数据传输优化之FlatBuffers

下面介绍三个数据序列化的候选方案:
• Protocal Buffers:强大,灵活,但是对内存的消耗会比较大,并不是移动终端上的最佳选择。
• Nano-Proto-Buffers:基于Protocal,为移动终端做了特殊的优化,代码执行效率更高,内存使用效率更佳。
• FlatBuffers:这个开源库最开始是由Google研发的,专注于提供更优秀的性能。

数据传输优化之FlatBuffers_第1张图片
三种性能对比

FlatBuffers 是一个开源的跨平台数据序列化库,可以应用到几乎任何语言(C++, C#, Go, Java, JavaScript, PHP, Python),最开始是 Google 为游戏或者其他对性能要求很高的应用开发的。项目地址在 GitHub 上。官方的文档在 这里。

基本原理

如官方文档的介绍,FlatBuffers 就像它的名字所表示的一样,就是把结构化的对象,用一个扁平化(Flat)的缓冲区保存,简单的来说就是把内存对象数据,保存在一个一维的数组中。借用 Facebook 文章2的一张图如下:

数据传输优化之FlatBuffers_第2张图片
Paste_Image.png

可见,FlatBuffers 保存在一个 byte 数组中,有一个“支点”指针(pivot point)以此为界,存储的内容分为两个部分:元数据和数据内容。其中元数据部分就是数据在前面,其长度等于对象中的字段数量,每个 byte 保存对应字段内容在数组中的索引(从支点位置开始计算)。
如图,上面的 Person 对象第一个字段是 name,其值的索引位置是 1,所以从索引位置 1 开始的字符串,就是 name 字段的值 "John"。第二个字段是 friendshipStatus,其索引值是 6,找到值为 2, 表示 NotFriend。第三个字段是 spouse,也一个 Person 对象,索引值是 12,指向的是此对象的支点位置。第四个字段是一个数组,图中表示的数组为空,所以索引值是 0。
通过上面的解析,可以看出,FlatBuffers 通过自己分配和管理对象的存储,使对象在内存中就是线性结构化的,直接可以把内存内容保存或者发送出去,加载“解析”数据只需要把 byte 数组加载到内存中即可,不需要任何解析,也不产生任何中间变量。
它与具体的机器或者运行环境无关,例如在 Java 中,对象内的内存不依赖 Java 虚拟机的堆内存分配策略实现,所以也是跨平台的。

1、数据的序列化和反序列化

服务器对象Object----流--->客户端Object对象

  • 序列化: Serializable/Parcelable
  • 时间:1ms * 10 * 50 * 20 = 10000ms
  • 性能:内存的浪费和CPU计算时间的占用。
  • 格式:json/xml(json序列化的工具GSON/fastjson)

2、FlatBuffer的优点

FlatBuffer 相对于其他序列化技术,例如 XML,JSON,Protocol Buffers 等,有哪些优势呢?官方文档的说法如下:

直接读取序列化数据,而不需要解析(Parsing)或者解包(Unpacking):FlatBuffer 把数据层级结构保存在一个扁平化的二进制缓存(一维数组)中,同时能够保持直接获取里面的结构化数据,而不需要解析,并且还能保证数据结构变化的前后向兼容。

高效的内存使用和速度:FlatBuffer 使用过程中,不需要额外的内存,几乎接近原始数据在内存中的大小。

  •  灵活:数据能够前后向兼容,并且能够灵活控制你的数据结构。
    
  • 很少的代码侵入性:使用少量的自动生成的代码即可实现。
    
  • 强数据类性,易于使用,跨平台,几乎语言无关。
    

3、 FlatBuffers 的缺点:

  • FlatBuffers 需要生成代码,对代码有侵入性;
  • 数据序列化没有可读性,不方便 Debug;
  • 构建 FlatBuffers 对象比较麻烦,不直观,特别是如果对象比较复杂情况下需要写大段的代码;
  • 数据的所有内容需要使用 Schema 严格定义,灵活性不如 JSON。

所以,在什么情况下选择使用 FlatBuffers 呢?个人感觉需要满足以下几点:

  1. 项目中有大量数据传输和解析,使用 JSON 成为了性能瓶颈;
  1. 稳定的数据结构定义。

4、FlatBuffer的使用

FlatBuffer:基于二进制的文件。
json:基于字符串的

  • 获取flatbuffers代码
    首先,我们需要得到 flatc,这个需要从源码编辑得到。从GitHub 上
    Clone 代码

$ git clone https://github.com/google/flatbuffers

  • 编写Schema
    要使用 FlatBuffers 的 IDL 定义好数据结构 Schema,编写 Schema 的详细文档。其语法和 C 语言类似,比较容易上手。我们这里引用一个简单的例子2,假设数据结构如下:
class Person {  
    String name;
    int friendshipStatus;
    Person spouse;
    Listfriends;
}

编写成 Schema 如下,文件名为 Person.fbs:

namespace com.race604.fbs;
enum FriendshipStatus: int {Friend = 1, NotFriend}
table Person {  
  name: string;
  friendshipStatus: FriendshipStatus = Friend;
  spouse: Person;
  friends: [Person];
}

root_type Person;  

然后,使用 flatc 可以把 Schema 编译成多种编程语言,我们仅仅讨论 Android 平台,所以把 Schema 编译成 Java,找到flatc.exe执行命令如下:

$ ./flatc –j -b Person.fbs

描述文件
namespace com.dn.ricky.performance.flatbuffer.lsn13_flatbuffer;
table Items {
    ItemId : long;
    timestemp : int;
    basic:[Basic];
}

table Basic{
    id:int;
    name:string;
    email:int;
    code:long;
    isVip:bool;
    count:int;
    carList:[Car];
}

table Car{
    id:long;
    number:long;
    describle:string;
}

root_type Items;
  public void serialize(View v){
        //==================序列化========================
        FlatBufferBuilder builder = new FlatBufferBuilder();
        int id1 = builder.createString("兰博基尼");
        //准备Car对象
        int car1 = Car.createCar(builder,10001L,88888L,id1);
        int id2 = builder.createString("奥迪A8");
        //准备Car对象
        int car2 = Car.createCar(builder,10001L,88888L,id2);
        int id3 = builder.createString("奥迪A9");
        //准备Car对象
        int car3 = Car.createCar(builder,10001L,88888L,id3);

        int[] cars = new int[3];
        cars[0]= car1;
        cars[1] = car2;
        cars[2] = car3;

        //创建Basic对象里面的Car集合
        int carList = Basic.createCarListVector(builder,cars);

        int name = builder.createString("jack");
        int email = builder.createString("[email protected]");
        int basic = Basic.createBasic(builder,10,name,email,100L,true,100,carList);
        int basicOffset = Items.createBasicVector(builder,new int[]{basic});
        /**
         * table Items {
                 ItemId : long;
                 timestemp : int;
                 basic:[Basic];
                 }
         */
        Items.startItems(builder);
        Items.addItemId(builder,1000L);
        Items.addTimestemp(builder,2016);
        Items.addBasic(builder,basicOffset);

        int rootItems = Items.endItems(builder);
        Items.finishItemsBuffer(builder,rootItems);

        //============保存数据到文件=================
        File sdcard = Environment.getExternalStorageDirectory();
        //保存的路径
        File file = new File(sdcard,"Items.txt");
        if(file.exists()){
            file.delete();
        }
        ByteBuffer data = builder.dataBuffer();
        FileOutputStream out = null;
        FileChannel channel = null;
        try {
            out = new FileOutputStream(file);
            channel = out.getChannel();
            while(data.hasRemaining()){
                channel.write(data);
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                if(out!=null){
                    out.close();
                }
                if(channel!=null){
                    channel.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    //===================反序列化=============================
        FileInputStream fis = null;
        FileChannel readChannel = null;
        try {
            fis = new FileInputStream(file);
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            readChannel = fis.getChannel();
            int readBytes = 0;
            while ((readBytes=readChannel.read(byteBuffer))!=-1){
                System.out.println("读取数据个数:"+readBytes);
            }
            //把指针回到最初的状态,准备从byteBuffer当中读取数据
            byteBuffer.flip();
            //解析出二进制为Items对象。
            Items items = Items.getRootAsItems(byteBuffer);
            //读取数据测试看看是否跟保存的一致
            Log.i(TAG,"items.id:"+items.ItemId());
            Log.i(TAG,"items.timestemp:"+items.timestemp());

            Basic basic2 = items.basic(0);
            Log.i(TAG,"basic2.name:"+basic2.name());
            Log.i(TAG,"basic2.email:"+basic2.email());

            //carList
            int length = basic2.carListLength();
            for (int i=0;i
数据传输优化之FlatBuffers_第3张图片
json传输的过程解析

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