在java程序中使用protobuf
1、为什么使用protobuf
我们知道数据在网络传输中是以二进制进行的，一般我们使用字节byte来表示， 一个byte是8bits，如果要在网络上中传输对象，一般需要将对象序列化，序列化的目的就是将对象转换成byte数组在网络中传输，当接收方接收到byte数组之后，再对byte数组进行反序列化，最终转换成java中的对象。
那么将java对象序列化可能会有如下几种方法：
（1）使用JDK自带的对象序列化，但是JDK自带的序列化本身存在一些问题，并且这种序列化手段只适合在java程序之间进行传输，如果是非java程序，比如PHP或者GO，那么序列化就不通用了。
（2）你还可以自定义序列化协使用JDK自带的对象序列化，但是JDK自带的序列化本身存在一些问题，并且这种序列化手段只适合在java程序之间进行传输，如果是非java程序，比如PHP或者GO，那么序列化就不通用了。
你还可以自定义序列化协议，这种方式的灵活程度比较高，但是不够通用，并且实现起来也比较复杂，很可能出现意想不到的问题。
（3）将数据转换成为XML或者JSON进行传输。XML和JSON的好处在于他们都有可以区分对象的起始符号，通过判断这些符号的位置就可以读取到完整的对象。但是不管是XML还是JSON的缺点都是转换成的数据比较大。在反序列化的时候对资源的消耗也比较多。
所以我们需要一种新的序列化的方法，这就是protobuf，它是一种灵活、高效、自动化的解决方案。
通过编写一个.proto的数据结构定义文件，然后调用protobuf的编译器，就会生成对应的类，该类以高效的二进制格式实现protobuf数据的自动编码和解析。 生成的类为定义文件中的数据字段提供了getter和setter方法，并提供了读写的处理细节。 重要的是，protobuf可以向前兼容，也就是说老的二进制代码也可以使用最新的协议进行读取。
2、定义.proto文件
.proto文件中定义的是你将要序列化的消息对象。我们来一个最基本的student.proto文件，这个文件定义了student这个对象中最基本的属性。
先看一个比较简单的.proto文件：
syntax = "proto3";
package com.flydean;
option java_multiple_files = true;
option java_package = "com.flydean.tutorial.protos";
option java_outer_classname = "StudentListProtos";
message Student {
optional string name = 1;
optional int32 id = 2;
optional string email = 3;
enum PhoneType {
MOBILE = 0;
HOME = 1;
}
message PhoneNumber {
optional string number = 1;
optional PhoneType type = 2;
}
repeated PhoneNumber phones = 4;
}
message StudentList {
repeated Student student = 1;
}
第一行定义的是protobuf中使用的syntax协议，默认情况下是proto2，因为目前最新的协议是proto3，所以这里我们使用proto3作为例子。
然后我们定义了所在的package，这个package是指编译的时候生成文件的包。这是一个命名空间，虽然我们在后面定义了java_package，但是为了和非java语言中的协议相冲突，所以定义package还是非常有必要的。
然后是三个专门给java程序使用的option。java_multiple_files, java_package， 和 java_outer_classname.
其中java_multiple_files指编译过后java文件的个数，如果是true，那么将会一个java对象一个类，如果是false，那么定义的java对象将会被包含在同一个文件中。
java_package指定生成的类应该使用的Java包名称。 如果没有明确的指定，则会使用之前定义的package的值。
java_outer_classname选项定义将表示此文件的包装类的类名。 如果没有给java_outer_classname赋值，它将通过将文件名转换为大写驼峰来生成。 例如，默认情况下，“student.proto”将使用"Student"作为包装类名称。
接下来的部分是消息的定义，对于简单类型来说可以使用bool, int32, float, double， 和 string来定义字段的类型。
上例中我们还使用了复杂的组合属性，和嵌套类型。还定义了一个枚举类。
上面我们为每个属性值分配了ID，这个ID是二进制编码中使用的唯一“标签”。因为在protobuf中标记数字1-15比16以上的标记数字占用的字节空间要更少，因此作为一种优化，通常将1-15这些标记用于常用或重复的元素，而将标记16和更高的标记用于不太常用的可选元素。
然后再来看看字段的修饰符，有三个修饰符分别是optional，repeated和required。
optional表示该字段是可选的，可以设置也可以不设置，如果没有设置，则会使使用默认值，对于简单类型来说，我们可以自定义默认值，如果不自定义，就会使用系统的默认值。对于系统的默认值来说，数字为0，字符串为空字符串，布尔值为false。
repeated表示该字段是可以重复的，这种重复实际上就是一种数组的结构。
required表示该字段是必须的，如果该字段没有值，那么该字段将会被认为是没有初始化，尝试构建未初始化的消息将抛出 RuntimeException，解析未初始化的消息将抛出 IOException。
注意：在Proto3中不支持required字段。
3、编译协议文件
定义好proto文件之后，就可以使用protoc命令对其进行编译了。
protoc是protobuf提供的编译器，一般情况下，可以从github的release库中直接下载即可。如果你不想直接下载，或者官方提供的库中并没有你需要的版本，则可以使用源代码直接进行编译。
protoc的使用的命令如下：
protoc --experimental_allow_proto3_optional -I=$SRC_DIR --java_out=$DST_DIR $SRC_DIR/student.proto
如果编译proto3,则需要添加--experimental_allow_proto3_optional选项。
我们运行一下上面的代码。会发现在com.flydean.tutorial.protos包里面生成了5个文件。分别是：
Student.java StudentList.java StudentListOrBuilder.java StudentListProtos.java StudentOrBuilder.java
其中StudentListOrBuilder和StudentOrBuilder是两个接口，Student和StudentList是这两个类的实现。
4、详解生成的文件
在proto文件中，我们主要定义了两个类Student和StudentList, 他们中定义了一个内部类Builder，以Student为例，看下这个两个类的定义：
public final class Student extends
com.google.protobuf.GeneratedMessageV3 implements
StudentOrBuilder
public static final class Builder extends
com.google.protobuf.GeneratedMessageV3.Builder implements
com.flydean.tutorial.protos.StudentOrBuilder
可以看到他们实现的接口都是一样的，表示他们可能提供了相同的功能。实际上Builder是对消息的一个封装器，所有对Student的操作都可以由Builder来完成。
对于Student中的字段来说，Student类只有这些字段的get方法，而Builder中同时有get和set方法。
对于Student来说，对于字段的方法有：
// required string name = 1; public boolean hasName(); public String getName(); // required int32 id = 2; public boolean hasId(); public int getId(); // optional string email = 3; public boolean hasEmail(); public String getEmail(); // repeated .tutorial.Person.PhoneNumber phones = 4; public ListgetPhonesList(); public int getPhonesCount(); public PhoneNumber getPhones(int index);
对于Builder来说，每个属性多了两个方法：
// required string name = 1; public boolean hasName(); public java.lang.String getName(); public Builder setName(String value); public Builder clearName(); // required int32 id = 2; public boolean hasId(); public int getId(); public Builder setId(int value); public Builder clearId(); // optional string email = 3; public boolean hasEmail(); public String getEmail(); public Builder setEmail(String value); public Builder clearEmail(); // repeated .tutorial.Person.PhoneNumber phones = 4; public ListgetPhonesList(); public int getPhonesCount(); public PhoneNumber getPhones(int index); public Builder setPhones(int index, PhoneNumber value); public Builder addPhones(PhoneNumber value); public Builder addAllPhones(Iterable value); public Builder clearPhones();
多出的两个方法是set和clear方法。clear是清空字段的内容，让其变回初始状态。
我们还定义了一个枚举类PhoneType：
public enum PhoneType
implements com.google.protobuf.ProtocolMessageEnum
这个类的实现和普通的枚举类没太大区别。
5、Builders 和 Messages
如上一节所示，Message对应的类只有get和has方法，所以它是不可以变的，消息对象一旦被构造，就不能被修改。要构建消息，必须首先构建一个构建器，将要设置的任何字段设置为你选择的值，然后调用构建器的 build()方法。
每次调用Builder的方法都会返回一个新的Builder，当然这个返回的Builder和原来的Builder是同一个，返回Builder只是为了方便进行代码的连写。
下面的代码是如何创建一个Student实例：
Student xiaoming =
Student.newBuilder()
.setId(1234)
.setName("小明")
.setEmail("[email protected]")
.addPhones(
Student.PhoneNumber.newBuilder()
.setNumber("010-1234567")
.setType(Student.PhoneType.HOME))
.build();
Student中提供了一些常用的方法，如isInitialized()检测是否所有必须的字段都设置完毕。toString()将对象转换成为字符串。使用它的Builder还可以调用clear()用来清除已设置的状态，mergeFrom(Message other)用来对对象进行合并。
6、序列化和反序列化
生成的对象中提供了序列化和反序列化方法，我们只需要在需要的时候对其进行调用即可：
- byte[] toByteArray();: 序列化消息并返回一个包含其原始字节的字节数组。
- static Person parseFrom(byte[] data);: 从给定的字节数组中解析一条消息。
- void writeTo(OutputStream output);: 序列化消息并将其写入 OutputStream.
- static Person parseFrom(InputStream input);: 从一个消息中读取并解析消息 InputStream.
通过使用上面的方法，可以很方便的将对象进行序列化和反序列化。
7、协议扩展
我们在定义好proto之后，假如后续还希望对其进行修改，那么我们希望新的协议对历史数据是兼容的。那么我们需要考虑下面几点：
- 不能更改现有字段的ID编号。
- 不能添加和删除任何必填字段。
- 可以 删除可选或重复的字段。
- 可以 添加新的可选字段或重复字段，但您必须使用新的ID编号。
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