揭秘ProtoBuf：打造未来通信的数据基石！

叶知秋水
77 阅读14分钟

背景介绍

序列化一直以来都是计算机科学领域的基石之一，而当它与ProtoBuf的高效性和兼容性结合时，便开启了数据存储和传输的新纪元。ProtoBuf，或称Protocol Buffers，是Google推出的一种数据序列化协议，在未来的通讯和数据格式定义上展现出其不可或缺的地位。

ProtoBuf的官方概述页面提到，它是一种语言中立、平台中立的可扩展机制，旨在序列化结构化数据。去除掉所有技术性的术语，ProtoBuf的核心目的无非是把数据结构转化为跨平台所能认识的通用格式，以便于在不同系统间进行高效的存储或网络传输。

接下来，我将会详细探讨ProtoBuf的定义和用法，包括如何在现有的架构中实现它，以及它在数据处理方面的明显优势。

ProtoBuf是什么

protocolbuffers.png

在深入ProtoBuf世界之前，理解序列化的基本概念是至关重要的。简而言之，序列化是指将数据结构或对象转换为一种跨平台可识别的格式，以实现数据的存储和传输。在不同环境中——无论是不同的编程语言、操作系统还是网络架构——数据都能得到有效的识别和使用。

ProtoBuf就是这样一种工具，它提供了一个结构化数据的序列化和反序列化框架。借助ProtoBuf，开发者能将复杂的数据结构编码为紧凑的二进制格式，从而实现快速传输。例如，在.proto文件中定义的数据结构：

syntax = "proto3";
message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
}

以上代码段展示了表达一个ProtoBuf消息对象的基本语法。这里指定了使用proto3版本的语法，并描述了一个包含name、id和email字段的Person消息。

ProtoBuf的序列化过程，大致可分为以下几个步骤：

1、定义数据结构：使用.proto文件定义需要交换的数据的消息结构。

2、生成类代码：利用protobuf编译器（protoc）从.proto文件生成目标编程语言的源代码。

3、序列化与反序列化：在程序中使用生成的源代码序列化数据为二进制格式，或将二进制数据反序列化为可用的数据结构。

这样的设计使得ProtoBuf与具体的编程语言或者平台无关，极大地增强了软件系统之间的互操作能力，在微服务、跨平台应用程序与复杂系统架构中占有一席之地。

ProtoBuf的特性及优势

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掌握ProtoBuf的定义后，了解它的优势尤为重要。在数据序列化领域，JSON和XML长久以来是知名的选项，但ProtoBuf凭借其独特的特性逐渐显现出在某些场景下更为适用。以下是ProtoBuf相较于JSON和XML的主要优势：

  • 更小的数据尺寸：ProtoBuf使用二进制格式来存储数据，相比于JSON和XML的文本格式，可以显著减少数据的大小。尤其在网络传输中，减少数据尺寸能够明显提升传输速度和效率。

  • 更快的序列化与反序列化速度：由于其简洁的二进制格式，ProtoBuf在解码和编码数据时通常比基于文本的格式更快。这为实时数据处理提供了极大的便利。

  • 更好的跨语言兼容性：ProtoBuf是语言中立的，支持广泛的编程语言，从而使得不同语言编写的系统之间的数据交换更为无缝。

  • 向前和向后的兼容性：在ProtoBuf中，可以非常容易地进行消息格式的升级，同时保持旧版本代码的兼容性，这是在广泛分布式系统中非常宝贵的一个特性。

  • 强类型系统：ProtoBuf通过.proto文件定义数据结构，提供了清晰的类型系统，而JSON和XML在类型表达上相对宽松，可能导致数据歧义。

  • 支持复杂的数据结构：虽然JSON和XML可以表示复杂数据结构，但ProtoBuf通过消息嵌套和复杂类型定义，能更为方便地描述和处理高复杂度数据构造。

尽管ProtoBuf拥有许多明显的优势，但它也具有一些局限。例如，二进制格式不便于人类阅读和调试，且在使用过程中需要保持.proto文件的一致性，这对于一些更倾向于使用文本格式和开放标准的场景可能不太适用。

对于开发者而言，在决定是否使用ProtoBuf时，需要根据项目的具体需求和场景作出明智的选择。

ProtoBuf的使用

protobuf_avatar.png

protobuf的使用，这里介绍两种方式，先介绍常规的使用方式。

方式一：

ProtoBuf的工作流程主要围绕三个步骤：定义数据结构、生成源代码以及序列化与反序列化。下面，我们简要介绍每个步骤的核心内容。

  1. 定义数据结构

ProtoBuf的第一步始于定义数据结构——这是通过.proto文件实现的。.proto是一种特定域语言(Domain Specific Language, DSL)，允许你明确地指定消息的结构以及包含的数据类型。

示例.proto文件：

syntax = "proto3"; // 指明语法版本
message Person {
  string name = 1; // 字段名称与数据类型，并配以唯一标识号
  int32 id = 2; // 每个字段类型都有指定的标准数据类型
  string email = 3;
  ...
}

这些定义既简明扼要，又具有强类型和扩展性，使得数据结构在不同语言之间传递时维持明确的一致性。

备注：proto的语法可见：protobuf.dev/programming…

  1. 生成源代码

定义了.proto文件后，需要使用ProtoBuf编译器protoc将其转换为目标编程语言的源代码。编译器会根据.proto文件中的定义生成数据访问类，这些类提供了序列化、反序列化及数据访问的API。

例如：

protoc --js_out=import_style=commonjs,binary:. your_protobuf_file.proto

该命令会将addressbook.proto文件编译成nodejs源文件。

注意：protoc是 Protocol Buffers 编译器，可以编译出不同语音的源代码

  1. 序列化与反序列化

得到源代码之后，就可以在程序中使用这些API了。序列化过程是将数据结构(如Java对象)转换成二进制流，以便于存储或网络传输；反序列化则是将二进制流还原回原始的数据结构。

在nodejs里还需要使用protobufjs。用法如下：

const protobuf = require('protobufjs');
 
// 加载生成的 protobuf 文件
protobuf.load("your_protobuf_file.proto", function(err, root) {
    if (err)
        throw err;
 
    // 获取消息对象
    const Message = root.lookupType("package.Message");
 
    // 创建新消息
    const message = Message.create({ /* message fields */ });
    
    // 序列化消息
    const buffer = Message.encode(message).finish();
    
    // 反序列化消息
    const decodedResult = Message.decode(buffer);
});

通过这一流程，复杂的数据可以在不同的系统和语言之间高效、准确地传输。即时通讯、云基础设施和大数据处理等多种应用场景都得益于ProtoBuf的数据处理功能。

方式二：

在nodejs里，借助google-protobuf可以在不定义proto文件和不编译源码库的情况下使用protobuf。具体如下：

const protobuf = require('google-protobuf');
// 创建一个消息
const message = new protobuf.Message();
// 对消息设置字段值
message.setName('Alice');
message.setAge(30);
// 序列化消息为二进制数据
const serializedData = message.serializeBinary();

不需要定义 .proto 文件的主要原因是因为在 Node.js 环境中直接使用 google-protobuf 包时，它提供了一种更直接的方式来创建和操作 protobuf 消息，而不需要显式地定义 .proto 文件。

在这种情况下，你可以直接使用 google-protobuf 包中提供的类和功能来创建、序列化和反序列化消息，而无需事先定义数据结构。这种方式更适合在 Node.js 中进行动态或临时数据交换的场景，省去了编写和维护 .proto 文件的步骤。

虽然省去了定义 .proto 文件的步骤，但需要注意的是，这种方式可能会使数据结构变得更加隐式和不明确，可能不如在使用显式定义 .proto 文件的方式那样规范和易于维护。因此，具体应用场景和需求会影响你选择是否使用 .proto 文件的决定。

ProtoBuf的压缩原理

理解Protobuf的技术细则是充分利用其功能的关键。ProtoBuf的接口定义语言(IDL)为开发者提供了一种定义和交换数据结构的标准化方法。以下是深入解析ProtoBuf技术的核心方面。proto的消息定义主要包含以下内容：描述数据结构，包括字段名、字段类型、字段顺序标识符等，每个字段的定义都包括一个类型(如int32, string等)和一个唯一的标识符。标识符是一个正数，用于字段在二进制格式的协议缓冲区中的顺序。

message Example {
  int32 age = 1;
  string name = 2;
  bool is_member = 3;
}

那protobuf是如何实现数据压缩的呢？其实现包体积压缩的原理主要有以下几个关键点：

1、二进制编码：ProtoBuf使用二进制格式来序列化数据，相比于文本格式（如JSON）它可以更高效地表示数据。二进制编码消耗的空间通常比文本表示法更少，因为它不包含任何冗余元数据或可读性信息。

2、变长编码：在对数字数据进行编码时，ProtoBuf采用了一种变长编码方式，将数据变换为可变长度的字节数，例如0-127之间的小数字，用一个字节表示，128-16383之间的中等数字，用两个字节表示。这种编码方式在表示较小的数字时使用更少的字节数，从而节省了空间。

3、字段标识：每个字段在编码时都会包含一个字段标识，用于唯一标识该字段的类型和顺序。这样的设计使得解析器能够准确地识别字段，避免了歧义，同时也有助于节约空间。

4、省略字段名：ProtoBuf在实际的编码过程中不会包含字段名，而只包含字段号。因为在解析时，程序会根据字段号来确定如何解析数据。这一点与JSON等文本格式不同，避免了重复传输字段名称，减小了数据包的体积。

5、压缩重复数据：当有重复的数据出现时，ProtoBuf会使用引用来避免重复编码相同的数据。相同的数据只会被编码一次，重复的地方会引用前面已经编码过的数据，这样节省了空间。

总的来说，ProtoBuf通过采用紧凑的二进制编码方法、字段标识、不序列化字段名等技术，实现了高效的数据压缩，从而减小包体积，在网络传输和数据存储中起到了非常重要的作用。

ProtoBuf的应用

ProtoBuf的实际应用广泛而多变，凭借其高效性和跨平台的特性，ProtoBuf已在多个重要领域扮演了关键角色。以下是ProtoBuf一些具体的实践示例，它们展示了ProtoBuf如何在不同行业中被利用以优化数据处理和传输。

1、在消息队列系统中

消息队列系统是微服务架构中常见的组件，负责处理不同服务间的信息传递。ProtoBuf以其紧凑的二进制格式，优化了消息的序列化和反序列化过程，减少了网络传输的负担，从而提高了消息传递的效率。

2、大数据和机器学习

在需要处理海量数据的场景，如大数据分析和机器学习任务中，ProtoBuf的使用减少了数据存储空间，并且提高数据处理速度，尤其是在分布式计算环境中，这样的性能提升尤为宝贵。

3、云基础设施

云服务提供商使用ProtoBuf来优化存储和网络资源。通过减少传输数据的大小，加快启动和运行时间，ProtoBuf为云平台提供了更加高效、灵活的数据管理方式。

4、接口描述和服务定义

在微服务架构中，ProtoBuf通常与gRPC（Google远程过程调用）一起使用，为接口定义和服务之间的通信提供一种快速、类型安全的方法。这种配合使用大大简化了分布式系统中的服务互联。

5、游戏开发

许多游戏公司利用ProtoBuf来处理客户端和服务器之间的数据通讯，例如同步玩家状态、游戏进度和实时交互数据。ProtoBuf在处理数据同步方面提供了速度与安全性的保障。

6、物联网 (IoT)

在物联网领域，ProtoBuf帮助设备和服务器之间进行有效的通讯。数据尺寸的减小对于带宽受限制的IoT设备尤其有益，能够减轻网络负担并延伸设备的电池寿命。

ProtoBuf的这些实际应用仅是浅尝辄止，它的潜力远不止于此。ProtoBuf的设计为适应不断发展的技术环境打下了坚实的基础。随着更多的系统和应用开始使用ProtoBuf，我们可以期待它在未来数据处理中发挥更大的作用。

为确保使用ProtoBuf的系统具有持久的稳定性和兼容性，采纳最佳实践是至关重要的。下面是有关如何在变化的环境中保持数据结构兼容性的一些建议。

1、保持字段的兼容性

在更新.proto文件时，保持向后兼容性至关重要。应避免重新使用任何已存在的字段编号，同样建议不更改已有字段的字段类型。如果需要移除字段，不要删除字段标识，而是使用reserved来预留这些字段编号和名称。

2、采用通用类型

官方定义的通用类型应该尽可能被用于消息定义中，例如使用google.protobuf.Timestamp来表示时间戳，而不是自定义的字符串或整数字段。

3、坚持代码风格与可读性

.proto文件应该采用一致的格式和样式，类似其他源代码文件。这些文件应该能够自我说明并包含注释，尤其是描述复杂的数据结构或业务逻辑时。

4、使用标签和枚举值时的注意事项

建议尽可能使用1到15之间的标签编号（因为它们在编码时只占用一个字节），并留出一些空间以备将来使用。对于枚举类型，应该始终指定0作为第一个枚举值，以充当默认值。

5、迁移和扩展

通过reserved关键字防止字段编号和名称的重复使用。这不仅有助于避免意外的破坏性更改，确保了将来消息可以无缝扩展。

6、版本控制

.proto文件应该包含在版本控制系统中，以跟踪和管理更改。确保所有使用.proto文件的团队成员都能访问到最新版本，是避免兼容性问题的关键步骤。

遵循这些最佳实践，可以使开发团队充分利用ProtoBuf的强大特性，同时确保应用在不断变化的产品环境中也能保持弹性。

总结

通过对ProtoBuf从理论到实践的全面探索之旅，我们现在能够认识到它作为一种数据序列化工具的强大能力。它的设计初衷是为了解决效率、兼容性和跨平台通讯的需求，并且在经受了工业界多年的考验之后，它已经成为现代软件架构中不可或缺的组成部分。

ProtoBuf的出现不仅仅推进了数据序列化技术的发展，它也成为了系统之间通讯设计的典型参考。在ProtoBuf的帮助下，团队能够无缝地合作，即便是在使用不同编程语言和框架的情况下。

一方面，ProtoBuf促进了高效的数据传输；另一方面，它也鼓励了开发者采用更坚固、更标准化的数据交换方式。通过本文章，我们希望读者能得到启发，在未来的开发工作中能够更好地利用ProtoBuf的优势，构建更为强大的应用和服务。

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