在Python中使用Protobuf

前言

之前做游戏开发时，游戏服务端与前端采用Protobuf来进行数据传输，为了避免被人恶意破解，还对Protobuf产生的数据做了简单的偏移处理。最近又要用到Protobuf了，所以简单记录一下相关内容。

背景知识

我们日常使用最多的数据通信格式应该是JSON，但在一些请求很大的应用上，JSON有2个问题：

• 1.JSON中有很多业务无关数据，如大括号、中括号等，传输时，这些数据浪费带宽。

• 2.JSON解码速度慢，量大时，解码对服务器资源占用大了一些。

Google遇到了这些问题，然后提出了Protobuf，其核心目的就是解决上述2个问题。

Protobuf选择二进制编码的形式，将业务数据编码到其中，不会有无关数据，甚至连字段名都不会编码进去，这让带宽压力减小，此外Google自己设计了编码与解码算法，以保证资源占用合理且尽量快速的特点。

此外，Protobuf还有一个福作用：人类对编码后的数据比较难读。这个副作用从一定程度实现数据保护的效果，一些网站利用这个特性实现了反爬。

因为发展原因，Protobuf分为proto2和proto3两个版本，两者是不相兼容的，即使用proto2应用无法与使用proto3的应用通信，本文主要讨论proto3，且不会涉及proto2与proto3的比较。

proto文件语法

使用Protobuf通信的第一步，便是定义出proto文件，我们先展示一个简单的proto文件，如下：

message Person{
    required string name = 1;
    message Info{
        required int32 id = 1;
        repeated string phonenumber = 2; 
    }
    repeated Info info = 2;
}

先思考一下，为啥需要proto文件？为何不能像JSON那样直接使用呢？

回顾一下Protobuf其中一个优点：只编码业务相关的数据到待传输的二进制流中，以节省带宽。

Protobuf实现这个特点的原理是：通信双方手里都拿着定义好的proto文件。

发送方通过这个proto文件定义发送的内容，这些内容不会需要像JSON那样，有字段名、有括号这些，接收方收到数据后，再利用手里的proto文件，按算法直接解析里面的数据。

我一直强调，JSON传输时，会有字段名、有括号，可能有人会比较懵逼，还是举个例子，如下JSON：

{"name": "ayuliao", "age": 30}

这段JSON在传输时，name和age这两个字段名也会被传输，但这两个字段名没啥业务意义，主要就是用来获取数据的，假设这段数据使用Protobuf传输，Protobuf就不会将name和age编码到数据流里，只会将ayuliao与30编码进去，接收方获得数据后，手里有一份与发送方一样的proto文件，然后按proto文件中的格式进行解码。

思索一下，要在没有字段名的情况下，合理的解码Protobuf数据，就必须要求传输数据是按一定规则组织的，比如ayuliao必须在30前，这样我会先解码ayuliao，再解码30，至此，我们引入proto文件的一个语法要求，message结构里的分配标识号不可重复。

看到上面的proto文件，有两个messge结构，外部的message结构是Person，Person中有有name与info两个属性，其中name的分配标识号为1，info的分配标识号为2，在同一个message中，分配标识号不可重复，否则protobuf无法正常使用。

此外，从上面proto文件中也可以发现，message中不同属性可以有不同的限定修饰符，有3种：

• required：发送方发送的数据中必须包含这个字段的值，接收方接收的数据也必须要能识别该字段，大白话，加上required修饰符，这个字段双方必须使用，否则报错。

• optional：可选字段，发送方可选择性地发送该字段，接收方如果能够识别该字段就进行相应解码处理，如果不能识别，则直接忽略。

• repeated：可重复字段，发送方每次发送都可以包含多个值，类似于传递一个数组。

在日常使用protobuf时，有两个常见的tips:

1.分配标识号一般会按业务划分，不同业务间字段不按大小顺序紧密排序，如：

message data {
  optional string name = 10001;
  optional int32 age = 10002;
  
  optional string job = 20001;
  optional string hobby = 20002;
}

上述proto，基础信息（name、age）以1000开头，其他信息（job、hobby）以2000开头，这样后续要添加时，更加清晰，比如要添加性别这个基本信息 ：optional string sex = 10003;。

2.很多使用protobuf通信的系统会将字段的限定修饰符设置为optional，这样系统在升级时，旧版程序无需升级也可以与新程序进行通信，只是对于新字段无法识别而已，这样可以做到平滑升级。

这里从网上摘抄了proto文件可以使用的数据类型以及生成到不同编程语言时，在该编程语言中映射的类型，不需记忆，需要时，到此翻一下就好了。

.proto type	notes	C ++ type	Java type	Python type [2]	Type	Ruby type	C# type	PHP type
double		double	double	float	float64	float	double	float
float		float	float	float	FLOAT32	float	float	float
INT32	使用可变长度编码。编码负数的效率低 - 如果您的字段可能有负值，请改用sint32。	INT32	INT	INT	INT32	Fixnum or Bignum (as needed)	INT	Integer
Int64	使用可变长度编码。编码负数的效率低 - 如果您的字段可能有负值，请改用sint64。	Int64	long	int / long [3]	Int64	TWINS	long	Integer/string[5]
UINT32	使用可变长度编码。	UINT32	int [1]	int / long [3]	UINT32	Fixnum or Bignum (as needed)	UINT	Integer
UINT64	使用可变长度编码。	UINT64	Long [1]	int / long [3]	UINT64	TWINS	ULONG	Integer/string[5]
SINT32	使用可变长度编码。签名的int值。这些比常规int32更有效地编码负数。	INT32	INT	INT	INT32	Fixnum or Bignum (as needed)	INT	Integer
sint64	使用可变长度编码。签名的int值。这些比常规int64更有效地编码负数。	Int64	long	int / long [3]	Int64	TWINS	long	Integer/string[5]
fixed32	总是四个字节。如果值通常大于2 28，则比uint32更有效。	UINT32	int [1]	int / long [3]	UINT32	Fixnum or Bignum (as needed)	UINT	Integer
fixed64	总是八个字节。如果值通常大于2 56，则比uint64更有效。	UINT64	Long [1]	int / long [3]	UINT64	TWINS	ULONG	Integer/string[5]
sfixed32	总是四个字节。	INT32	INT	INT	INT32	Fixnum or Bignum (as needed)	INT	Integer
sfixed64	总是八个字节。	Int64	long	int / long [3]	Int64	TWINS	long	Integer/string[5]
Boolean		Boolean	Boolean	Boolean	Boolean	TrueClass / FalseClass	Boolean	Boolean
string	字符串必须始终包含UTF-8编码或7位ASCII文本。	string	string	str / unicode[4]	string	String (UTF-8)	string	string
byte	可以包含任意字节序列。	string	Byte string	Strait	[]byte	String (ASCII-8BIT)	Byte string	string

Protobuf在Python中的基本使用

当下，微服务架构比较流行，Python中在这块常用的通信技术便是Protobuf+gRPC，本文先简单介绍Protobuf，后面再以本文为基础，写一篇Protobuf+gRPC的使用例子。

首先，我们需要下载protoc编译器，通过protoc，我们可以将定义好的proto文件转成相应编程语言的形式。

下载地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases，如果你跟我一样，使用的windows 64位的系统，那么下载win64版本的protoc则可。

随后，我们定义一个简单的proto文件，名为demo.proto，内容如下：

syntax = "proto3";

message Person {
    string name = 1;
    int32 id = 2;
    string email = 3;
    string phone = 4;
}

通过protoc将demo.proto编译成Python文件，命令如下（protoc路径替换成自己的路径则可）：

& "C:\Users\admin\Downloads\protoc-21.1-win64\bin\protoc.exe" --python_out=. demo.proto

--python_out用于指定生成Python文件要存放的路径，随后紧接demo.proto文件路径（注意有空格做间隔）。

运行命令后，会生成名为demo_pd2.py的文件。

然后我们导入demo_pd2文件，使用其中的Person类便可以实现Protobuf的编码与解码。

通过一段简单的代码演示一下：

from asyncore import read
import demo_pb2

R = 'read'
W = 'write'

def fwrb(filepath, opt, data=None):
    if opt == R:
        with open(filepath, 'rb') as f:
            return f.read()
    elif opt == W:
        with open(filepath, 'wb') as f:
            f.write(data)

filepath = './person_protobuf_data'
person = demo_pb2.Person()
person.name = "ayuliao"
person.id = 6
person.email = "[email protected]"
person.phone = "13229483229"
person_protobuf_data = person.SerializeToString()
print(f'person_protobuf_data: {person_protobuf_data}')
fwrb(filepath, W, person_protobuf_data)


data_from_file = fwrb(filepath, R)
parse_person  = demo_pb2.Person()
# 没有数据
print(f'parse_person1 : {parse_person}')
# ParseFromString函数返回解析数据的长度
parse_data_len = parse_person.ParseFromString(data_from_file)
# 解析后，parse_person对象被填充了数据
print(f'parse_person2 : {parse_person}')
print(f'parse_data_len: {parse_data_len}')
print(f'data_from_file lenght: {len(data_from_file)}')

上述代码中，需要注意的是，ParseFromString函数不会直接返回解析后的结果，而是将结果直接填充到调用它的parse_person对象中。

结尾

本文讨论了protobuf基础知识，protobuf在通信质量要求比较高的应用中会比较常见，但我个人的观点依旧是：如无必要勿增实体，如果应用没有到达需要使用protobuf的地步，还是优先使用HTTP吧。

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