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一、序列化与反序列化

序列化和反序列化是在计算机科学中常见的概念，用于将对象或数据结构转换为字节流的过程，以便在网络上传输或存储在磁盘上，并在需要时重新构建成原始对象。

1.1 序列化

序列化（Serialization）是指将对象或数据结构转换为字节流的过程。在序列化过程中，对象的状态被转换为一系列的字节，可以包括对象的属性值、方法等信息。这些字节可以被存储在磁盘上或通过网络传输。

1.2 反序列化

反序列化（Deserialization）是指将字节流转换回对象或数据结构的过程。在反序列化过程中，字节流被解析，并恢复为原始的对象或数据结构，使其可以被程序进一步使用。

1.3 序列化与反序列化的使用场景

序列化和反序列化在许多应用场景中都是很有用的。一些常见的应用包括：

1. 对象持久化：通过序列化，可以将对象保存到磁盘上，以便在以后的时间点重新加载和使用。这在应用程序重启或数据传输的情况下非常有用。

2. 远程通信：当不同的系统或应用程序需要进行通信时，可以通过序列化将对象转换为字节流并在网络上传输。接收方可以通过反序列化将字节流重新构建成对象并进行处理。

3. 缓存和消息队列：序列化和反序列化可以在缓存系统或消息队列中使用，以便将对象存储在内存中或在不同的应用程序之间传递消息。

不同的编程语言和框架通常提供了序列化和反序列化的库或工具，用于简化这些过程。常见的序列化格式包括 JSON（JavaScript Object Notation）、XML（eXtensible Markup Language）、Protocol Buffers 等。选择适当的序列化格式取决于应用的需求和使用场景。

二、初识 Protobuf

• Protobuf (Protocol Buffers) 是一种用于序列化结构化数据的语言无关、平台无关的开源数据交换格式。它由Google开发，并在许多不同的应用程序和系统中广泛使用。

• Protobuf 的主要目标是提供一种高效、灵活和可扩展的方式来序列化结构化数据，使其可以在不同的平台和语言之间进行通信和存储。与其他序列化格式（如XML和JSON）相比，Protobuf具有更高的性能和更小的数据尺寸。

• 使用Protobuf，我们可以定义数据的结构和格式，然后使用 protoc 编译器生成与不同编程语言兼容的类或结构体。这些生成的类或结构体提供了一组方法，用于将数据序列化为 Protobuf 格式，以及从 Protobuf 格式反序列化回原始数据。

• Protobuf 支持包括C++、Java、Python、Go、C#等多种编程语言，使得不同语言的应用程序能够通过序列化和反序列化Protobuf 消息来进行跨平台和跨语言的通信。

• 总结起来，Protobuf 是一种用于序列化结构化数据的高性能、可扩展和跨平台的数据交换格式，它提供了一种定义数据结构的方式，并生成与多种编程语言兼容的代码。

三、Protobuf 的安装

关于 ProtoBuf 的安装可以参考我的另一篇博客：Windows 和 Linux 环境下 ProtoBuf 的安装。

四、Protobuf 的使用案例

这里我们以通讯录中的联系人为例：

• 对一个联系人的简单信息使用 Protobuf 进行序列化，并将结果保存到文件中。
• 对序列化后的内容使用 Protobuf 进行反序列化，解析出联系⼈信息并打印出来。

4.1 创建并编写 .proto 文件的基本规范与语法

文件规范：

• 创建.proto文件时，文件命名应该使用全小写字母进行命名，多个字母之间使用_连接，例如：lower_snake_case.proto。

添加注释：

• 向⽂件添加注释，可使用 // 或者 /* ... */。

指定 proto3 语法：

• Protocol Buffers 语⾔版本3，简称 proto3，是.proto文件最新的语法版本。proto3简化了 Protocol Buffers 语⾔，既易于使用，⼜可以在更⼴泛的编程语⾔中使⽤。即允许使用 Java、C++、Python等多种语言生成 Protocol Buffer 代码。
• 在.proto文件中，要使用 syntax = "proto3"; 来指定文件语法为proto3，并且必须写在除去注释内容的第一行。如果没有指定，编译器会使用proto2语法。

package 声明符：

• package是⼀个可选的声明符，能表示.proto文件的命名空间，在项目中要有唯⼀性。它的作用是为了避免我们定义的消息出现冲突。
• 其语法为package 作用域名称;。

定义消息（message）：

• 消息（message）即要定义的结构化对象，可以在这个结构化对象中定义其对应的属性内容。
• 为什么要定义消息？

• 在网络传输中，我们需要为传输双方定制协议。定制协议其实就是定义结构体或者结构化数据，比如TCP、UDP 报文就是结构化的数据。
• 另外将数据持久化存储到数据库时，也会将⼀系列元数据统⼀使用对象组织起来，再进行存储。

所以 Protobuf 就是以定义 message 的方式来支持我们定制协议字段，后期帮助我们形成类和方法来使用的。

定义消息字段：
在 message 中我们可以定义其属性字段，字段定义格式为：字段类型 字段名 = 字段唯⼀编号；

• 字段名称命名规范：全小写字⺟，多个字⺟之间⽤_连接。
• 字段类型分为：标量数据类型 和 特殊类型（包括枚举、其他消息类型等）。
• 字段唯⼀编号：⽤来标识字段，⼀旦开始使⽤就不能够再改变。

以下表格展示了定义于消息体中的标量数据类型，以及编译.proto文件之后自动生成的类中与之对应的 C++语言 中的字段类型。

.proto Type	Notes	C++ Type
double	双精度浮点数。	double
float	单精度浮点数。	float
int32	使用变长编码。负数的编码效率较低，若字段可能为负值，应使用 sint32 代替。	int32
int64	使用变长编码。负数的编码效率较低，若字段可能为负值，应使用 sint64 代替。	int64
uint32	使用变长编码。	uint32
uint64	使用变长编码。	uint64
sint32	使用变长编码。符号整型，负值的编码效率⾼于常规的 int32 类型。	int32
int64	使用变长编码。符号整型，负值的编码效率⾼于常规的 int64 类型。	int64
fixed32	定长 4 字节。若值常大于 2^28 则会比 uint32 更高效。	uint32
fixed64	定长 8 字节。若值常大于 2^56 则会比 uint64 更高效。	uint64
sfixed32	定长 4 字节。	int32
sfixed64	定长 8 字节。	int64
bool	布尔类型	bool
string	包含 UTF-8 和 ASCII 编码的字符串，长度不能超过 2^32。	string
bytes	可包含任意的字节序列，但长度不能超过 2^32。	string

值得⼀提的是，范围为 1 ~ 15 的字段编号需要⼀个字节进行编码，16 ~ 2047 内的数字需要两个字节进行编码。编码后的字节不仅只包含了编号，还包含了字段类型。所以 1 ~ 15 要用来标记出现非常频繁的字段，因此这些字段编号要为将来有可能添加的，频繁出现的字段预留⼀些出来。

创建并编写contacts.proto文件：

syntax = "proto3"; // 首行：语法指定
package contacts2; //指定作用域message PeopleInfo 
{string name = 1; //姓名int32 age = 2;   //年龄// repeated string phone_numbers = 3;// 嵌套定义messagemessage Phone {string number = 1;}repeated Phone phone = 3; //电话信息
}//通讯录message
message Contacts 
{repeated PeopleInfo contacts = 1; 
}

4.2 编译 .proto 文件

编译命令：

• 编译命令行格式为：

protoc [--proto_path=IMPORT_PATH] --cpp_out=DST_DIR path/to/file.proto
# protoc 是 Protocol Buffer 提供的命令⾏编译⼯具。
# --proto_path 指定 被编译的.proto⽂件所在⽬录，可多次指定。可简写成 -I
# IMPORT_PATH 如不指定该参数，则在当前⽬录进⾏搜索。当某个.proto ⽂件 import 其他 .proto ⽂件时，或需要编译的 .proto ⽂件不在当前⽬录下，这时就要⽤ -I 来指定搜索⽬录。
# --cpp_out= 指编译后的⽂件为 C++ ⽂件。
# OUT_DIR 编译后⽣成⽂件的⽬标路径。
# path/to/file.proto 要编译的.proto⽂件。

• 编译 contacts.proto文件命令如下：

protoc --cpp_out=. contacts.proto 

编译 contacts.proto 文件后会生成什么?

• 编译 contacts.proto 文件后，会生成所选择语⾔的代码，这里选择的是C++，所以编译后生成了两个文件： contacts.pb.h 和 contacts.pb.cc 。
• 对于编译生成的 C++ 代码，包含了以下内容：

• 对于每个 message，都会⽣成⼀个对应的消息类。
• 在消息类中，编译器为每个字段提供了获取和设置方法，以及其他能够操作字段的方法。
• 编辑器会针对于每个 .proto 文件生成 .h 和 .cc 文件，分别用来存放类的声明与类的实现。

contacts.pb.h部分代码展式：

class PeopleInfo final : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {
public:using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::CopyFrom;void CopyFrom(const PeopleInfo& from);using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::MergeFrom;void MergeFrom( const PeopleInfo& from) {PeopleInfo::MergeImpl(*this, from);}static ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::StringPiece FullMessageName() {return "PeopleInfo";}// string name = 1;void clear_name();const std::string& name() const;template <typename ArgT0 = const std::string&, typename... ArgT>void set_name(ArgT0&& arg0, ArgT... args);std::string* mutable_name();PROTOBUF_NODISCARD std::string* release_name();void set_allocated_name(std::string* name);// int32 age = 2;void clear_age();int32_t age() const;void set_age(int32_t value);
};

上述的代码中：
• 每个字段都有设置和获取的⽅法，getter的名称与小写字段完全相同，setter方法以set_开头。
• 每个字段都有⼀个clear_ 方法，可以将字段重新设置回empty状态。

contacts.pb.cc中的代码就是对类声明方法的实现，这里就不进行展示了。

到这里我们可能就有疑惑了，那之前提到的序列化和反序列化方法在哪⾥呢？其实通过不断的翻阅生成的源代码，可以发现在消息类Message的⽗类 MessageLite 中，里面提供了读写消息实例的方法，包括序列化和反序列化方法。

class MessageLite {
public:
//序列化：
bool SerializeToOstream(ostream* output) const; // 将序列化后数据写⼊⽂件流
bool SerializeToArray(void *data, int size) const;
bool SerializeToString(string* output) const;//反序列化：
bool ParseFromIstream(istream* input); // 从流中读取数据，再进⾏反序列化动作
bool ParseFromArray(const void* data, int size);
bool ParseFromString(const string& data);
};

注意：

• 序列化的结果为⼆进制字节序列，而非文本格式。
• 以上三种序列化的⽅法没有本质上的区别，只是序列化后输出的格式不同，可以供不同的应用场景使用。
• 序列化的 API 函数均为 const 成员函数，因为序列化不会改变类对象的内容，而是将序列化的结果保存到函数入参指定的地址中。
• 详细 message API 可以参考 Protobuf 官方文档。

4.3 序列化与反序列化的使用

分别创建write.cc和read.cc源文件：

• 其中write.cc负责将输入的联系人信息序列化，任何保存到文件中。
• read.cc负责从文件中读取数据，然后将其反序列化为联系人对象，然后打印出来。

write.cc：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"using namespace std;void AddPeopleInfo(contacts2::PeopleInfo *people)
{cout << "-------------新增联系⼈-------------" << endl;cout << "请输入联系人姓名：";string name;getline(cin, name);people->set_name(name);cout << "请输入联系人年龄：";int age;cin >> age;people->set_age(age);cin.ignore(256, '\n'); // 清除缓冲区中的回车等数据，直到遇到‘\n’；// 如果清除个256字符还没遇到‘\n’，也会停下来；// 缓冲区内容不足256，也没有遇到‘\n’，也会停止for (int i = 0;; ++i){cout << "请输⼊联系⼈电话" << i + 1 << "(只输⼊回⻋完成电话新增): ";string number;getline(cin, number);if (number.empty()){break;}contacts2::PeopleInfo_Phone *phone = people->add_phone();phone->set_number(number);}cout << "-----------添加联系⼈成功-----------" << endl;
}main()
{contacts2::Contacts contacts;// 先读取本地已经存在的通讯录文件fstream input("contacts.bin", ios::in | ios::binary);if (!input){cout << "contacts.bin not found, create a new file!" << std::endl;}else if (!contacts.ParseFromIstream(&input)){cerr << "parse error!" << endl;input.close();return -1;}// 向通讯录中添加联系人AddPeopleInfo(contacts.add_contacts());// 将通讯录写入本地文件fstream output("contacts.bin", ios::out | ios::trunc | ios::binary); // 覆盖写入，前面已经读取通讯录内容if (!contacts.SerializeToOstream(&output)){cerr << "write error!" << endl;input.close();output.close();return -1;}cout << "write sucess!" << endl;input.close();output.close();return 0;
}

read.cc：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"using namespace std;void PrintContacts(contacts2::Contacts &contacts)
{for (int i = 0; i < contacts.contacts_size(); ++i){cout << "--------------------联系人" << i + 1 << "--------------------"<<endl;const ::contacts2::PeopleInfo &people = contacts.contacts(i);cout << "联系人姓名：" << people.name() << endl;cout << "联系人年龄：" << people.age() << endl;for (int j = 0; j < people.phone_size(); ++j){const ::contacts2::PeopleInfo_Phone &phone = people.phone(j);cout << "联系人电话" << j + 1 << ": "<< phone.number() << endl;}}
}int main()
{contacts2::Contacts contacts;// 先读取本地已经存在的通讯录文件fstream input("contacts.bin", ios::in | ios::binary);if (!contacts.ParseFromIstream(&input)){cerr << "parse error!" << endl;input.close();return -1;}// 打印通讯录列表PrintContacts(contacts);return 0;
}

注意，最后在使用g++编译源代码的时候，需要加上lprotobuf和-std=c++11。若不加前者，会链接报错；后者使用C++11语法进行编译。

首先执行write，输入联系人信息，可见将数据序列化后保存到文件Contacts.bin文件中：

由于 Protobuf 是把联系人对象序列化成了二进制序列，因此直接查看文件就是一堆乱码。可以执行read文件，读取后进行反序列化并打印出来：

五、总结 ProtoBuf 的使用特点

Protobuf 的使用方法可以用以下图片进行概括：

其使用步骤可描述如下：

1. 首先编写.proto 文件，目的就是结构对象（message）及其属性内容。
2. 使用 protoc 编译器编译 .proto 文件，生成一系列的相关的接口代码，存放在新的头文件和源文件中。
3. 依赖生成的接口，将编译生成的头文件包含进我们自己的代码中，实现对 .proto 文件中定义的字段进行设置和获取，以及对 message /对象进行序列化和反序列化。

总的来说，Protobuf 就是是需要依赖通过编译生成的头文件和源文件来使用的。有了这种代码生成机制，开发人员再也不用辛辛苦苦地编写那些协议解析的代码了。