Protobuf 的底层

Protocol Buffers（简称 Protobuf）是由 Google 开发的一种语言中立、平台无关的序列化协议，用于高效地序列化结构化数据。Protobuf 的底层实现涉及多个方面的技术和设计决策，包括数据的紧凑编码、序列化和反序列化机制、以及类型安全和扩展性支持。以下是 Protobuf 底层的一些关键概念和实现细节：

1. 紧凑编码

Protobuf 采用了一种紧凑的二进制编码格式，这使得它比 JSON 或 XML 更高效。紧凑编码的核心是通过对不同的数据类型使用不同的编码方式，以减少数据传输和存储的占用。

  • Varint 编码：Protobuf 使用 Varint 编码来表示整数类型。Varint 是一种变长编码方式，越小的整数使用越少的字节。Varint 利用每个字节的最高位（MSB）作为标志位，表示是否有后续字节，剩余的 7 位用于存储数据。例如，一个小的整数可以用一个字节表示，而一个较大的整数可能需要更多字节。

  • 定长编码：对于一些定长的数据类型，如 32 位或 64 位的整数和浮点数，Protobuf 直接使用定长编码。例如，fixed32 类型总是占用 4 个字节，而 fixed64 类型总是占用 8 个字节。

  • 字节序列：字符串、字节数组和嵌套消息等被编码为长度前缀的字节序列。首先使用 Varint 编码表示长度，然后紧随其后的是实际数据。

2. Tag 和 Field Number

在 Protobuf 中，每个字段都有一个唯一的编号，称为 Field Number，并且在序列化时，字段的数据与该字段的编号一起被编码。具体来说，每个字段在消息中由一个 Tag 来标识，Tag 是由 Field Number 和 Wire Type（数据类型编码方式）组合而成的。

  • Field Number：每个字段分配一个唯一的编号，用于标识字段的顺序和类型。这些编号用于序列化和反序列化过程中，确保数据的正确匹配。
  • Wire Type：表示字段的数据类型，以及如何在底层编码。例如，Wire Type 0 表示 Varint 编码，Wire Type 1 表示 64 位定长编码，Wire Type 2 表示长度前缀编码。

3. 序列化和反序列化

  • 序列化：序列化过程将一个结构化的 Protobuf 消息对象转换为紧凑的二进制格式。每个字段按照它的 Field Number 和 Wire Type 编码成 Tag，然后紧随其后的是字段的实际数据。
  • 反序列化：反序列化过程是将二进制数据解析回 Protobuf 消息对象。解析时，Protobuf 引擎根据 Tag 来识别每个字段，并根据 Field Number 将数据填充到对应的字段中。未识别的字段会被忽略，这使得 Protobuf 消息具有良好的向后兼容性。

4. 可选字段和扩展性

Protobuf 支持可选字段，这意味着在消息中，某些字段可以不存在，这为消息的演化和扩展提供了灵活性。通过引入新的 Field Number，开发者可以在不破坏现有系统的情况下扩展消息格式。

  • 默认值：如果消息中没有某个可选字段，Protobuf 会使用该字段的默认值。

  • 未知字段：当反序列化一个消息时，如果遇到未定义的 Field Number，Protobuf 将这些数据存储为“未知字段”，以便在将来可以使用这些数据。

5. Schema 和类型安全

Protobuf 使用 .proto 文件来定义消息的结构，这些文件被编译器解析，并生成相应语言的代码。通过这种方式，Protobuf 在序列化和反序列化时能保证数据的类型安全和结构完整性。

  • .proto 文件：包含消息类型的定义，字段的名称、编号、类型以及其他相关信息。编译器根据这些定义生成代码，供应用程序使用。

  • 跨语言支持：由于 Protobuf 是语言中立的，.proto 文件可以用于生成多种编程语言的代码，从而实现跨语言的通信。

6. 扩展和兼容性

Protobuf 提供了强大的向后和向前兼容性。开发者可以在不影响现有系统的情况下添加新字段，或移除不再使用的字段。

  • 字段的保留：为了防止冲突，已移除的字段的编号通常会被保留，以避免将来可能的冲突。

  • 版本控制：通过合理地管理字段编号和使用可选字段，可以实现不同版本消息的兼容性。

总结

Protobuf 的底层实现通过紧凑的编码方式、灵活的消息格式定义、以及高效的序列化和反序列化机制，提供了高效、安全、可扩展的数据交换解决方案。它适用于多种编程语言，并广泛应用于分布式系统和网络通信中。