Google 的开源技术protobuf 简介与例子

今天来介绍一下“Protocol Buffers ”（以下简称protobuf）这个玩意儿。本来俺在构思“生产者/消费者模式 ”系列的下一个帖子：关于生产者和消费者之间的数据传输格式。由于里面扯到了protobuf，想想干脆单独开一个帖子算了。

　　★protobuf是啥玩意儿？
　　为了照顾从没听说过的同学，照例先来扫盲一把。
　　首先，protobuf是一个开源 项 目（官方站点在“这里 ”），而且是后台很硬的开源项目。网上现有的大部分（至少80%）开源项目，要么是某人单干、要么是几个闲杂人等合伙搞。而protobuf则不然，它是 鼎鼎大名的Google公司开发出来，并且在Google内部久经考验的一个东东。由此可见，它的作者绝非一般闲杂人等可比。
　　那这个听起来牛X的东东到底有啥用处捏？简单地说，这个东东干的事儿其实和XML 差不多，也就是把某种数据结构的信息，以某种格式保存起来。主要用于数据存储、传输协议格式等场合。有同学可能心理犯嘀咕了：放着好好的XML不用，干嘛重新发明轮子啊？！先别急，后面俺自然会有说道。
　　话说到了去年（大约是08年7月），Google突然大发慈悲，把这个好东西贡献给了开源社区。这下，像俺这种喜欢捡现成的家伙可就有福啦！貌似喜欢 捡现成的家伙还蛮多滴，再加上 Google的号召力，开源后不到一年，protobuf的人气就已经很旺了。所以俺为了与时俱进，就单独开个帖子来忽悠一把。

　　★protobuf有啥特色？
　　扫盲完了之后，就该聊一下技术 方面的话题了。由于这玩意儿发布的时间较短（未满周岁），所以俺接触的时间也不长。今天在此是先学现卖，列位看官多多包涵 :-)

　　◇性能好/效率高
　　现在，俺就来说说Google公司为啥放着好端端的XML不用，非要另起炉灶，重新造轮子。一个根本的原因是XML性能不够好。
　　先说时间开销：XML格式化（序列化）的开销倒还好；但是XML解析（反序列化）的开销就不敢恭维啦。俺之前经常碰到一些时间性能很敏感的场合，由于不堪忍受XML解析的速度，弃之如敝履。
　　再来看空间开销：熟悉XML语法的同学应该知道，XML格式为了有较好的可读性，引入了一些冗余的文本信息。所以空间开销也不是太好（不过这点缺点，俺不常碰到）。
　　由于Google公司赖以吹嘘的就是它的海量数据和海量处理能力。对于几十万、上百万机器的集群，动不动就是PB级的数据量，哪怕性能稍微提高 0.1% 也是相当可观滴。所以Google自然无法容忍XML在性能上的明显缺点。再加上Google从来就不缺造轮子的牛人，所以protobuf也就应运而生 了。
　　Google对于性能的偏执，那可是出了名的。所以，俺对于Google搞出来protobuf是非常滴放心，性能上不敢说是最好，但肯定不会太差。

　　◇代码 生成机制
　　除了性能好，代码生成机制是主要吸引俺的地方。为了说明这个代码生成机制，俺举个例子。
　　比如有个电子商务的系统（假设用C++实现），其中的模块A需要发送大量的订单信息给模块B，通讯的方式使用socket。
假设订单包括如下属性：
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　时间：time（用整数表示）
　　客户id：userid（用整数表示）
　　交易金额：price（用浮点数表示）
　　交易的描述：desc（用字符串表示）
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　如果使用protobuf实现，首先要写一个proto文件（不妨叫Order.proto），在该文件中添加一个名为"Order"的message结构，用来描述通讯协议中的结构化数据。该文件的内容大致如下：

 

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

message Order
{
  required int32 time = 1;
  required int32 userid = 2;
  required float price = 3;
  optional string desc = 4;
}

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

 

　　然后，使用protobuf内置的编译器编译 该proto。由于本例子的模块是C++，你可以通过protobuf编译器的命令行参数（看“这里 ”），让它生成C++语言的“订单包装类”。（一般来说，一个message结构会生成一个包装类）
　　然后你使用类似下面的代码来序列化/解析该订单包装类：

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

// 发送方

Order order;
order.set_time(XXXX);
order.set_userid(123);
order.set_price(100.0f);
order.set_desc("a test order");

string sOrder;
order.SerailzeToString(&sOrder);

// 然后调用某种socket的通讯库把序列化之后的字符串发送出去
// ......

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

// 接收方

string sOrder;
// 先通过网络通讯库接收到数据，存放到某字符串sOrder
// ......

Order order;
if(order.ParseFromString(sOrder))  // 解析该字符串
{
  cout << "userid:" << order.userid() << endl
          << "desc:" << order.desc() << endl;
}
else
{
  cerr << "parse error!" << endl;
}

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

 

　　有了这种代码生成机制，开发人员再也不用吭哧吭哧地编写那些协议解析的代码了（干这种活是典型的吃力不讨好）。
　　万一将来需求发生变更，要求给订单再增加一个“状态”的属性，那只需要在Order.proto文件中增加一行代码。对于发送方（模块A），只要增加一行设置状态的代码；对于接收方（模块B）只要增加一行读取状态的代码。哇塞，简直太轻松了！
　　另外，如果通讯双方使用不同的编程语言来实现，使用这种机制可以有效确保两边的模块对于协议的处理是一致的。
　　顺便跑题一下。
　　从某种意义上讲，可以把proto文件看成是描述通讯协议的规格说明书（或者叫接口规范）。这种伎俩其实老早就有了，搞过微软的COM编程或者接触过CORBA的同学，应该都能从中看到IDL（详细解释看“这里 ”）的影子。它们的思想是相通滴。

　　◇支持“向后兼容”和“向前兼容”
　　还是拿刚才的例子来说事儿。为了叙述方便，俺把增加了“状态”属性的订单协议成为“新版本”；之前的叫“老版本”。
　　所谓的“向后兼容”（backward compatible），就是说，当模块B升级了之后，它能够正确识别模块A发出的老版本的协议。由于老版本没有“状态”这个属性，在扩充协议时，可以考 虑把“状态”属性设置成非必填 的，或者给“状态”属性设置一个缺省值（如何设置缺省值，参见“这里 ”）。
　　所谓的“向前兼容”（forward compatible），就是说，当模块A升级了之后，模块B能够正常识别模块A发出的新版本的协议。这时候，新增加的“状态”属性会被忽略。
　　“向后兼容”和“向前兼容”有啥用捏？俺举个例子：当你维护一个很庞大的分布式系统时，由于你无法同时 升级所有 模块，为了保证在升级过程中，整个系统能够尽可能不受影响，就需要尽量保证通讯协议的“向后兼容”或“向前兼容”。

　　◇支持多种编程语言
　　俺开博以来点评 的几个开源项目（比如“Sqlite ”、“cURL ”），都是支持很多种 编程语言滴，这次的protobuf也不例外。在Google官方发布的源代码中包含了C++、Java 、Python三种语言（正好也是俺最常用的三种，真爽）。如果你平时用的就是这三种语言之一，那就好办了。
　　假如你想把protobuf用于其它语言，咋办捏？由于Google一呼百应的号召力，开源社区对protobuf响应踊跃，近期冒出很多其它编程语言的版本（比如ActionScript、C#、Lisp、Erlang、Perl、PHP 、Ruby等），有些语言还同时搞出了多个开源的项目。具体细节可以参见“这里 ”。
　　不过俺有义务提醒一下在座的各位同学。如果你考虑把protobuf用于上述这些语言，一定认真评估对应的开源库。因为这些开源库不是Google官方提供的、而且出来的时间还不长。所以，它们的质量、性能等方面可能还有欠缺。

　　★protobuf有啥缺陷？
　　前几天刚刚在“光环效应 ”的帖子里强调了“要同时评估优点和缺点”。所以俺最后再来批判一下这玩意儿的缺点。
　　◇应用 不够广
　　由于protobuf刚公布没多久，相比XML而言，protobuf还属于初出茅庐。因此，在知名度、应用广度等方面都远不如XML。由于这个原因，假如你设计的系统需要提供若干对外的接口给第三方系统调用，俺奉劝你暂时不要考虑protobuf格式。
　　◇二进制格式导致可读性差
　　为了提高性能，protobuf采用了二进制格式进行编码。这直接导致了可读性差的问题（严格地说，是没有可读性）。虽然protobuf提供了TextFormat这个工具类（文档在“这里 ”），但终究无法彻底解决此问题。
　　可读性差的危害，俺再来举个例子。比如通讯双方如果出现问题，极易导致扯皮（都不承认自己有问题，都说是对方的错）。俺对付扯皮的一个简单方法 就是直接抓包并dump成log，能比较容易地看出错误在哪一方。但是protobuf的二进制格式，导致你抓包并直接dump出来的log难以看懂。
　　◇缺乏自描述
　　一般来说，XML是自描述的，而protobuf格式则不是。给你一段二进制格式的协议内容，如果不配合相应的proto文件，那简直就像天书一般。
　　由于“缺乏自描述”，再加上“二进制格式导致可读性差”。所以在配置文件方面，protobuf是肯定无法取代XML的地位滴。

　　★为什么俺会用上protobuf？
　　俺自从前段时间接触了protobuf之后，就着手把俺负责的产品中的部分 数据传输协议替换成protobuf。可能有同学会问，和protobuf类似的东东也有不少，为啥独独相中protobuf捏？由于今天写的篇幅已经蛮 长了，俺卖个关子，把这个话题留到“生产者/消费者模式[5]：如何选择传输协议及格式？”。俺会在后续的这个帖子里对比各种五花八门的协议格式，并谈谈 俺的浅见。v

今天来介绍一下“Protocol Buffers ”（以下简称protobuf）这个玩意儿。本来俺在构思“生产者/消费者模式 ”系列的下一个帖子：关于生产者和消费者之间的数据传输格式。由于里面扯到了protobuf，想想干脆单独开一个帖子算了。

　　★protobuf是啥玩意儿？
　　为了照顾从没听说过的同学，照例先来扫盲一把。
　　首先，protobuf是一个开源 项 目（官方站点在“这里 ”），而且是后台很硬的开源项目。网上现有的大部分（至少80%）开源项目，要么是某人单干、要么是几个闲杂人等合伙搞。而protobuf则不然，它是 鼎鼎大名的Google公司开发出来，并且在Google内部久经考验的一个东东。由此可见，它的作者绝非一般闲杂人等可比。
　　那这个听起来牛X的东东到底有啥用处捏？简单地说，这个东东干的事儿其实和XML 差不多，也就是把某种数据结构的信息，以某种格式保存起来。主要用于数据存储、传输协议格式等场合。有同学可能心理犯嘀咕了：放着好好的XML不用，干嘛重新发明轮子啊？！先别急，后面俺自然会有说道。
　　话说到了去年（大约是08年7月），Google突然大发慈悲，把这个好东西贡献给了开源社区。这下，像俺这种喜欢捡现成的家伙可就有福啦！貌似喜欢 捡现成的家伙还蛮多滴，再加上 Google的号召力，开源后不到一年，protobuf的人气就已经很旺了。所以俺为了与时俱进，就单独开个帖子来忽悠一把。

　　★protobuf有啥特色？
　　扫盲完了之后，就该聊一下技术 方面的话题了。由于这玩意儿发布的时间较短（未满周岁），所以俺接触的时间也不长。今天在此是先学现卖，列位看官多多包涵 :-)

　　◇性能好/效率高
　　现在，俺就来说说Google公司为啥放着好端端的XML不用，非要另起炉灶，重新造轮子。一个根本的原因是XML性能不够好。
　　先说时间开销：XML格式化（序列化）的开销倒还好；但是XML解析（反序列化）的开销就不敢恭维啦。俺之前经常碰到一些时间性能很敏感的场合，由于不堪忍受XML解析的速度，弃之如敝履。
　　再来看空间开销：熟悉XML语法的同学应该知道，XML格式为了有较好的可读性，引入了一些冗余的文本信息。所以空间开销也不是太好（不过这点缺点，俺不常碰到）。
　　由于Google公司赖以吹嘘的就是它的海量数据和海量处理能力。对于几十万、上百万机器的集群，动不动就是PB级的数据量，哪怕性能稍微提高 0.1% 也是相当可观滴。所以Google自然无法容忍XML在性能上的明显缺点。再加上Google从来就不缺造轮子的牛人，所以protobuf也就应运而生 了。
　　Google对于性能的偏执，那可是出了名的。所以，俺对于Google搞出来protobuf是非常滴放心，性能上不敢说是最好，但肯定不会太差。

　　◇代码 生成机制
　　除了性能好，代码生成机制是主要吸引俺的地方。为了说明这个代码生成机制，俺举个例子。
　　比如有个电子商务的系统（假设用C++实现），其中的模块A需要发送大量的订单信息给模块B，通讯的方式使用socket。
假设订单包括如下属性：
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　时间：time（用整数表示）
　　客户id：userid（用整数表示）
　　交易金额：price（用浮点数表示）
　　交易的描述：desc（用字符串表示）
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　如果使用protobuf实现，首先要写一个proto文件（不妨叫Order.proto），在该文件中添加一个名为"Order"的message结构，用来描述通讯协议中的结构化数据。该文件的内容大致如下：

 

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

message Order
{
  required int32 time = 1;
  required int32 userid = 2;
  required float price = 3;
  optional string desc = 4;
}

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

 

　　然后，使用protobuf内置的编译器编译 该proto。由于本例子的模块是C++，你可以通过protobuf编译器的命令行参数（看“这里 ”），让它生成C++语言的“订单包装类”。（一般来说，一个message结构会生成一个包装类）
　　然后你使用类似下面的代码来序列化/解析该订单包装类：

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

// 发送方

Order order;
order.set_time(XXXX);
order.set_userid(123);
order.set_price(100.0f);
order.set_desc("a test order");

string sOrder;
order.SerailzeToString(&sOrder);

// 然后调用某种socket的通讯库把序列化之后的字符串发送出去
// ......

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

// 接收方

string sOrder;
// 先通过网络通讯库接收到数据，存放到某字符串sOrder
// ......

Order order;
if(order.ParseFromString(sOrder))  // 解析该字符串
{
  cout << "userid:" << order.userid() << endl
          << "desc:" << order.desc() << endl;
}
else
{
  cerr << "parse error!" << endl;
}

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

 

　　有了这种代码生成机制，开发人员再也不用吭哧吭哧地编写那些协议解析的代码了（干这种活是典型的吃力不讨好）。
　　万一将来需求发生变更，要求给订单再增加一个“状态”的属性，那只需要在Order.proto文件中增加一行代码。对于发送方（模块A），只要增加一行设置状态的代码；对于接收方（模块B）只要增加一行读取状态的代码。哇塞，简直太轻松了！
　　另外，如果通讯双方使用不同的编程语言来实现，使用这种机制可以有效确保两边的模块对于协议的处理是一致的。
　　顺便跑题一下。
　　从某种意义上讲，可以把proto文件看成是描述通讯协议的规格说明书（或者叫接口规范）。这种伎俩其实老早就有了，搞过微软的COM编程或者接触过CORBA的同学，应该都能从中看到IDL（详细解释看“这里 ”）的影子。它们的思想是相通滴。

　　◇支持“向后兼容”和“向前兼容”
　　还是拿刚才的例子来说事儿。为了叙述方便，俺把增加了“状态”属性的订单协议成为“新版本”；之前的叫“老版本”。
　　所谓的“向后兼容”（backward compatible），就是说，当模块B升级了之后，它能够正确识别模块A发出的老版本的协议。由于老版本没有“状态”这个属性，在扩充协议时，可以考 虑把“状态”属性设置成非必填 的，或者给“状态”属性设置一个缺省值（如何设置缺省值，参见“这里 ”）。
　　所谓的“向前兼容”（forward compatible），就是说，当模块A升级了之后，模块B能够正常识别模块A发出的新版本的协议。这时候，新增加的“状态”属性会被忽略。
　　“向后兼容”和“向前兼容”有啥用捏？俺举个例子：当你维护一个很庞大的分布式系统时，由于你无法同时 升级所有 模块，为了保证在升级过程中，整个系统能够尽可能不受影响，就需要尽量保证通讯协议的“向后兼容”或“向前兼容”。

　　◇支持多种编程语言
　　俺开博以来点评 的几个开源项目（比如“Sqlite ”、“cURL ”），都是支持很多种 编程语言滴，这次的protobuf也不例外。在Google官方发布的源代码中包含了C++、Java 、Python三种语言（正好也是俺最常用的三种，真爽）。如果你平时用的就是这三种语言之一，那就好办了。
　　假如你想把protobuf用于其它语言，咋办捏？由于Google一呼百应的号召力，开源社区对protobuf响应踊跃，近期冒出很多其它编程语言的版本（比如ActionScript、C#、Lisp、Erlang、Perl、PHP 、Ruby等），有些语言还同时搞出了多个开源的项目。具体细节可以参见“这里 ”。
　　不过俺有义务提醒一下在座的各位同学。如果你考虑把protobuf用于上述这些语言，一定认真评估对应的开源库。因为这些开源库不是Google官方提供的、而且出来的时间还不长。所以，它们的质量、性能等方面可能还有欠缺。

　　★protobuf有啥缺陷？
　　前几天刚刚在“光环效应 ”的帖子里强调了“要同时评估优点和缺点”。所以俺最后再来批判一下这玩意儿的缺点。
　　◇应用 不够广
　　由于protobuf刚公布没多久，相比XML而言，protobuf还属于初出茅庐。因此，在知名度、应用广度等方面都远不如XML。由于这个原因，假如你设计的系统需要提供若干对外的接口给第三方系统调用，俺奉劝你暂时不要考虑protobuf格式。
　　◇二进制格式导致可读性差
　　为了提高性能，protobuf采用了二进制格式进行编码。这直接导致了可读性差的问题（严格地说，是没有可读性）。虽然protobuf提供了TextFormat这个工具类（文档在“这里 ”），但终究无法彻底解决此问题。
　　可读性差的危害，俺再来举个例子。比如通讯双方如果出现问题，极易导致扯皮（都不承认自己有问题，都说是对方的错）。俺对付扯皮的一个简单方法 就是直接抓包并dump成log，能比较容易地看出错误在哪一方。但是protobuf的二进制格式，导致你抓包并直接dump出来的log难以看懂。
　　◇缺乏自描述
　　一般来说，XML是自描述的，而protobuf格式则不是。给你一段二进制格式的协议内容，如果不配合相应的proto文件，那简直就像天书一般。
　　由于“缺乏自描述”，再加上“二进制格式导致可读性差”。所以在配置文件方面，protobuf是肯定无法取代XML的地位滴。

　　★为什么俺会用上protobuf？
　　俺自从前段时间接触了protobuf之后，就着手把俺负责的产品中的部分 数据传输协议替换成protobuf。可能有同学会问，和protobuf类似的东东也有不少，为啥独独相中protobuf捏？由于今天写的篇幅已经蛮 长了，俺卖个关子，把这个话题留到“生产者/消费者模式[5]：如何选择传输协议及格式？”。俺会在后续的这个帖子里对比各种五花八门的协议格式，并谈谈 俺的浅见。v

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本想用google的libphonenumber这个库来进行电话号相关功能，但是看到需要依赖protobuf，反正都是谷歌出品，那就顺便了解学习一下protobuf。

github地址： 
https://github.com/google/protobuf

什么是protobuf

Protocol Buffers (a.k.a., protobuf) are Google’s language-neutral, platform-neutral, extensible mechanism for serializing structured data. You can find protobuf’s documentation on the Google Developers site.

protocolbuffer(以下简称PB)是google 的一种数据交换的格式，它独立于语言，独立于平台。google 提供了多种语言的实现：Java、c#、c++、Go 和 Python，每一种实现都包含了相应语言的编译器以及库文件。由于它是一种二进制的格式，比使用 xml 进行数据交换快许多。可以把它用于分布式应用之间的数据通信或者异构环境下的数据交换。作为一种效率和兼容性都很优秀的二进制数据传输格式，可以用于诸如网络传输、配置文件、数据存储等诸多领域。

下载带vsprojects的版本 
我们需要下载带vsprojects的版本，所以不需要太新的，我们要下载2.6 
https://github.com/google/protobuf/releases?after=v3.0.0-alpha-3

下载后解压，就可以看到有一个叫vsprojects的文件夹了。

使用vs2015编译 
可以使用vs2010编译的，相对简单一些，但我们使用vs2015.

1打开sln 

2编译错误以及解决

错误1： 
error C2338: is deprecated and will be REMOVED. Please use . You can define _SILENCE_STDEXT_HASH_DEPRECATION_WARNINGS to acknowledge that you have received this warning.

解决方法： 
添加预编译： 
_SILENCE_STDEXT_HASH_DEPRECATION_WARNINGS 

错误2： 
如果要将多个 CL.EXE 写入同一个 .PDB 文件，请使用 /FS

解决方法： 
添加命令行 /FS 

错误3： 
error C3688: 文本后缀“PATH_SEPARATOR”无效；未找到文文本运算符或文本运算符模板“operator “”“”PATH_SEPARATOR”

解决方案：

Run(“protocol_compiler –test_out= tmpdir”“–protopath= tmpdir/a"PATH_SEPARATOR" tmpdir/bfoo.proto”);改为Run(“protocolcompiler–testout= tmpdir ” 
“–proto_path= tmpdir/a"";"" tmpdir/b foo.proto”);

错误4： 
error C3688: 文本后缀“ETC”无效；未找到文文本运算符或文本运算符模板“operator “”“”ETC” 
解决方案： 
注释掉整个TEST_F(ParseMessageTest, FieldDefaults)

就是宏定义有问题，在vs2015中，具体什么原因还需要进一步研究！！！！！

（转载者的附言：整个解决方案有9个工程，整体编译的时候由于没有定制编译先后顺序，编译一个工程时有可能他的依赖工程尚未编译，导致错误，经过测试，出现错误就再编译（不是重新编译），连续编译个3-4次就可以了，不需要更改项目属性的）

使用protobuf 
1 在D:\protobuf-2.6.1\examples下新建一个文件，姑且就叫person.proto， 
键入内容：

package tutorial;  

message Person {  
  required string name = 1;  
  required int32 age = 2;  
  optional string email = 3;  

}  
  
    
    
    
    

     
     
     
     
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然后执行命令：

D:\protobuf-2.6.1\vsprojects\Release>protoc -I=D:\protobuf-2.6.1\examples --cpp_out=D:\protobuf-2.6.1\examples D:\protobuf-2.6.1\examples\person.proto
  
    
    
    
    

     
     
     
     
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生成了 person.pb.h和person.pb.cc

2新建一个工程

配置： 
附加包含目录,导入这个路径D:\protobuf-2.6.1\src 
链接器 的常规，右边的附加库目录，导入这个路径D:\protobuf-2.6.1\vsprojects\Release 
讲person.pb.h和person.pb.cc添加到自己的工程中

然后键入测试代码：

#include   
#include "person.pb.h"  

#pragma comment(lib, "libprotobuf.lib")  
#pragma comment(lib, "libprotoc.lib")

using namespace std;
using namespace tutorial;

int main()
{
  Person person;

  person.set_name("wangshubo");
  person.set_age(26);
  person.set_email("[email protected]");

  cout << person.name() << endl;
  cout << person.age() << endl;
  cout << person.email() << endl;

  system("pause");
  return 0;
}
  
    
    
    
    

     
     
     
     
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提示： 
如果出现Person无法解析，很有可能是只包含了头文件，没有把.cc实现文件也包含进来。

在新建protobuf文件的时候，用windows自带的记事本就可以了，需要的是ANSI，不可以是Unicode