"都甩掉吧，我们的世界一定会更美好！其他不重要！"

前面呢，我们讲了如何在Linux环境下安装Protobuf所需的库，那么本篇的着眼点在于Protobuf的编写以及语法规则。

什么是proto3?

ProtocolBuffers语⾔版本3，简称proto3，是.proto⽂件最新的语法版本。proto3简化了ProtocolBuffers语⾔，既易于使⽤，⼜可以在更⼴泛的编程语⾔中使⽤。它允许你使⽤Java，C++，Python等多种语⾔⽣成protocolbuffer代码。

我们在创建一个.proto⽂件中时，需要首行使用,syntax = "proto3" 来指定文件的语法为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。

一、Protobuf初始

(1) package包声明

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。

(2) 定义(message)消息

消息(message):要定义的结构化对象，我们可以给这个结构化对象中定义其对应的属性内容。

在实际的网络传输中，我们所谓的一些协议，如http/https、tcp、udp、websocket等等，说白了这些协议本质上就是一个一个的结构化数据。所以ProtoBuf就是以message的⽅式来⽀持我们定制协议字段。

.proto⽂件中定义⼀个消息类型的格式为：

# 消息类型命名规范：使⽤驼峰命名法，⾸字⺟⼤写
message msg_name{
    // 属性字段
}

(3) 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；
例如:
message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
}

当然字段类型会在之后细讲，这里面我们只是了解个大概。

(4) 编译.proto文件

我们仍然举例上一份proto代码的例子，要将它进行编译。

protoc [--proto_path=IMPORT_PATH] --cpp_out=DST_DIR path/to/file.proto

● protoc: 是Protobuf的编译器

● --proto_path: 指定被编译的.proto文件的所在目录,如果.proto文件不在当前目录下，就需要带上-I进行指明。

● --cpp_out=: 编译后生产cpp文件

● DST_DIR: 编译后生成的文件的目录路径

● path/to/file.proto: 要编译的.proto文件

编译.proto文件之后，会生成什么呢？

我们对举例的那份代码进行编译，立马就生成了两个新的文件:
test.pb.cc test.pb.h，这难道不就是C++文件的后缀格式？

以及，我们发现我们定义的message消息，最终会被用来构造一个类，并为获取该消息字段提供了一定的方法。

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，以及⼀下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。
test.pb.h部分代码展⽰

(5) 序列化与反序列化

对现在我了解到了protobuf C++做出数据存储的本质是在于，生成另一个新的.cc\.h文件，并通过里面的类来重新定义message里的消息字段，可是作为数据交换格式语言，你现在扯这么多还没有到如何进行序列化、反序列化？那这个方法在哪里有呢？

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。

注:

        • 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messageAPI可以参⻅: 这里

序列化、反序列化如何使用呢？

说了这么多，但是你就是不会使用，那也是白搭。

#include "test.pb.h"

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{
    string serlization_people_info;

    // 序列化
    {
        Contacts::PeopleInfo pf;
        /*
        message PeopleInfo{
            string name = 1;
            int32 age = 2;
        }*/
        pf.set_name("张三");
        pf.set_age(18);
        // 进行序列化
        if (!pf.SerializeToString(&serlization_people_info))
        {
            std::cout << "序列化失败" << std::endl;
            return;
        }

        std::cout << "序列化成功: " << serlization_people_info << std::endl;
    }

    // 反序列化
    {
        Contacts::PeopleInfo dpf;
        if (!dpf.ParseFromString(serlization_people_info))
        {
            std::cout << "反序列化失败" << std::endl;
            return;
        }

        // 序列化结果
        cout << "姓名: " << dpf.name() << endl;
        cout << "年龄: " << dpf.age() << endl;
    }
    
    return 0;
}

进行编译，这里使用的makefile:

test:test.cc test.pb.cc

g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lprotobuf

为什么我们打印"serlization_people_info"是这样的结果呢？是因为ProtoBuf是把联系⼈对象序列化成了⼆进制序列，但这⾥⽤string来作为接收⼆进制序列的容器，因此在终端打印的时候会有换⾏等⼀些乱码显⽰。

所以相对于对于xml和JSON来说，因为被编码成⼆进制，破解成本增⼤，ProtoBuf编码是相对安全的。

二、proto3语法规则详解

(1) 字段规则

消息的字段可以⽤下⾯⼏种规则来修饰：
● singular：消息中可以包含该字段零次或⼀次（不超过⼀次）。proto3语法中，字段默认使⽤该规则。

● repeated：消息中可以包含该字段任意多次（包括零次），其中重复值的顺序会被保留。可以理解为定义了⼀个数组。

message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    // 一个人的电话号码可以重复
    repeated string phone_number = 3;
}

(2) 消息类的定义与嵌套

在单个.proto⽂件中可以定义多个消息体，且⽀持定义嵌套类型的消息（任意多层）。每个消息体中的字段编号可以重复。

// 嵌套写法
message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    message Phone{
        string number = 1;
    }
}

// 非嵌套
message Phone{
    string number = 1;
}

message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
}

①消息类型可作为字段类型使⽤:

// 嵌套写法
message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;

    message Phone{
        string number = 1;
    }
    // 消息类型
    repeated Phone phone = 3;
}

② 可导⼊其他.proto⽂件的消息并使⽤

syntax = "proto3";
package contacts;
import "phone.proto"; // 使⽤ import 将 phone.proto ⽂件导⼊进来 !!!

message PeopleInfo {
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    // 引⼊的⽂件声明了package，使⽤消息时，需要⽤ ‘命名空间.消息类型’ 格式
    repeated phone.Phone phone = 3;
}

三、Proto3类型

(1) 数值类型

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)。
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。

标量数据类型
.proto Type	Notes	C++ Type
double		double
float		float
int32	使用变长编码[1],负数的编码效率较低——若字段可能为负值，应使用sint32替代。	int32
int64	使用变长编码[1],负数的编码效率较低——若字段可能为负值，应使用sint64替代。	int64
uint32	使用变长编码[1]	uint32
uint64	使用变长编码[1]	uint64
sint32	使用变长编码[1],有符号整型。负值的编码效率高于常规的int32	int32
sint64	使用变长编码[1],有符号整型。负值的编码效率高于常规的int64	int64
fixed32	定长4字节，若值常大于2^28次方，则会比uint32更高效	uint32
fixed64	定长8字节，若值常大于2^56次方，则会比uint64更高效	uint64
sfixed32	定长4字节	int32
sfixed64	定长8字节	int64
bool		bool
string	包括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

注:"[1]变⻓编码是指：经过protobuf编码后，原本4字节或8字节的数可能会被变为其他字节数"

(2) 特殊类型

① enum枚举类型:

语法⽀持我们定义枚举类型并使⽤。在.proto⽂件中枚举类型的书写规范为：

枚举类型名称：
使⽤驼峰命名法，⾸字⺟⼤写。
常量值名称：
全⼤写字⺟，多个字⺟之间⽤ _ 连接。

enum Phone_Type{
    // 移动
    MP = 0;
    // 固定
    TEL = 1; 
}

注:

● 0值常量必须存在，且要作为第⼀个元素。这是为了与proto2的语义兼容：第⼀个元素作为默认值，且值为0.
● 枚举类型可以在消息外定义，也可以在消息体内定义(嵌套).
● 枚举的常量值在32位整数的范围内。但因负值⽆效因⽽不建议使⽤(与编码规则有关).

● 同级（同层）的枚举类型，各个枚举类型中的常量不能重名.

② Any类型:

字段还可以声明为Any类型，可以理解为泛型类型。使⽤时可以在Any中存储任意消息类型。Any类型的字段也⽤repeated来修饰。
Any类型是google已经帮我们定义好的类型，在安装ProtoBuf时，其中的include⽬录下查找所有google已经定义好的.proto⽂件。

// 导入文件
import "google/protobuf/any.proto";

message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    message Phone{
        string number = 1;
    }
    repeated Phone phone = 3;
        
    // Any字段
    google.protobuf.Any data = 4;
}

Any类型字段有独有的方法:

● 设置和获取：获取⽅法的⽅法名称与⼩写字段名称完全相同。设置⽅法可以使⽤mutable_⽅
法，返回值为Any类型的指针，这类⽅法会为我们开辟好空间，可以直接对这块空间的内容进⾏
修改。

③ oneof类型:

如果消息中有很多可选字段，并且将来同时只有⼀个字段会被设置，那么就可以使⽤ oneof 加强这个⾏为，也能有节约内存的效果。

message PeopleInfo{
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    message Phone{
        string number = 1;
    }
    
    oneof other_contact{
        string qq = 5;
        string wx = 6;
    }
}

注:

● 可选字段中的字段编号，不能与⾮可选字段的编号冲突.

● 不能在oneof中使⽤repeated字段.

● 将来在设置oneof字段中值时，如果将oneof中的字段设置多个，那么只会保留最后⼀次设置的成员，之前设置的oneof成员会⾃动清除.

④ map类型:

语法⽀持创建⼀个关联映射字段，也就是可以使⽤map类型去声明字段类型，格式为：
"map<key_type, value_type> map_field = N"

要注意的是：
● key_type是除了float和bytes类型以外的任意标量类型,value_type 可以是任意类型.
● map字段不可以⽤repeated修饰.
● map中存⼊的元素是⽆序的.

四、Proto3其他项

(1) 默认值

反序列化消息时，如果被反序列化的⼆进制序列中不包含某个字段，反序列化对象中相应字段时，就会设置为该字段的默认值。不同的类型对应的默认值不同:

• 对于字符串，默认值为空字符串。
• 对于字节，默认值为空字节。
• 对于布尔值，默认值为false。
• 对于数值类型，默认值为0。
• 对于枚举，默认值是第⼀个定义的枚举值，必须为0。

• 对于消息字段，未设置该字段。它的取值是依赖于语⾔。
• 对于设置了repeated的字段的默认值是空的(通常是相应语⾔的⼀个空列表)。
• 对于消息字段、 oneof字段和 any字段，C++和Java语⾔中都有has_⽅法来检测当前字段是否被设置。

(2) 更新消息

有时候，因为场景的变化现有的消息类型已经不再满⾜我们的需求，例如需要扩展⼀个字段，在不破坏任何现有代码的情况下更新消息类型⾮常简单。遵循如下规则即可：

● 禁⽌修改任何已有字段的字段编号。

● 若是移除⽼字段，要保证不再使⽤移除字段的字段编号。正确的做法是保留字段编号(reserved之后会细讲),以确保该编号将不能被重复使用。不建议直接删除或注释掉字段。

● int32，uint32，int64，uint64和bool是完全兼容的。可以从这些类型中的⼀个改为另⼀个，⽽不破坏前后兼容性。若解析出来的数值与相应的类型不匹配，会采⽤与C++⼀致的处理⽅案(例如，若将64位整数当做32位进⾏读取，它将被截断为32位)。

● sint32和sint64相互兼容但不与其他的整型兼容。

● string和bytes在合法UTF-8字节前提下也是兼容的。

● bytes包含消息编码版本的情况下，嵌套消息与bytes也是兼容的。

● fixed32与sfixed32兼容，fixed64与sfixed64兼容。

● enum与int32，uint32，int64和uint64兼容（注意若值不匹配会被截断）。但要注意当反序列化消息时会根据语⾔采⽤不同的处理⽅案：例如，未识别的proto3枚举类型会被保存在消息中，但是当消息反序列化时如何表⽰是依赖于编程语⾔的。整型字段总是会保持其的值。

● oneof
◦ 将⼀个单独的值更改为新oneof类型成员之⼀是安全和⼆进制兼容的。
◦ 若确定没有代码⼀次性设置多个值那么将多个字段移⼊⼀个新oneof类型也是可⾏的。
◦ 将任何字段移⼊已存在的oneof类型是不安全的。