GO语言：Protobuf协议语法及原理

小咪咪 2022-11-22 12:56 289阅读 0赞

### **Protobuf 协议语法** ###

*  **message：**Protobuf中定义一个数据结构需要用到关键字message，这一点和Java的class，Go语言中的struct类似。
 *  **标识号：**在消息的定义中，每个字段等号后面都有唯一的标识号，用于在反序列化过程中识别各个字段的，一旦开始使用就不能改变。标识号从整数1开始，依次递增，每次增加1，标识号的范围为1~(2^99)-1，其中\[19000-19999\]为Protobuf协议预留字段，开发者不建议使用该范围的标识号；一旦使用，在编译时Protoc编译器会报出警告。
 *  **字段规则：**字段规则有三种：
    
     *  1、required：该规则规定，消息体中该字段的值是必须要设置的。
     *  2、optional：消息体中该规则的字段的值可以存在，也可以为空，optional的字段可以根据defalut设置默认值。
     *  repeated：消息体中该规则字段可以存在多个（包括0个），该规则对应java的数组或者go语言的slice。

*  **数据类型：**常见的数据类型与protoc协议中的数据类型映射如下：

![d1ea73e2d269e6e2194f0e4a7cae6d1a.png][]

![e1ada6d78d5087046f25ef7b5a29f7f1.png][]

*  **枚举类型：**proto协议支持使用枚举类型，和正常的编程语言一样，枚举类型可以使用enum关键字定义在.proto文件中：

enum Age{
     male=1;
     female=2;
      }

*  **字段默认值：**.proto文件支持在进行message定义时设置字段的默认值，可以通过**default**进行设置，如下所示：

message Address {
            required sint32 id = 1 [default = 1];
            required string name = 2 [default = '北京'];
            optional string pinyin = 3 [default = 'beijing'];
            required string address = 4;
            required bool flag = 5 [default = true];
        }

*  **导入：**如果需要引用的message是写在别的.proto文件中，可以通过import "xxx.proto"来进行引入：
 *  **嵌套：**message与message之间可以嵌套定义，比如如下形式：

syntax = "proto2";
      package example;
      message Person {
          required string Name = 1;
          required int32 Age = 2;
          required string From = 3;
          optional Address Addr = 4;
          message Address {
              required sint32 id = 1;
              required string name = 2;
              optional string pinyin = 3;
              required string address = 4;
          }
      }

*  **message更新规则：**message定义以后如果需要进行修改，为了保证之前的序列化和反序列化能够兼容新的message，message的修改需要满足以下规则：
    
     *  不可以修改已存在域中的标识号。
     *  所有新增添的域必须是 optional 或者 repeated。
     *  非required域可以被删除。但是这些被删除域的标识号不可以再次被使用。
     *  非required域可以被转化，转化时可能发生扩展或者截断，此时标识号和名称都是不变的。
     *  sint32和sint64是相互兼容的。
     *  fixed32兼容sfixed32。 fixed64兼容sfixed64。
     *  optional兼容repeated。发送端发送repeated域，用户使用optional域读取，将会读取repeated域的最后一个元素。

Protobuf 序列化后所生成的二进制消息非常紧凑，这得益于 Protobuf 采用的非常巧妙的 Encoding 方法。接下来看一看Protobuf协议是如何实现高效编码的。

### **Protobuf序列化原理** ###

之前已经做过描述，Protobuf的message中有很多字段，每个字段的格式为：**修饰符 字段类型 字段名 = 域号;**

### **Varint** ###

Varint是一种紧凑的表示数字的方法。它用一个或多个字节来表示一个数字，值越小的数字使用越少的字节数。这能减少用来表示数字的字节数。

Varint中的每个byte的最高位bit有特殊的含义，如果该位为1，表示后续的byte也是该数字的一部分，如果该位为0，则结束。其他的7个bit都用来表示数字。因此小于128的数字都可以用一个byte表示。大于128的数字，比如300，会用两个字节来表示：1010 1100 0000 0010。下图演示了 Google Protocol Buffer 如何解析两个bytes。注意到最终计算前将两个byte的位置相互交换过一次，这是因为 Google Protocol Buffer 字节序采用little-endian的方式。

![6542f650e07fdead1a14fd4e30308e23.png][]

在序列化时，Protobuf按照TLV的格式序列化每一个字段，T即Tag，也叫Key；V是该字段对应的值value；L是Value的长度，如果一个字段是整形，这个L部分会省略。

序列化后的Value是按原样保存到字符串或者文件中，Key按照一定的转换条件保存起来，序列化后的结果就是 KeyValueKeyValue…依次类推的样式，示意图如下所示：

![520e71407e6d953261f2052db55d43ad.png][]

采用这种Key-Pair结构无需使用分隔符来分割不同的Field。对于可选的Field，如果消息中不存在该field，那么在最终的Message Buffer中就没有该field，这些特性都有助于节约消息本身的大小。比如，我们有消息order1:

Order.id = 10;
    Order.desc = "bill";

则最终的 Message Buffer 中有两个Key-Value对，一个对应消息中的id；另一个对应desc。Key用来标识具体的field，在解包的时候，Protocol Buffer根据Key就可以知道相应的Value应该对应于消息中的哪一个field。

Key 的定义如下：

(field_number << 3) | wire_type

可以看到 Key 由两部分组成。第一部分是 field\_number，比如消息lm.helloworld中field id 的field\_number为1。第二部分为wire\_type。表示 Value的传输类型。而wire\_type有以下几种类型：

![f4a5022f2f3da2830686cf3b6333dad8.png][]

[d1ea73e2d269e6e2194f0e4a7cae6d1a.png]: /images/20221120/6d7f0494676d4b7f89564ce72d177811.png
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