在当今的软件开发领域，高效的数据序列化和通信协议是构建高性能、可扩展系统的关键。Protobuf（Protocol Buffers）作为一种流行的开源序列化框架，正因其出色的性能、简洁的语法和跨语言支持而备受青睐。本文将深入探讨 Protobuf 的原理和用法，并通过 C++ 代码进行实际操作演示。
一、Protobuf 原理
Protobuf 是一种轻便高效的结构化数据存储格式，类似于 XML 或 JSON，但具有更小的序列化后数据大小和更高的解析速度。它通过定义一个 .proto 文件来描述数据结构，然后使用 Protobuf 编译器将其生成特定语言（如 C++、Java、Python 等）的代码。
在序列化过程中，Protobuf 根据定义的字段规则，将数据转换为紧凑的二进制格式。在反序列化时，能够准确无误地还原出原始数据结构。
它具有以下特点：
• 语⾔⽆关、平台⽆关：即 ProtoBuf ⽀持 Java、C++、Python 等多种语⾔，⽀持多个平台
• ⾼效：即⽐ XML 更⼩、更快、更为简单
• 扩展性、兼容性好：你可以更新数据结构，⽽不影响和破坏原有的旧程序
使用流程：
• 编写.proto⽂件，⽬的是为了定义结构对象（message）及属性内容
• 使⽤protoc编译器编译.proto⽂件，⽣成⼀系列接⼝代码，存放在新⽣成头⽂件和源⽂件中
• 依赖⽣成的接⼝，将编译⽣成的头⽂件包含进我们的代码中，实现对.proto⽂件中定义的字段进⾏ 设置和获取，和对message对象进⾏序列化和反序列化
二、Protobuf 用法
1、定义 .proto 文件
首先，我们需要创建一个 .proto 文件来定义我们的数据结构。以下是一个简单的示例：
//声明proto语法版本
syntax = "proto3";
//声明代码的命名空间
package contacts;
//定义结构化对象：类型名 字段名 = 字段编号
message PeopleInfo {
string name = 1;
int32 age = 2;
}
在上述示例中，我们定义了一个名为 Person 的消息类型，包含了 name（字符串）、age（整数）和 is_married（布尔值）三个字段。
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。
该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 字段类型。在这⾥展⽰了与C++语⾔对应的类型。
2、编译 .proto 文件
使用 Protobuf 编译器（如 protoc）将 .proto 文件编译为目标语言的代码。
protoc cpp_out=output_directory student.proto其中，
--cpp_out指定输出目录为output_directory
3、在 C++ 中使用 Protobuf
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，以及一些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 部分代码展示
class PeopleInfo final : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {
public:
using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::CopyFrom;
1
2
3 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);
};
上述的例子中：
• 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一些实现，在这里就不展开了
那之前提到的序列化和反序列化方法在哪里呢？在消息类的父类 MessageLite 中，提供了读写消息实例的方法，包括序列化方法和反序列化方法。
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 可以参⻅ 完整列表
序列化与反序列化的使用
• 创建一个测试文件 info.cc ，方法中我们实现：
◦ 对一个联系人的信息使用 PB 进行序列化，并将序列化结果打印出来
◦ 对序列化后的内容使用 PB 进行反序列，解析出联系人信息并打印出来
#include <iostream>
#include "contacts.pb.h" // 引入编译生成的头文件
using namespace std;
int main() {
string people_str;
// 序列化
{
//.proto 文件声明的 package，通过 protoc 编译后，会为编译生成的 C++ 代码声明同名的命名空间
// 其范围是在.proto 文件中定义的内容
contacts::PeopleInfo people;
people.set_age(20);
people.set_name("张三");
// 调用序列化方法，将序列化后的二进制序列存⼊ string 中
if (!people.SerializeToString(&people_str)) {
cout << "序列化联系人失败." << endl;
}
// 打印序列化结果
cout << "序列化后的 people_str: " << people_str.size() << endl;
}
// 反序列化
{
contacts::PeopleInfo people;
// 调用反序列化方法，读取 string 中存放的二进制序列，并反序列化出对象
if (!people.ParseFromString(people_str)) {
cout << "反序列化出联系人失败." << endl;
}
// 打印结果
cout << "Parse age: " << people.age() << endl;
cout << "Parse name: " << people.name() << endl;
}
return 0;
}
• 代码书写完成后，编译
info.cc，生成可执行程序1 g++ info.cc contacts.pb.cc -o info -std=c++11 -lprotobuf◦ -lprotobuf：链接 protobuf 库文件
◦ -std=c++11：支持 C++11
• 执行可执行程序，可以看见 people 经过序列化和反序列化后的结果
序列化后的 people_str: 10
Parse age: 20
Parse name: 张三
由于 ProtoBuf 是把联系人对象序列化成了二进制序列，这里用 string 来作为接收二进制序列的容器。相对于 xml 和 JSON 来说，因为 PB 被编码成二进制，破解成本增大，ProtoBuf 编码是相对安全的。
