有2個方面：1）結果資料大小，原則上說，序列化後的資料尺寸越小，傳輸效率越高。 2）結構複雜度，這會影響序列化/反序列化的效率，結構越複雜，越耗時。

    Protobuf是一個高效能、易擴充套件的序列化框架，它的效能測試有關資料可以參看官方文件。通常在TCP Socket通訊（RPC呼叫）相關的應用中使用；它本身非常簡單，易於開發，而且結合Netty框架可以非常便捷的實現一個RPC應用程式，同時Netty也為Protobuf解決了有關Socket通訊中“半包、粘包”等問題（反序列化時，位元組成幀）。

1、安裝Protobuf

    從“https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/downloads”下載安裝包，windows下的使用不再贅言；在linux或者mac下，下載tar.gz的壓縮包，解壓後執行：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. $ ./configure  
  2. $ make  
  3. $ make check  
  4. $ make install  

    此後，可以通過“protoc --version”檢視是否安裝成功了，安裝過程不需要配置環境變數。安裝主要是為了能夠使用命令編譯proto檔案，實際部署環境並不需要。

2、樣例

    Protobuf需要一個schema宣告檔案，字尾為“.proto”的文字檔案，內容樣例如下：

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  1. option java_package = "com.test.protobuf";  
  2. option java_outer_classname="PersonProtos";  
  3. message Person {  
  4.   required string name = 1;  
  5.   required int32 id = 2;  
  6.   optional string email = 3;  
  7.   enum PhoneType {  
  8.     MOBILE = 0;  
  9.     HOME = 1;  
  10.     WORK = 2;  
  11.   }  
  12.   message PhoneNumber {  
  13.     required string number = 1;  
  14.     optional PhoneType type = 2 [default = HOME];  
  15.   }  
  16.   repeated PhoneNumber phone = 4;  
  17. }  

    如果你曾經使用過thrift、avro，你會發現它們都需要一個類似的schema檔案，只是結構規則不同罷了。特別備註：protbuf和thrift的宣告檔案相似度極高。

    “message”表示，宣告一個“類”，即java中的class。message中可以內嵌message，就像java的內部類一樣。一個message有多個filed，“required string name = 1”則表示：name欄位在序列化、反序列化時為第一個欄位，string型別，“required”表示這個欄位的值是必選；可以看出每個filed都至少有著三個部分組成，其中filed的“位置index”全域性唯一。“optional”表示這個filed是可選的（允許為null）。“repeated”表示這個filed是一個集合（list）。也可以通過[default = ]為一個“optional”的filed指定預設值。

    我們可以在一個.proto檔案中宣告多個“message”，不過大部分情況下我們把互相繼承或者依賴的類寫入一個.proto檔案，將那些沒有關聯關係的類分別寫入不同的檔案，這樣便於管理。

    我們可以在.proto檔案的頭部宣告一些額外的資訊，比如“java_package”表示當“generate code”時將生成的java程式碼放入指定的package中。“java_outer_classname”表示生成的java類的名稱。

    然後執行如下命令，生成JAVA程式碼：

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  1. protoc --java_out=./ Persion.proto  

    通過“--java_out”指定生成JAVA程式碼儲存的目錄，後面緊跟“.proto”檔案的路徑。此後我們看到生成 了Package和一個PersonProto.java檔案，我們只需要把此java檔案複製到專案中即可。

3、JAVA例項

    1）pom.xml

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  1. <dependency>  
  2.      <groupId>com.google.protobuf</groupId>  
  3.      <artifactId>protobuf-java</artifactId>  
  4.      <version>2.6.1</version>  
  5. </dependency>  

    2）測試：

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  1. PersonProtos.Person.Builder personBuilder = PersonProtos.Person.newBuilder();  
  2. personBuilder.setEmail("[email protected]");  
  3. personBuilder.setId(1000);  
  4. PersonProtos.Person.PhoneNumber.Builder phone = PersonProtos.Person.PhoneNumber.newBuilder();  
  5. phone.setNumber("18610000000");  
  6. personBuilder.setName("張三");  
  7. personBuilder.addPhones(phone);  
  8. PersonProtos.Person person = personBuilder.build();  

    獲得到person例項後，我們可以通過如下方式，將person物件序列化、反序列化。

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  1. //第一種方式  
  2. //序列化  
  3. byte[] data = person.toByteArray();//獲取位元組陣列，適用於SOCKET或者儲存在磁碟。  
  4. //反序列化  
  5. PersonProtos.Person result = PersonProtos.Person.parseFrom(data);  
  6. System.out.println(result.getEmail());  

   這種方式，適用於很多場景，Protobuf會根據自己的encoding方式，將JAVA物件序列化成位元組陣列。同時Protobuf也可以從位元組陣列中重新decoding，得到Java新的例項。

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  1. //第二種序列化：粘包,將一個或者多個protobuf物件位元組寫入stream。  
  2. ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();  
  3. //生成一個由：[位元組長度][位元組資料]組成的package。特別適合RPC場景  
  4. person.writeDelimitedTo(byteArrayOutputStream);  
  5. //反序列化，從steam中讀取一個或者多個protobuf位元組物件  
  6. ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray());  
  7. result = PersonProtos.Person.parseDelimitedFrom(byteArrayInputStream);  
  8. System.out.println(result.getEmail());  

    第二種方式，是RPC呼叫中、Socket傳輸時適用，在序列化的位元組陣列之前，新增一個varint32的數字表示位元組陣列的長度；那麼在反序列化時，可以通過先讀取varint，然後再依次讀取此長度的位元組；這種方式有效的解決了socket傳輸時如何“拆包”“封包”的問題。在Netty中，適用了同樣的技巧。

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  1. //第三種序列化,寫入檔案或者Socket  
  2. FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File("/test.dt"));  
  3. person.writeTo(fileOutputStream);  
  4. fileOutputStream.close();  
  5. FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File("/test.dt"));  
  6. result = PersonProtos.Person.parseFrom(fileInputStream);  
  7. System.out.println(result);  

    第三種方式，比較少用。但是比較通用，意思為將序列化的位元組陣列寫入到OutputStream中，具體的拆包工作，交給了高層框架。

4、protobuf入門介紹

    以上述Person.proto檔案為例：

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  1. message Person {  
  2.   required string name = 1;  
  3.   required int32 id = 2;  
  4.   optional string email = 3;  
  5. }  

    聲明瞭三個filed，每個filed都“規則”、“型別”、“欄位名稱”和一個“唯一的數字tag”。

    1）其中“規則”可以為如下幾個值：

    “required”：表示此欄位值必填，一個結構良好的message至少有一個flied為“required”。

    “optional”：表示此欄位值為可選的。對於此型別的欄位，可以通過default來指定預設值，這是一個良好的設計習慣。

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  1. optional int32 page = 3 [default = 10];  

    如果沒有指定預設值，在encoding時protobuf將會用一個特殊的預設值來替代。對於string，預設值為空，bool型別預設為false，數字型別預設位0，對於enum則預設值為列舉列表的第一個值。

    “repeated”：表示這個欄位的值可以允許被重複多次，如果轉換成JAVA程式碼，此filed資料結構為list，有序的。可以在“repeated”型別的filed後使用“packed”--壓縮，提高資料傳輸的效率。

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  1. repeated int32 numbers = 4 [packed=true];  

    特別需要注意：當你指定一個filed位required時，需要慎重考慮這個filed是否永遠都是“必須的”。將一個required調整為optional，需要同時重新部署資料通訊的Client和Server端，否則將會對解析帶來問題。

    2）可以在一個.proto檔案中，同時宣告多個message，這樣是允許的。

    3）為message或者filed添加註釋，風格和JAVA一樣：

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  1. optional int32 page = 3;// Which page number do we want?  

    4）資料型別與JAVA對應關係：

protobuf java
double double
float float
int32 int
int64 long
bool boolean
string String
bytes ByteString

    其中“ByteString”是Protobuf自定義的JAVA API。

     5）列舉：和JAVA中Enum API一致，如果開發者希望某個filed的值只能在一些限定的列表中，可以將次filed宣告為enum型別。Protobuf中，enum型別的每個值是一個int32的數字，不像JAVA中那樣enum可以定義的非常複雜。如果enum中有些值是相同的，可以將“allow_alias”設定為true。

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  1. message Person {  
  2.   required Type type = 1;  
  3.   enum Type {  
  4.   option allow_alias = true;  
  5.     TEACHER = 0;  
  6.     STUDENT = 1;  
  7.     OTHER = 1;//the same as STUDENT  
  8.   }  
  9. }  

     6）import：如果當前.proto檔案中引用了其他proto檔案的message型別，那麼可以在此檔案的開頭宣告import。

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  1. import "other_protos.proto";  

    不過這會引入一個小小的麻煩，如果你的“other_protos.proto”檔案變更了目錄，需要連帶修改其他檔案。

    7）嵌入message：類似於java的內部類，即在message中，嵌入其他message。如Person.proto例子中的PhoneNumber。

    8）更新message型別：如果一個現有的message型別無法滿足當前的需要，比如你需要新增一個filed，但是仍然希望使用生成的舊程式碼來解析。

        （1）不要修改現有fileds的數字tag，即欄位的index數字。

        （2）新增欄位必須為optional或者repeated型別，同時還要為它們設定“default”值，這意味著“old”程式碼序列化的messages能夠被“new”程式碼解析。“new”程式碼生成的資料也能被“old”程式碼解析，對於“old”程式碼而言，那些沒有被宣告的filed將會在解析式忽略。

        （3）非“required”filed可以被刪除，但是它的“數字tag”不能被其他欄位重用。

        （4）int32、uint32、int64、uint64、bool，是互相相容的，它們可以從一個型別修改成另外一個，而不會對程式帶來錯誤。參見原始碼WireFormat.FiledType

        （5）sint32和sint64是相容的，但和其他數字型別是不相容的。

        （6）string和bytes是相容的，只要為UTF-8編碼的。注意protobuf中string預設是UTF-8編碼的。

        （7）optional與repeated是相容的。如果輸入的資料格式是repeated，但是client希望接受的資料是optional，對於原生型別，那麼client將會使用repeated的最後一個值，對於message型別，client將會merge這些輸入的資料。

        （8）修改“default”值通常不會有任何問題，只要保證這個預設值不會被真正的使用。

    9）Map結構：

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  1. map<key_type, value_type> map = 3;  

    其中key_type可以為任何“整形”或者string型別，value_type可以為任意型別，只要JAVA API能夠支援。map型別不能被“repeated”、“optional”或者“required”修飾，傳輸過程中無法確保map中資料的順序，

對於文字格式，map是按照key排序。

    10）如下為一些有用的選項：

        （1）java_package：在.proto檔案的頂部設定，指定生成JAVA檔案時類所在的package。

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  1. option java_package = "com.example.foo";  

        （2）java_outer_classname：在.proto檔案的頂部設定，指定生成JAVA檔案時類的名字。一個.proto檔案只會生成一個JAVA類。

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  1. option java_outer_classname = "FooProtos";  

        （3）packed：對於repeated型別有效，指定輸入的資料是否“壓縮”。

5、protobuf序列化原理：

    其實protobuf的序列化原理並不是什麼高超的“絕技”：如果你曾經瞭解過thrift、avro，或者從事過socket通訊，那麼你對protobuf的序列化方式並不感到驚奇；如下為protobuf的序列化format：

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  1. [serializedSize]{[int32(tag,type)][value]...}  

    對於一個message，序列化時首先就算這個message所有filed序列化需要佔用的位元組長度，計算這個長度是非常簡單的，因為protobuf中每種型別的filed所佔用的位元組數是已知的(bytes、string除外)，只需要累加即可。這個長度就是serializedSize，32為integer，在protobuf的某些序列化方式中可能使用varint32（一個壓縮的、根據數字區間，使用不同位元組長度的int）；此後是filed列表輸出，每個filed輸出包含int32(tag，type)和value的位元組陣列，從上文我們知道每個filed都有一個唯一的數字tag表示它的index位置，type為欄位的型別，tag和type分別佔用一個int的高位、低位位元組；如果filed為string、bytes型別，還會在value之前額外的補充新增一個varint32型別的數字，表示string、bytes的位元組長度。

    那麼在反序列化的時候，首先讀取一個32為的int表示serializedSize，然後讀取serializedSize個位元組儲存在一個bytebuffer中，即讀取一個完整的package。然後讀取一個int32數字，從這個數字中解析出tag和type，如果type為string、bytes，然後補充讀取一個varint32就知道了string的位元組長度了，此後根據type或者位元組長度，讀取後續的位元組陣列並轉換成java type。重複上述操作，直到整個package解析完畢。

    protobuf的這種序列化format，極大的介紹了輸入、輸出的資料大小，而且複雜度非常低，從而效能較高。

6、protobuf與Netty程式設計：

    1）Netty Server端樣例

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  1. public class ProtobufNettyServerTestMain {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         //bossGroup : NIO selector threadPool  
  4.         EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();  
  5.         //workerGroup : socket data read-write worker threadPool  
  6.         EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();  
  7.         try {  
  8.             ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();  
  9.             bootstrap.group(bossGroup,workerGroup)  
  10.                     .channel(NioServerSocketChannel.class)  
  11.                     .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {  
  12.                         @Override  
  13.                         protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {  
  14.                             ch.pipeline().addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder())  
  15.                                     .addLast(new ProtobufDecoder(PersonProtos.Person.getDefaultInstance()))  
  16.                                     .addLast(new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender())  
  17.                                     .addLast(new ProtobufEncoder())  
  18.                                     .addLast(new ProtobufServerHandler());//自定義handler  
  19.                         }  
  20.                     }).childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY,true);  
  21.             System.out.println("begin");  
  22.             //bind到本地的18080埠  
  23.             ChannelFuture future = bootstrap.bind(18080).sync();  
  24.             //阻塞，直到channel.close  
  25.             future.channel().closeFuture().sync();  
  26.             System.out.println("end");  
  27.         } catch (Exception e) {  
  28.             e.printStackTrace();  
  29.         } finally {  
  30.             //輔助執行緒優雅退出  
  31.             workerGroup.shutdownGracefully();  
  32.             bossGroup.shutdownGracefully();  
  33.         }  
  34.     }  
  35. }  

    備註：channel內部維護一個pipeline，類似一個filter連結串列一樣，所有的socket讀寫都會經過，對於write操作（outbound）會從pipeline列表的last-->first方向依次呼叫Encoder處理器；對於read操作（inbound）會從first-->last依次呼叫Decoder處理器。此外Encoder處理對於read操作不起效，Decoder處理器對write操作不起效，原理 稍後在Netty相關章節介紹。

    ProtobufEncoder：非常簡單，內部直接使用了message.toByteArray()將位元組資料放入bytebuf中輸出（out中，交由下一個encoder處理）。

    ProtobufVarint32LengthFieldPrepender：因為ProtobufEncoder只是將message的各個filed按照規則輸出了，並沒有serializedSize，所以socket無法判定package（封包）。這個Encoder的作用就是在ProtobufEncoder生成的位元組陣列前，prepender一個varint32數字，表示serializedSize。

    ProtobufVarint32FrameDecoder：這個decoder和Prepender做的工作正好對應，作用就是“成幀”，根據seriaziedSize讀取足額的位元組陣列--一個完整的package。

    ProtobufDecoder：和ProtobufEncoder對應，這個Decoder需要指定一個預設的instance，decoder將會解析byteArray，並根據format規則為此instance中的各個filed賦值。

    2）ProtobufServerHandler.java

    傳送Protobuf資料和接收client傳送的資料。一個自定義的處理器，通常我們的業務會在這裡處理。

Java程式碼  收藏程式碼
  1. public class ProtobufServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {  
  2.     @Override  
  3.     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {  
  4.         PersonProtos.Person person = (PersonProtos.Person)msg;  
  5.        //經過pipeline的各個decoder，到此Person型別已經可以斷定  
  6.         System.out.println(person.getEmail());  

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