Protobuf协议初级详解（python使用）从安装到序列化-反序列化

一、前言

• Protobuf是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据序列化，很适合做数据存储或 RPC 数据交换格式。它可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。

• 可以简单理解为，是一种跨语言、跨平台的数据传输格式。与json的功能类似，但是无论是性能，还是数据大小都比json要好很多。

• protobuf的之所以可以跨语言，就是因为数据定义的格式为.proto格式，需要基于protoc编译为对应的语言。

二、效果

既然说到了性能，还是数据大小都比json要好很多。那么我们不如来用一个例子了解一下具体展现在哪里。这同一个数据经过Protobuf和Json格式转换后的数据大小。可以直观的看到Protobuf足足少了四分之三。

三、教程

1）安装

protobuf下载地址
我是windows所以就选择了windows的包

将protoc-23.1-win64.zip解压后打开该目录的bin目录，复制路径

打开电脑的环境变量设置，在系统变量下面选择Path变量编辑
新建一个，然后将复制的路径粘贴到下面

在命令行敲一下下面命令查看是否可以正常调用

protoc --version

然后再解压protobuf-23.1.zip文件，找到python

)
python目录打开cmd将下面三条命令敲入（pip的protobuf和下载的protobuf版本最好一致）–要在当前目录下的cmd噢

pip install protobuf

python setup.py build

python setup.py install

cmd打开python可以正常输入下面命令就代表安装成功了。

from google.protobuf.internal import builder

2）使用

一个大概流程图

1.创建.proto文件

根据流程图，我们第一步是创建一个.proto文件

2.proto语法

既然知道这是一个语法文件，那么里面肯定是要写一些语法在里面的。
这些语法是相当于一个和使用者的约定，约定这些字段是这种语法定义的结构。（这里只是基础例子写的语法，具体的可以看文章gRPC之proto语法）

//第一行的含义是使用的是proto3的语法，如果没有这句，则默认使用proto2;
syntax = "proto3";
/*Person定义有三个承载消息的属性，每一个被定义在Person 消息体中的字段，都是由数据类型和属性名称组成。
里面的1，2，3是代表了编号，protobuf为了节省空间，使用了编号来代替字段名，只有服务器和客户端拥有同样的proto语法文件才可以知道正确的字段名
不然解析出来的也是1，2，3为代表的结果
 */
message Person {
    int32 id = 1;
    string name = 2;
    message Iphone {
        string number = 1;
    }
    //repeated: 这个属性代表了可以重复增加,就相当于往List数组增加数据
    repeated Iphone phones = 3;
}

message totalPerson{
    repeated Person person = 1;
}

3.protoc.exe文件编译.proto语法文件

在cmd输入下面命令，example.proto是你写的.proto语法文件。

protoc --python_out=. example.proto

然后会在同级目录下出现example_pb2.py文件

4.序列化

既然得到了example_pb2.py文件，那我们可以开始尝试序列化一份数据了。
先创建一份main.py文件，通过定义好的example_pb2.py文件语法来定义数据（实则是根据.proto文件来定义），然后进行一个序列化操作（使用SerializeToString）。

import example_pb2

# 从生成的example_pb2导入totalPerson（相当于初始化对象）
result_pro = example_pb2.totalPerson()
# 从语法文件可以看到totalPerson中有repeated就代表person是可以被add多个的，我们这里就新增一个就好了;
person_message = result_pro.person.add()
# person被初始化后，就可以定义里面的属性了
person_message.id = 1
person_message.name = "laowang"
# 基础属性定义完后，还有一个复合属性phones，这里对他进行一个新增初始化
phone = person_message.phones.add()
# 定义对象属性
phone.number="123456"

# 这里是将定义好的数据进行一个序列化操作
result=result_pro.SerializeToString()
print(result)
print("Protobuf: ", result.__sizeof__())

# 这里是将定义好的数据进行一个序列化操作并且存入到bin文件
with open("my_example.bin", "wb") as f:
	f.write(result)

5.反序列化

上图可以看到成功序列化数据出来了，我们现在则要对保存的bin文件进行反序列化

• 先通过有proto语法文件的反序列化（使用ParseFromString）

import example_pb2

# 从生成的example_pb2导入totalPerson（相当于初始化对象）
result_pro = example_pb2.totalPerson()

with open("my_example.bin", "rb") as f:
	result_pro.ParseFromString(f.read())
	print(result_pro)

可以看到很好的还原出来了我们定义并且想要的数据格式。接下来我们看看json类似的数据格式与之对比

• 无proto语法文件的反序列化
  如果没有语法文件呢，不用急，protobuf给了我们这样一个工具可以帮助我们除了键名基本还原出来。（在my_example.bin同级目录下打开cmd输入下面命令）

protoc --decode_raw < my_example.bin

可以得到下面的数据结构，对比上面除了键名不同其他都是一样的，这就是protobuf对于键名不是很敏感的原因，他更敏感我们上面注释说的编号。这里展现的就是我们之前给键名定义的编号。
所以如果想要复刻只需要自己重新写一个proto语法文件，对照着编号结构，重新起一个键名进行生成_pb2.py文件去达到序列化相同的数据结构。

新建一个myprotobuf.proto语法文件，把键名全部换了（图方便相当于根据上图的结果来模拟一个.proto语法结构）

syntax = "proto3";

message newPerson {
    int32 newid = 1;
    string newname = 2;
    message newIphone {
        string newnumber = 1;
    }
    repeated newIphone newphones = 3;
}

message newtotalPerson{
    repeated newPerson newperson = 1;
}

然后编译它生成myprotobuf_pb2.py

protoc --python_out=. myprotobuf.proto

修改main.py文件调用，这里还是读取我们上次序列化数据的bin文件

import myprotobuf_pb2

# 从生成的example_pb2导入totalPerson（相当于初始化对象）
result_pro = myprotobuf_pb2.newtotalPerson()
# 反序列化
with open("my_example.bin", "rb") as f:
    result_pro.ParseFromString(f.read())
    print(result_pro)

可以看到成功反序列化出来了数据

四、借鉴

什么是protobuf
gRPC之proto语法
JS逆向-Protobuf逆向解析