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Apache Thrift系列详解(三) - 序列化机制

前言

Thrift支持二进制压缩格式,以及json格式数据的序列化反序列化。开发人员可以更加灵活的选择协议的具体形式。协议是可自由扩展的,新版本的协议,完全兼容老的版本!

正文

数据交换格式简介

当前流行的数据交换格式可以分为如下几类:

(一) 自解析型

序列化的数据包含完整的结构, 包含了field名称value。比如xml/json/java serizable,大百度的mcpack/compack,都属于此类。即调整不同属性的顺序序列化/反序列化不造成影响。

(二) 半解析型

序列化的数据,丢弃了部分信息, 比如field名称, 但引入了index(常常是id+type的方式)来对应具体属性。这方面的代表有google protobuf/thrift也属于此类。

(三) 无解析型

传说中大百度的infpack实现,就是借助该种方式来实现,丢弃了很多有效信息性能/压缩比最好,不过向后兼容需要开发做一定的工作, 详情不知。

交换格式 类型 优点 缺点
Xml 文本 易读 臃肿,不支持二进制数据类型
JSON 文本 易读 丢弃了类型信息,比如"score":100,对score类型是int/double解析有二义性, 不支持二进制数据类型
Java serizable 二进制 使用简单 臃肿,只限制在JAVA领域
Thrift 二进制 高效 不易读,向后兼容有一定的约定限制
Google Protobuf 二进制 高效 不易读,向后兼容有一定的约定限制

Thrift的数据类型

  1. 基本类型:   bool: 布尔值   byte: 8位有符号整数   i16: 16位有符号整数   i32: 32位有符号整数   i64: 64位有符号整数   double: 64位浮点数   string: UTF-8编码的字符串   binary: 二进制串
  2. 结构体类型:   struct: 定义的结构体对象
  3. 容器类型:   list: 有序元素列表   set: 无序无重复元素集合   map: 有序的key/value集合
  4. 异常类型:   exception: 异常类型
  5. 服务类型:   service: 具体对应服务的类

Thrift的序列化协议

Thrift可以让用户选择客户端服务端之间传输通信协议的类别,在传输协议上总体划分为文本(text)和二进制(binary)传输协议。为节约带宽提高传输效率,一般情况下使用二进制类型的传输协议为多数,有时还会使用基于文本类型的协议,这需要根据项目/产品中的实际需求。常用协议有以下几种:

  • TBinaryProtocol:二进制编码格式进行数据传输
  • TCompactProtocol:高效率的、密集二进制编码格式进行数据传输
  • TJSONProtocol: 使用JSON文本的数据编码协议进行数据传输
  • TSimpleJSONProtocol:只提供JSON只写的协议,适用于通过脚本语言解析

Thrift的序列化测试

(a). 首先编写一个简单的thrift文件pair.thrift

struct Pair {
    1: required string key
    2: required string value
}
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这里标识了required的字段,要求在使用时必须正确赋值,否则运行时会抛出TProtocolException异常。缺省和指定为optional时,则运行时不做字段非空校验。

(b). 编译并生成java源代码:

thrift -gen java pair.thrift
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(c). 编写序列化和反序列化的测试代码:

  • 序列化测试,将Pair对象写入文件中
private static void writeData() throws IOException, TException {
    Pair pair = new Pair();
    pair.setKey("key1").setValue("value1");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("pair.txt"));
    pair.write(new TBinaryProtocol(new TIOStreamTransport(fos)));
    fos.close();
}
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  • 反序列化测试,从文件中解析生成Pair对象
private static void readData() throws TException, IOException {
    Pair pair = new Pair();
    FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("pair.txt"));
    pair.read(new TBinaryProtocol(new TIOStreamTransport(fis)));
    System.out.println("key => " + pair.getKey());
    System.out.println("value => " + pair.getValue());
    fis.close();
}
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(d) 观察运行结果,正常输出表明序列化反序列化过程正常完成。

Thrift协议源码

(一) writeData()分析

首先查看thrift序列化机制,即数据写入实现,这里采用二进制协议TBinaryProtocol,切入点为pair.write(TProtocol)

查看scheme()方法,决定采用元组计划(TupleScheme)还是标准计划(StandardScheme)来实现序列化,默认采用的是标准计划StandardScheme

标准计划(StandardScheme)下的write()方法:

这里完成了几步操作:

(a). 根据Thrift IDL文件中定义了required的字段验证字段是否正确赋值。

public void validate() throws org.apache.thrift.TException {
  // check for required fields
  if (key == null) {
    throw new org.apache.thrift.protocol.TProtocolException("Required field 'key' was not present! Struct: " + toString());
  }
  if (value == null) {
    throw new org.apache.thrift.protocol.TProtocolException("Required field 'value' was not present! Struct: " + toString());
  }
}
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(b). 通过writeStructBegin()记录写入结构开始标记

public void writeStructBegin(TStruct struct) {}
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(c). 逐一写入Pair对象的各个字段,包括字段字段开始标记字段的值字段结束标记

if (struct.key != null) {
  oprot.writeFieldBegin(KEY_FIELD_DESC);
  oprot.writeString(struct.key);
  oprot.writeFieldEnd();
}
// 省略...
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(1). 首先是字段开始标记,包括typefield-idtype是字段的数据类型的标识号field-idThrift IDL定义的字段次序,比如说key为1,value为2。

public void writeFieldBegin(TField field) throws TException {
  writeByte(field.type);
  writeI16(field.id);
}
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Thrift提供了TType,对不同的数据类型(type)提供了唯一标识的typeID

public final class TType {
    public static final byte STOP   = 0;   // 数据读写完成
    public static final byte VOID   = 1;   // 空值
    public static final byte BOOL   = 2;   // 布尔值
    public static final byte BYTE   = 3;   // 字节
    public static final byte DOUBLE = 4;   // 双精度浮点型
    public static final byte I16    = 6;   // 短整型
    public static final byte I32    = 8;   // 整型
    public static final byte I64    = 10;  // 长整型
    public static final byte STRING = 11;  // 字符串类型
    public static final byte STRUCT = 12;  // 引用类型
    public static final byte MAP    = 13;  // Map
    public static final byte SET    = 14;  // 集合
    public static final byte LIST   = 15;  // 列表
    public static final byte ENUM   = 16;  // 枚举
}
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(2). 然后是写入字段的值,根据字段的数据类型又归纳为以下实现:writeByte()writeBool()writeI32()writeI64()writeDouble()writeString()writeBinary()方法。

TBinaryProtocol通过一个长度为8byte字节数组缓存写入读取的临时字节数据。

private final byte[] inoutTemp = new byte[8];
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**常识1:**16进制的介绍。以0x开始的数据表示16进制,0xff换成十进制为255。在16进制中,A、B、C、D、E、F这五个字母来分别表示10、11、12、13、14、15。

16进制十进制:f表示15。第n位的权值为16的n次方,由右到左从0位起:0xff = 1516^1 + 1516^0 = 255 16进制二进制再变十进制:0xff = 1111 1111 = 2^8 - 1 = 255

**常识2:**位运算符的使用。>>表示代表右移符号,如:int i=15; i>>2的结果是3,移出的部分将被抛弃。而<<表示左移符号,与>>刚好相反。

转为二进制的形式可能更好理解,0000 1111(15)右移2位的结果是0000 0011(3),0001 1010(18)右移3位的结果是0000 0011(3)。

  • writeByte():写入单个字节数据。
public void writeByte(byte b) throws TException {
  inoutTemp[0] = b;
  trans_.write(inoutTemp, 01);
}
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  • writeBool():写入布尔值数据。
public void writeBool(boolean b) throws TException {
  writeByte(b ? (byte)1 : (byte)0);
}
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  • writeI16():写入短整型short类型数据。
public void writeI16(short i16) throws TException {
  inoutTemp[0] = (byte)(0xff & (i16 >> 8));
  inoutTemp[1] = (byte)(0xff & (i16));
  trans_.write(inoutTemp, 02);
}
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  • writeI32():写入整型int类型数据。
public void writeI32(int i32) throws TException {
  inoutTemp[0] = (byte)(0xff & (i32 >> 24));
  inoutTemp[1] = (byte)(0xff & (i32 >> 16));
  inoutTemp[2] = (byte)(0xff & (i32 >> 8));
  inoutTemp[3] = (byte)(0xff & (i32));
  trans_.write(inoutTemp, 04);
}
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  • writeI64():写入长整型long类型数据。
public void writeI64(long i64) throws TException {
  inoutTemp[0] = (byte)(0xff & (i64 >> 56));
  inoutTemp[1] = (byte)(0xff & (i64 >> 48));
  inoutTemp[2] = (byte)(0xff & (i64 >> 40));
  inoutTemp[3] = (byte)(0xff & (i64 >> 32));
  inoutTemp[4] = (byte)(0xff & (i64 >> 24));
  inoutTemp[5] = (byte)(0xff & (i64 >> 16));
  inoutTemp[6] = (byte)(0xff & (i64 >> 8));
  inoutTemp[7] = (byte)(0xff & (i64));
  trans_.write(inoutTemp, 08);
}
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  • writeDouble():写入双浮点型double类型数据。
public void writeDouble(double dub) throws TException {
  writeI64(Double.doubleToLongBits(dub));
}
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  • writeString():写入字符串类型,这里先写入字符串长度,再写入字符串内容
public void writeString(String str) throws TException {
  try {
    byte[] dat = str.getBytes("UTF-8");
    writeI32(dat.length);
    trans_.write(dat, 0, dat.length);
  } catch (UnsupportedEncodingException uex) {
    throw new TException("JVM DOES NOT SUPPORT UTF-8");
  }
}
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  • writeBinary:写入二进制数组类型数据,这里数据输入是NIO中的ByteBuffer类型。
public void writeBinary(ByteBuffer bin) throws TException {
  int length = bin.limit() - bin.position();
  writeI32(length);
  trans_.write(bin.array(), bin.position() + bin.arrayOffset(), length);
}
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(3). 每个字段写入完成后,都需要记录字段结束标记

public void writeFieldEnd() {}
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(d). 当所有的字段都写入以后,需要记录字段停止标记

public void writeFieldStop() throws TException {
  writeByte(TType.STOP);
}
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(e). 当所有数据写入完成后,通过writeStructEnd()记录写入结构完成标记

public void writeStructEnd() {}
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(二) readData()分析

查看thrift反序列化机制,即数据读取实现,同样采用二进制协议TBinaryProtocol,切入点为pair.read(TProtocol)

数据读取数据写入一样,也是采用的标准计划StandardScheme标准计划(StandardScheme)下的read()方法:

这里完成的几步操作:

(a). 通过readStructBegin读取结构开始标记

iprot.readStructBegin();
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(b). 循环读取结构中的所有字段数据Pair对象中,直到读取到org.apache.thrift.protocol.TType.STOP为止。iprot.readFieldBegin()指明开始读取下一个字段的前需要读取字段开始标记

while (true) {
  schemeField = iprot.readFieldBegin();
  if (schemeField.type == org.apache.thrift.protocol.TType.STOP) {
    break;
  }
  // 字段的读取,省略...
}
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(c). 根据Thrift IDL定义的field-id读取对应的字段,并赋值到Pair对象中,并设置Pair对象相应的字段为已读状态(前提:字段在IDL中被定义为required)。

switch (schemeField.id) {
  case 1: // KEY
    if (schemeField.type == org.apache.thrift.protocol.TType.STRING) {
      struct.key = iprot.readString();
      struct.setKeyIsSet(true);
    } else {
      org.apache.thrift.protocol.TProtocolUtil.skip(iprot, schemeField.type);
    }
    break;
  case 2: // VALUE
    if (schemeField.type == org.apache.thrift.protocol.TType.STRING) {
      struct.value = iprot.readString();
      struct.setValueIsSet(true);
    } else {
      org.apache.thrift.protocol.TProtocolUtil.skip(iprot, schemeField.type);
    }
    break;
  default:
    org.apache.thrift.protocol.TProtocolUtil.skip(iprot, schemeField.type);
}
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关于读取字段的值,根据字段的数据类型也分为以下实现:readByte()readBool()readI32()readI64()readDouble()readString()readBinary()方法。

  • readByte():读取单个字节数据。
public byte readByte() throws TException {
  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= 1) {
    byte b = trans_.getBuffer()[trans_.getBufferPosition()];
    trans_.consumeBuffer(1);
    return b;
  }
  readAll(inoutTemp, 01);
  return inoutTemp[0];
}
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  • readBool():读取布尔值数据。
public boolean readBool() throws TException {
  return (readByte() == 1);
}
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  • readI16():读取短整型short类型数据。
public short readI16() throws TException {
  byte[] buf = inoutTemp;
  int off = 0;

  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= 2) {
    buf = trans_.getBuffer();
    off = trans_.getBufferPosition();
    trans_.consumeBuffer(2);
  } else {
    readAll(inoutTemp, 02);
  }

  return (short) (((buf[off] & 0xff) << 8) |
                 ((buf[off+1] & 0xff)));
}
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  • readI32():读取整型int类型数据。
public int readI32() throws TException {
  byte[] buf = inoutTemp;
  int off = 0;

  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= 4) {
    buf = trans_.getBuffer();
    off = trans_.getBufferPosition();
    trans_.consumeBuffer(4);
  } else {
    readAll(inoutTemp, 04);
  }
  return ((buf[off] & 0xff) << 24) |
         ((buf[off+1] & 0xff) << 16) |
         ((buf[off+2] & 0xff) <<  8) |
         ((buf[off+3] & 0xff));
}
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  • readI64():读取长整型long类型数据。
public long readI64() throws TException {
  byte[] buf = inoutTemp;
  int off = 0;

  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= 8) {
    buf = trans_.getBuffer();
    off = trans_.getBufferPosition();
    trans_.consumeBuffer(8);
  } else {
    readAll(inoutTemp, 08);
  }

  return ((long)(buf[off]   & 0xff) << 56) |
         ((long)(buf[off+1] & 0xff) << 48) |
         ((long)(buf[off+2] & 0xff) << 40) |
         ((long)(buf[off+3] & 0xff) << 32) |
         ((long)(buf[off+4] & 0xff) << 24) |
         ((long)(buf[off+5] & 0xff) << 16) |
         ((long)(buf[off+6] & 0xff) <<  8) |
         ((long)(buf[off+7] & 0xff));
}
复制代码
  • readDouble():读取双精度浮点double类型数据。
public double readDouble() throws TException {
  return Double.longBitsToDouble(readI64());
}
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  • readString():读取字符串类型的数据,首先读取并校验4字节的字符串长度,然后检查NIO缓冲区中是否有对应长度的字节未消费。如果有,直接从缓冲区中读取;否则,从传输通道中读取数据。
public String readString() throws TException {
  int size = readI32();
  checkStringReadLength(size);

  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= size) {
    try {
      String s = new String(trans_.getBuffer(), trans_.getBufferPosition(), size, "UTF-8");
      trans_.consumeBuffer(size);
      return s;
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
      throw new TException("JVM DOES NOT SUPPORT UTF-8");
    }
  }

  return readStringBody(size);
}
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如果是从传输通道中读取数据,查看readStringBody()方法:

public String readStringBody(int size) throws TException {
  try {
    byte[] buf = new byte[size];
    trans_.readAll(buf, 0, size);
    return new String(buf, "UTF-8");
  } catch (UnsupportedEncodingException uex) {
    throw new TException("JVM DOES NOT SUPPORT UTF-8");
  }
}
复制代码
  • readBinary():读取二进制数组类型数据,和字符串读取类似,返回一个ByteBuffer字节缓存对象。
public ByteBuffer readBinary() throws TException {
  int size = readI32();
  checkStringReadLength(size);

  if (trans_.getBytesRemainingInBuffer() >= size) {
    ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(trans_.getBuffer(), trans_.getBufferPosition(), size);
    trans_.consumeBuffer(size);
    return bb;
  }

  byte[] buf = new byte[size];
  trans_.readAll(buf, 0, size);
  return ByteBuffer.wrap(buf);
}
复制代码

(d). 每个字段数据读取完成后,都需要再读取一个字段结束标记

public void readFieldEnd() {}
复制代码

(e). 当所有字段读取完成后,需要通过readStructEnd()再读入一个结构完成标记

public void readStructEnd() {}
复制代码

(f). 读取结束后,同样需要校验在Thrift IDL中定义为required的字段是否为空,是否合法。

public void validate() throws org.apache.thrift.TException {
  // check for required fields
  if (key == null) {
    throw new org.apache.thrift.protocol.TProtocolException("Required field 'key' was not present! Struct: " + toString());
  }
  if (value == null) {
    throw new org.apache.thrift.protocol.TProtocolException("Required field 'value' was not present! Struct: " + toString());
  }
}
复制代码

总结

其实到这里,对于Thrift序列化机制反序列化机制具体实现高效性,相信各位已经有了比较深入的认识!

相关链接

  1. Apache Thrift系列详解(一) - 概述与入门

  2. Apache Thrift系列详解(二) - 网络服务模型

  3. Apache Thrift系列详解(三) - 序列化机制


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