什么是protobuf？
protobuf格式的特点
1. 效率高/性能好
对比XML这种文件传输格式，解析时间大大低于XML解析时间，同时空间上的开销也减少了很多。
2. 可以很方便的生成文件
例如我们在进行文件传输时并不需要自己写很多东西，仅仅定义一个proto文件即可生成所需的代码。
3. 支持“向后兼容”和“向前兼容”
“向后兼容”（backward compatible），就是说，当模块B升级了后，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即可。
“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。因此其可扩展性也很强。
4. 支持多种语言
Google官方发布的源代码中包含了C++、Java、Python三种语言，这种天生就支持三种语言的格式简直少见，下面小编会使用python来为大家进行简单的讲解。
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Protobuf的使用
使用方法也比较简单:
- 定义用于消息文件.proto
- 使用protobuf的编译器编译消息文件
- 使用编译好对应语言的类文件进行消息的序列化与反序列化
先来定义一个简单的消息:
message Person {
int32 id = 1;//24
string name = 2;//wujingchao
string email = 3;//wujingchao92@gmail.com
}
实际的二进制消息为:
08 18 12 0a 77 75 6a 69 6e 67 63 68 61 6f 1a 16 77 75 6a 69 6e 67 63 68 61 6f 39 32 40 67 6d 61 69 6c 2e 63 6f 6d
下面就讲解这段二进制流数据是怎么组成的：
varints
一般情况下int类型都是固定4个字节，protobuf定义了一种变长的int，每个字节最高位表示后面还有没有字节，低7位就为实际的值，并且使用小端的表示方法。例如1,varint的表示方法就为:
0000 0001
是不是这样就省了三个字节。
再例如300,4字节表示为:10 0101100,varint表示为:
10101100 00000010
所以前面消息为Person的id的值为00011000，即0x18。
负数的最高位为1，如果负数也使用这种方式表示就会出现一个问题,int32总是需要5个字节，int64总是需要10个字节。
所以定义了另外一种类型:sint32,sint64。采用ZigZag编码，所有的负数都使用正数表示,计算方式:
sint32
(n << 1) ^ (n >> 31)
sint64
(n << 1) ^ (n >> 63)| Signed Original | Encoded As |
|---|---|
| 0 | 0 |
| -1 | 1 |
| 1 | 2 |
| -2 | 3 |
| 2147483647 | 4294967294 |
| -2147483648 | 4294967295 |
使用varint编码的类型有int32, int64, uint32, uint64, sint32, sint64, bool, enum。Java里面没有对应的无符号类型，int32与uint32一样。
Wire Type
每个消息项前面都会有对应的tag，才能解析对应的数据类型，表示tag的数据类型也是varint。
tag的计算方式: (field_number << 3) | wire_type
每种数据类型都有对应的wire_type:
| Wire Type | Meaning Used For |
|---|---|
| 0 | varint int32, int64, uint32, uint64, sint32, sint64, bool, enum |
| 1 | 64-bit fixed64, sfixed64, double |
| 2 | Length-delimited string, bytes, embedded messages, packed repeated fields |
| 3 | Start group groups (deprecated) |
| 4 | End group groups (deprecated) |
| 5 | 32-bit fixed32, sfixed32, float |
所以wire_type最多只能支持8种，目前有6种。
所以前面Person的id,field_number为1,wire_type为0，所以对应的tag为
1 <<< 3 | 0 = 0x08
Person的name,field_number为2,wire_type为2,所以对应的tag为
2 <<< 3 | 2 = 0x12
对应Length-delimited的wire type,后面紧跟着的varint类型表示数据的字节数。
所以name的tag后面紧跟的0x0a表示后面的数据长度为10个字节，即"wujingchao"的UTF-8 编码或者ASCII值:
08 18 12 0a 77 75 6a 69 6e 67 63 68 61 6f 1a 16
嵌套的消息类型embedded messages与packed repeated fields也是使用这种方式表示，对应默认值的数据，是不会写进protobuf消息里面的。
packed repeated与repeated的区别在于编码方式不一样，repeated将多个属性类型与值分开存储。而packed repeated采用Length-delimited方式。下面这个是官方文档的例子:
message Test4 {
repeated int32 d = 4 [packed=true];
}
22 // tag (field number 4, wire type 2)
06 // payload size (6 bytes)
03 // first element (varint 3)
8E 02 // second element (varint 270)
9E A7 05 // third element (varint 86942)
如果没有packed的属性是这样存储的:
20 //tag(field number 4,wire type 0) 03 //first element (varint 3) 20 //tag(field number 4,wire type 0) 8E 02//second element (varint 270) 20 //tag(field number 4,wire type 0) 9E A7 05 // third element (varint 86942)
是不是这种方式比较节省内存，所以proto3的repeated默认就是使用packed这种方式来存储。(proto2与proto3区别在于.proto的语法)。