Ubuntu下使用protoBuf

一、protobuf简介:

1.1 protobuf的定义:

protobuf是用来干嘛的?

protobuf是一种用于 对结构数据进行序列化的工具,从而实现 数据存储和交换。

(主要用于网络通信中 收发两端进行消息交互。所谓的“结构数据”是指类似于struct结构体的数据,可用于表示一个网络消息。当结构体中存在函数指针类型时,直接对其存储或传输相当于是“浅拷贝”,而对其序列化后则是“深拷贝”。)

**序列化:**将结构数据或者对象转换成能够用于存储和传输的格式。
**反序列化:**在其他的计算环境中,将序列化后的数据还原为数据结构和对象。

从“序列化”字面上的理解,似乎使用C语言中的struct结构体就可以实现序列化的功能:将结构数据填充到定义好的结构体中的对应字段即可,接收方再对结构体进行解析。

在单机的不同进程间通信时,使用struct结构体这种方法实现“序列化”和“反序列化”的功能问题不大,但是,在网络编程中,即面向网络中不同主机间的通信时,则不能使用struct结构体,原因在于:

(1)跨语言平台,例如发送方是用C语言编写的程序,接收方是用Java语言编写的程序,不同语言的struct结构体定义方式不同,不能直接解析;

(2)struct结构体存在内存对齐和 CPU不兼容的问题。

因此,在网络编程中,实现“序列化”和“反序列化”功能需要使用通用的组件,如 Json、XML、protobuf 等。

1.2 protobuf的优缺点:

1.2.1 优点:

① 性能高效:
与XML相比,protobuf更小(3 ~ 10倍)、更快(20 ~ 100倍)、更为简单。

**② 语言无关、平台无关:

**protobuf支持Java、C++、Python等多种语言,支持多个平台。

**③ 扩展性、兼容性强:

**只需要使用protobuf对结构数据进行一次描述,即可从各种数据流中读取结构数据,更新数据结构时不会破坏原有的程序。

Protobuf与XML、Json的性能对比:

测试10万次序列化:

Ubuntu下使用protoBuf_第1张图片

测试10万次反序列化:

Ubuntu下使用protoBuf_第2张图片

1.2.2 缺点:

① 自解释性较差,数据存储格式为二进制,需要通过 .proto 文件才能了解到内部的数据结构;
② 不适合用来对 基于文本的标记文档(如HTML) 建模。

1.3 protobuf中的数据类型限定修饰符:

protobuf 2 中有三种数据类型限定修饰符:

required, optional, repeated

required表示字段必选,optional表示字段可选,repeated表示一个数组类型。

其中, required 和 optional 已在 proto3 弃用了。

1.4 protobuf中常用的数据类型:

bool,		布尔类型

double,		64位浮点数
float,		32位浮点数

int32,		32位整数
int64,		64位整数
uint64,		64位无符号整数
sint32,		32位整数,处理负数效率更高
sint64,		64位整数,处理负数效率更高

string,		只能处理ASCII字符
bytes,		用于处理多字节的语言字符
enum,		枚举类型

二、protobuf下载与安装

GitHub 地址:
https://github.com/protocolbuffers/protobuf

官方文档地址:
https://developers.google.com/protocol-buffers/

Releases 下载地址:
https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases

另外往下可以看到分平台的文件:
在这里插入图片描述
这些是已经 build 好的 Protocol Compiler,可以直接下载了用,也可以自己下载前面源码文件后自己进行 build

自己下载需要的版本protobuf进行编译,成功后会编译出动态库so和protoc编译器(这个也可在以上网址进行下载需要的版本 )

执行protoc编译器,成功后会有如下提示:

[root@linux] protoc --version
libprotoc 3.15.8

三、protobuf的使用流程

1.1 定义.proto文件

使用protobuf时,需要先根据应用需求编写 .proto 文件 定义消息体格式,例如:

test.proto文件如下:

syntax = "proto3";
package tutorial;

option optimize_for = LITE_RUNTIME;

message Person {
	int32 id = 1;
	repeated string name = 2;
}

以–cpp_out上

1、syntax 关键字表示使用的protobuf的版本,如不指定则默认使用 “proto2”

2、package关键字 表示“包”,生成目标语言文件后对应C++中的namespace命名空间,用于防止不同的消息类型间的命名冲突

3、message对应C++中的类, 内部包含各种属性, 其中repeated修饰数据类型表示是一个数组的概念

1.2 .proto文件编译

通过protoc编译器把.protoc文件编译出xxxx.pb.cc和xxxxx.pb.h

格式如下:

[root@linux] protoc -I=$SRC_DIR --cpp_out=$DST_DIR $SRC_DIR/xxx.proto

其中:
$SRC_DIR表示 .proto文件所在的源目录;
–cpp_out=$DST_DIR表示生成目标语言C++代码的目标目录;
xxx.proto表示要对哪个.proto文件进行解析;

以上目录最好使用绝对路径

编译出xxx.pb.cc和xxx.pb.h文件后,使用的话只需要把文件编译进去并链接protobuf动态库即可

类似这种格式:

g++ main_test.cpp xxx.pb.cc -o main_test -lprotobuf

1.3 C++使用protobuf实现序列化的示例

在protobuf源码中的 /examples 目录下有官方提供的protobuf使用示例:addressbook.proto

参考官方示例实现C++使用protobuf进行序列化和反序列化:

addressbook.proto :

syntax = "proto3";
package tutorial;

option optimize_for = LITE_RUNTIME;

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

	enum PhoneType {
		MOBILE = 0;
		HOME = 1;
		WORK = 2;
	}
	
	message PhoneNumber {
		string number = 1;
		PhoneType type = 2;
	}

	repeated PhoneNumber phones = 4;
}

生成的addressbook.pb.h 文件内容摘要:

namespace tutorial {
	class Person;
	class Person_PhoneNumber;
};

class Person_PhoneNumber : public MessageLite {
public:
	Person_PhoneNumber();
	virtual ~Person_PhoneNumber();
public:
	//string number = 1;
	void clear_number();
	const string& number() const;
	void set_number(const string& value);
	
	//int32 id = 2;
	void clear_id();
	int32 id() const;
	void set_id(int32 value);

	//string email = 3; 
	//...
};

add_person.cpp :

#include 
#include 
#include 
#include "pbs/addressbook.pb.h"
using namespace std;

void serialize_process() {
	cout << "serialize_process" << endl;
	tutorial::Person person;
	person.set_name("Obama");
	person.set_id(1234);
	person.set_email("[email protected]");

	tutorial::Person::PhoneNumber *phone1 = person.add_phones();
	phone1->set_number("110");
	phone1->set_type(tutorial::Person::MOBILE);

	tutorial::Person::PhoneNumber *phone2 = person.add_phones();
	phone2->set_number("119");
	phone2->set_type(tutorial::Person::HOME);

	fstream output("person_file", ios::out | ios::trunc | ios::binary);

	if( !person.SerializeToOstream(&output) ) {
		cout << "Fail to SerializeToOstream." << endl;
	}

	cout << "person.ByteSizeLong() : " << person.ByteSizLong() << endl;
}

void parse_process() {
	cout << "parse_process" << endl;
	tutorial::Person result;
	fstream input("person_file", ios::in | ios::binary);

	if(!result.ParseFromIstream(&input)) {
		cout << "Fail to ParseFromIstream." << endl;
	}

	cout << result.name() << endl;
	cout << result.id() << endl;
	cout << result.email() << endl;
	for(int i = 0; i < result.phones_size(); ++i) {
		const tutorial::Person::PhoneNumber &person_phone = result.phones(i);

		switch(person_phone.type()) {
			case tutorial::Person::MOBILE :
				cout << "MOBILE phone : ";
				break;
			case tutorial::Person::HOME :
				cout << "HOME phone : ";
				break;
			case tutorial::Person::WORK :
				cout << "WORK phone : ";
				break;
			default:
				cout << "phone type err." << endl;
		}
		cout << person_phone.number() << endl;
	}
}

int main(int argc, char *argv[]) {
	serialize_process();
	parse_process();
	
	google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary();	//删除所有已分配的内存(Protobuf使用的堆内存)
	return 0;
}

输出结果:

[serialize_process]
person.ByteSizeLong() : 39
[parse_process]
Obama
1234
[email protected]
MOBILE phone : 110
HOME phone : 119

分析

protobuf提供的序列化和反序列化的API接口函数:

class MessageLite {
public:
	//序列化:
	bool SerializeToOstream(ostream* output) const;
	bool SerializeToArray(void *data, int size) const;
	bool SerializeToString(string* output) const;
	
	//反序列化:
	bool ParseFromIstream(istream* input);
	bool ParseFromArray(const void* data, int size);
	bool ParseFromString(const string& data);
};

三种序列化的方法没有本质上的区别,只是序列化后输出的格式不同,可以供不同的应用场景使用。
序列化的API函数均为const成员函数,因为序列化不会改变类对象的内容, 而是将序列化的结果保存到函数入参指定的地址中。

四、拓展: .proto文件中的 option 选项:

.proto文件中的option选项用于配置protobuf编译后生成目标语言文件中的代码量,可设置为 SPEEDCODE_SIZELITE_RUNTIME 三种。
默认option选项为 SPEED,常用的选项为 LITE_RUNTIME。

三者的区别在于:

① SPEED(默认值):
表示生成的代码运行效率高,但是由此生成的代码编译后会占用更多的空间。

② CODE_SIZE:
与SPEED恰恰相反,代码运行效率较低,但是由此生成的代码编译后会占用更少的空间,通常用于资源有限的平台,如Mobile。

③ LITE_RUNTIME:
生成的代码执行效率高,同时生成代码编译后的所占用的空间也非常少。
这是以牺牲Protobuf提供的反射功能为代价的。
因此我们在C++中链接Protobuf库时仅需链接libprotobuf-lite,而非protobuf。

SPEED 和 LITE_RUNTIME相比,在于调试级别上,例如 msg.SerializeToString(&str); 在 SPEED 模式下会利用反射机制打印出详细字段和字段值,但是 LITE_RUNTIME 则仅仅打印字段值组成的字符串。

因此:可以在调试阶段使用 SPEED 模式,而上线以后提升性能使用 LITE_RUNTIME 模式优化。

最直观的区别是使用三种不同的 option 选项时,编译后产生的 .pb.h 中自定义的类所继承的 protobuf类不同:

//1. SPEED模式:(自定义的类继承自 Message 类)
// .proto 文件:
option optimize_for = SPEED;
// .pb.h 文件:
class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {};

//2. CODE_SIZE模式:(自定义的类继承自 Message 类)
// .proto 文件:
option optimize_for = CODE_SIZE;
// .pb.h 文件:
class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {};

//3. LITE_RUNTIME模式:(自定义的类继承自 MessageLite 类)
// .proto 文件:
option optimize_for = LITE_RUNTIME;
// .pb.h 文件:
class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::MessageLite {};

参考:

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/594534435?utm_id=0

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