浅谈protobuf

最新推荐文章于 2025-10-08 15:36:39 发布

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1. protobuf是什么？

1.1 protobuf概述

protobuf是Google公司提出的一种轻便高效的结构化数据存储格式，常用于结构化数据的序列化，具有语言无关、平台无关、可扩展性特性，常用于通讯协议、服务端数据交换场景，github地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf

protobuf的核心内容包括：

定义消息：消息的结构体，以message标识。
定义接口：接口路径和参数，以service标识。

通过protobuf提供的机制，服务端与服务端之间只需要关注接口方法名（service）和参数（message）即可通信，而不需关注繁琐的链路协议和字段解析，极大降低了服务端的设计开发成本。

1.2 protobuf使用案例

假设有个服务端程序SSR，期望对外提供一个注册接口，调用方传入手机号、姓名、邮箱三个信息，其中邮箱是选填的，那通过protobuf如何来实现接口定义呢？

step1: 定义服务名SSR和方法名register

service SSR {
    rpc register(RegisterRequest) returns (RegisterResponse);
};

step2: 定义接口参数和约束

message RegisterRequest {
    required string name = 1; // 姓名
    required string tel = 2; // 手机号
    optional string email = 3; // 邮箱：可选
};
message RegisterResponse {
    required int code = 1; // 错误码
    optional string err_msg = 2; // 错误信息
};

step3: 使用protoc生成语言相关的协议代码

// for golang
protoc -I . -I /usr/local/include -I $(GOPATH)/src --go_out=. ssr.proto

// for cpp
protoc -I . -I /usr/local/include --cpp_out=. ssr.proto

利用官方提供的protoc生成语言无关的协议代码，比如golang、C++、python等等

step4：实现protobuf定义的接口

class SsrImpl : public proto::SSR {
    void register(::google::protobuf::RpcController* controller,
                    const proto::RegisterRequest* request,
                    proto::RegisterResponse* response,
                    ::google::protobuf::Closure* done);
}

step5：通过rpc框架注册Service & 实现业务逻辑

// 比如baidu-rpc框架为例
auto ssr = new baidu::rpc::Server();
ssr->AddService(new SsrImpl(), baidu::rpc::SERVER_DOESNT_OWN_SERVICE);

通过protobuf我们可以低成本的定义调用接口，并且无需关注繁琐的序列化过程，大大降低了服务端的开发设计成本。

1.3 protobuf延伸知识

为了支持复杂数据结构和实现对数据的种种约束，protobuf内置了自己的一套规则和语法，详细可以参考：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/overview

在一些特殊场景需求时，可以查阅protobuf开发者文档。

2. protobuf vs JSON vs flatbuf

数据交换除了使用protobuf外，还可以使用JSON、flatbuf等，这里简单介绍一下各自的优缺点和适用场景。

protobuf

优势：
- 类型安全
- 易用性好
- 序列化/反序列性能好
- 兼容性好
- 不仅可以定义结构体，还可以定义rpc服务接口
劣势：
- 可读性较差：没有schema的情况下，难以阅读和编辑。
- 灵活性较差：无法动态修改schema。

json: https://www.json.org/json-zh.html

优势：
- 可读性好：方便理解和编辑
- 易用性好：使用简单
- 灵活性好：支持动态修改schema
劣势：
- 序列化/反序列化性能差
- 编码问题导致解析失败之类的

flatbuf: https://google.github.io/flatbuffers/

优势：
- 灵活性好
- 性能好：序列化/反序列化几乎无耗时、高效的内存使用和读取速度。
- 占用内存小
劣势：
- 可读性差
- 易用性差：使用成本高，接口较为复杂

序列化/反序列化性能对比图：（来源于 https://codeburst.io/json-vs-protocol-buffers-vs-flatbuffers-a4247f8bda6f）

各自的应用场景，可以参看图：

简单总结：

rpc场景定义服务接口使用protobuf。（开发者友好 & 更好的性能）
高频序列化/反序列化场景 & 期望灵活schema则使用flatbuf。（灵活的schema & 更好的性能）
关注可读性&开发成本则使用JSON。（开发者友好 & 灵活的schema）

3. protobuf坑和小技巧

字符串如果包含非英文字符，建议使用bytes字段：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto#scalar
已有字段的field number不要修改：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto#assigning_field_numbers
慎用required字段，容易造成不兼容的隐患（既不能删，又不能加）：https://stackoverflow.com/questions/31801257/why-required-and-optional-is-removed-in-protocol-buffers-3
路过的老哥，帮点个赞。。

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