Protocol Buffer详解

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1.Protocol Buffer 概念

　　Google Protocol Buffer( 简称 Protobuf) 是 Google 公司内部的混合语言数据标准，目前已经正在使用的有超过 48,162 种报文格式定义和超过 12,183 个 .proto 文件。他们用于 RPC 系统和持续数据存储系统。

　　Protocol Buffers 是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据串行化，或者说序列化。它很适合做数据存储或 RPC 数据交换格式。可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。目前提供了 C++、Java、Python 三种语言的 API。

2.Protocol Buffer 使用 

　　使用ProtocolBuffer，要先编写一个.proto文件，用这个文件来描述你希望保存的数据结构。然后用ProtocolBuffer编译器创建一个类，这个类用高效的二进制的格式实现了ProtocolBuffer数据的自动编解码。生成的类提供了组成ProtocolBuffer字段的getter和setter方法，以及提供了负责读写一个ProtocolBuffer单位的方法。重要的是ProtocolBuffer格式支持向后的兼容性，新的代码依然可以读取用旧格式编码的数据。

2.1定义第一个Protocol Buffer消息　

　创建扩展名为.proto的文件，如：MyMessage.proto，并将以下内容存入该文件中。
      message LogonReqMessage {
          required int64 acctID = 1;
          required string passwd = 2;
      }
      这里将给出以上消息定义的关键性说明。
      1. message是消息定义的关键字，等同于C++中的struct/class，或是Java中的class。
      2. LogonReqMessage为消息的名字，等同于结构体名或类名。
      3. required前缀表示该字段为必要字段，既在序列化和反序列化之前该字段必须已经被赋值。与此同时，在Protocol Buffer中还存在另外两个类似的关键字，optional和repeated，带有这两种限定符的消息字段则没有required字段这样的限制。相比于optional，repeated主要用于表示数组字段。具体的使用方式在后面的用例中均会一一列出。
      4. int64和string分别表示长整型和字符串型的消息字段，在Protocol Buffer中存在一张类型对照表，既Protocol Buffer中的数据类型与其他编程语言(C++/Java)中所用类型的对照。该对照表中还将给出在不同的数据场景下，哪种类型更为高效。该对照表将在后面给出。
      5. acctID和passwd分别表示消息字段名，等同于Java中的域变量名，或是C++中的成员变量名。
      6. 标签数字1和2则表示不同的字段在序列化后的二进制数据中的布局位置。在该例中，passwd字段编码后的数据一定位于acctID之后。需要注意的是该值在同一message中不能重复。另外，对于Protocol Buffer而言，标签值为1到15的字段在编码时可以得到优化，既标签值和类型信息仅占有一个byte，标签范围是16到2047的将占有两个bytes，而Protocol Buffer可以支持的字段数量则为2的29次方减一。有鉴于此，我们在设计消息结构时，可以尽可能考虑让repeated类型的字段标签位于1到15之间，这样便可以有效的节省编码后的字节数量。

2.2定义第二个（含有枚举字段）Protocol Buffer消息
      //在定义Protocol Buffer的消息时，可以使用和C++/Java代码同样的方式添加注释。
      enum UserStatus {
          OFFLINE = 0;  //表示处于离线状态的用户
          ONLINE = 1;   //表示处于在线状态的用户
      }
      message UserInfo {
          required int64 acctID = 1;
          required string name = 2;
          required UserStatus status = 3;
      }
      这里将给出以上消息定义的关键性说明（仅包括上一小节中没有描述的）。
      1. enum是枚举类型定义的关键字，等同于C++/Java中的enum。
      2. UserStatus为枚举的名字。
      3. 和C++/Java中的枚举不同的是，枚举值之间的分隔符是分号，而不是逗号。
      4. OFFLINE/ONLINE为枚举值。
      5. 0和1表示枚举值所对应的实际整型值，和C/C++一样，可以为枚举值指定任意整型值，而无需总是从0开始定义。如：
      enum OperationCode {
          LOGON_REQ_CODE = 101;
          LOGOUT_REQ_CODE = 102;
          RETRIEVE_BUDDIES_REQ_CODE = 103;
    
          LOGON_RESP_CODE = 1001;
          LOGOUT_RESP_CODE = 1002;
          RETRIEVE_BUDDIES_RESP_CODE = 1003;
      }

2.3定义第三个（含有嵌套消息字段）Protocol Buffer消息
      我们可以在同一个.proto文件中定义多个message，这样便可以很容易的实现嵌套消息的定义。如：
      enum UserStatus {
          OFFLINE = 0;
          ONLINE = 1;
      }
      message UserInfo {
          required int64 acctID = 1;
          required string name = 2;
          required UserStatus status = 3;
      }
      message LogonRespMessage {
          required LoginResult logonResult = 1;
          required UserInfo userInfo = 2;
      }
      这里将给出以上消息定义的关键性说明（仅包括上两小节中没有描述的）。
      1. LogonRespMessage消息的定义中包含另外一个消息类型作为其字段，如UserInfo userInfo。
      2. 上例中的UserInfo和LogonRespMessage被定义在同一个.proto文件中，那么我们是否可以包含在其他.proto文件中定义的message呢？Protocol Buffer提供了另外一个关键字import，这样我们便可以将很多通用的message定义在同一个.proto文件中，而其他消息定义文件可以通过import的方式将该文件中定义的消息包含进来，如：
      import "myproject/CommonMessages.proto"

2.4限定符(required/optional/repeated)的基本规则
      1. 在每个消息中必须至少留有一个required类型的字段。
      2. 每个消息中可以包含0个或多个optional类型的字段。
      3. repeated表示的字段可以包含0个或多个数据。需要说明的是，这一点有别于C++/Java中的数组，因为后两者中的数组必须包含至少一个元素。
      4. 如果打算在原有消息协议中添加新的字段，同时还要保证老版本的程序能够正常读取或写入，那么对于新添加的字段必须是optional或repeated。道理非常简单，老版本程序无法读取或写入新增的required限定符的字段。
2.5类型对照表

2.6 Protocol Buffer消息升级原则
      在实际的开发中会存在这样一种应用场景，既消息格式因为某些需求的变化而不得不进行必要的升级，但是有些使用原有消息格式的应用程序暂时又不能被立刻升级，这便要求我们在升级消息格式时要遵守一定的规则，从而可以保证基于新老消息格式的新老程序同时运行。规则如下：
      1. 不要修改已经存在字段的标签号。
      2. 任何新添加的字段必须是optional和repeated限定符，否则无法保证新老程序在互相传递消息时的消息兼容性。
      3. 在原有的消息中，不能移除已经存在的required字段，optional和repeated类型的字段可以被移除，但是他们之前使用的标签号必须被保留，不能被新的字段重用。
      4. int32、uint32、int64、uint64和bool等类型之间是兼容的，sint32和sint64是兼容的，string和bytes是兼容的，fixed32和sfixed32，以及fixed64和sfixed64之间是兼容的，这意味着如果想修改原有字段的类型时，为了保证兼容性，只能将其修改为与其原有类型兼容的类型，否则就将打破新老消息格式的兼容性。
      5. optional和repeated限定符也是相互兼容的。

2.7Packages
      我们可以在.proto文件中定义包名，如：
      package ourproject.lyphone;
      该包名在生成对应的C++文件时，将被替换为名字空间名称，既namespace ourproject { namespace lyphone。而在生成的Java代码文件中将成为包名。

2.8 Options
      Protocol Buffer允许我们在.proto文件中定义一些常用的选项，这样可以指示Protocol Buffer编译器帮助我们生成更为匹配的目标语言代码。Protocol Buffer内置的选项被分为以下三个级别：
      1. 文件级别，这样的选项将影响当前文件中定义的所有消息和枚举。
      2. 消息级别，这样的选项仅影响某个消息及其包含的所有字段。
      3. 字段级别，这样的选项仅仅响应与其相关的字段。
      下面将给出一些常用的Protocol Buffer选项。
      1. option java_package = "com.companyname.projectname";
      java_package是文件级别的选项，通过指定该选项可以让生成Java代码的包名为该选项值，如上例中的Java代码包名为com.companyname.projectname。与此同时，生成的Java文件也将会自动存放到指定输出目录下的com/companyname/projectname子目录中。如果没有指定该选项，Java的包名则为package关键字指定的名称。该选项对于生成C++代码毫无影响。
      2. option java_outer_classname = "LYPhoneMessage";
      java_outer_classname是文件级别的选项，主要功能是显示的指定生成Java代码的外部类名称。如果没有指定该选项，Java代码的外部类名称为当前文件的文件名部分，同时还要将文件名转换为驼峰格式，如：my_project.proto，那么该文件的默认外部类名称将为MyProject。该选项对于生成C++代码毫无影响。
      注：主要是因为Java中要求同一个.java文件中只能包含一个Java外部类或外部接口，而C++则不存在此限制。因此在.proto文件中定义的消息均为指定外部类的内部类，这样才能将这些消息生成到同一个Java文件中。在实际的使用中，为了避免总是输入该外部类限定符，可以将该外部类静态引入到当前Java文件中，如：import static com.company.project.LYPhoneMessage.*。
      3. option optimize_for = LITE_RUNTIME;
      optimize_for是文件级别的选项，Protocol Buffer定义三种优化级别SPEED/CODE_SIZE/LITE_RUNTIME。缺省情况下是SPEED。
      SPEED: 表示生成的代码运行效率高，但是由此生成的代码编译后会占用更多的空间。
      CODE_SIZE: 和SPEED恰恰相反，代码运行效率较低，但是由此生成的代码编译后会占用更少的空间，通常用于资源有限的平台，如Mobile。
      LITE_RUNTIME: 生成的代码执行效率高，同时生成代码编译后的所占用的空间也是非常少。这是以牺牲Protocol Buffer提供的反射功能为代价的。因此我们在C++中链接Protocol Buffer库时仅需链接libprotobuf-lite，而非libprotobuf。在Java中仅需包含protobuf-java-2.4.1-lite.jar，而非protobuf-java-2.4.1.jar。
      注：对于LITE_MESSAGE选项而言，其生成的代码均将继承自MessageLite，而非Message。    
      4. [pack = true]: 因为历史原因，对于数值型的repeated字段，如int32、int64等，在编码时并没有得到很好的优化，然而在新近版本的Protocol Buffer中，可通过添加[pack=true]的字段选项，以通知Protocol Buffer在为该类型的消息对象编码时更加高效。如：
      repeated int32 samples = 4 [packed=true]。
      注：该选项仅适用于2.3.0以上的Protocol Buffer。
      5. [default = default_value]: optional类型的字段，如果在序列化时没有被设置，或者是老版本的消息中根本不存在该字段，那么在反序列化该类型的消息是，optional的字段将被赋予类型相关的缺省值，如bool被设置为false，int32被设置为0。Protocol Buffer也支持自定义的缺省值，如：
      optional int32 result_per_page = 3 [default = 10]。
2.9 命令行编译工具
      protoc --proto_path=IMPORT_PATH --cpp_out=DST_DIR --java_out=DST_DIR --python_out=DST_DIR path/to/file.proto
      这里将给出上述命令的参数解释。
      1. protoc为Protocol Buffer提供的命令行编译工具。
      2. --proto_path等同于-I选项，主要用于指定待编译的.proto消息定义文件所在的目录，该选项可以被同时指定多个。
      3. --cpp_out选项表示生成C++代码，--java_out表示生成Java代码，--python_out则表示生成Python代码，其后的目录为生成后的代码所存放的目录。
      4. path/to/file.proto表示待编译的消息定义文件。
      注：对于C++而言，通过Protocol Buffer编译工具，可以将每个.proto文件生成出一对.h和.cc的C++代码文件。生成后的文件可以直接加载到应用程序所在的工程项目中。如：MyMessage.proto生成的文件为MyMessage.pb.h和MyMessage.pb.cc。

参考资料：http://i.cnblogs.com/PostDone.aspx?postid=4458913&actiontip=%e5%8f%91%e5%b8%83%e6%88%90%e5%8a%9f

Protocol Buffer详解

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原文地址：http://www.cnblogs.com/pdca/p/4458913.html