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2022
07-06

在java程序中使用protobuf

在java程序中使用protobuf

1、为什么使用protobuf

我们知道数据在网络传输中是以二进制进行的，一般我们使用字节byte来表示， 一个byte是8bits，如果要在网络上中传输对象，一般需要将对象序列化，序列化的目的就是将对象转换成byte数组在网络中传输，当接收方接收到byte数组之后，再对byte数组进行反序列化，最终转换成java中的对象。

那么将java对象序列化可能会有如下几种方法：

（1）使用JDK自带的对象序列化，但是JDK自带的序列化本身存在一些问题，并且这种序列化手段只适合在java程序之间进行传输，如果是非java程序，比如PHP或者GO，那么序列化就不通用了。
（2）你还可以自定义序列化协使用JDK自带的对象序列化，但是JDK自带的序列化本身存在一些问题，并且这种序列化手段只适合在java程序之间进行传输，如果是非java程序，比如PHP或者GO，那么序列化就不通用了。
你还可以自定义序列化协议，这种方式的灵活程度比较高，但是不够通用，并且实现起来也比较复杂，很可能出现意想不到的问题。
（3）将数据转换成为XML或者JSON进行传输。XML和JSON的好处在于他们都有可以区分对象的起始符号，通过判断这些符号的位置就可以读取到完整的对象。但是不管是XML还是JSON的缺点都是转换成的数据比较大。在反序列化的时候对资源的消耗也比较多。

所以我们需要一种新的序列化的方法，这就是protobuf，它是一种灵活、高效、自动化的解决方案。

通过编写一个.proto的数据结构定义文件，然后调用protobuf的编译器，就会生成对应的类，该类以高效的二进制格式实现protobuf数据的自动编码和解析。 生成的类为定义文件中的数据字段提供了getter和setter方法，并提供了读写的处理细节。 重要的是，protobuf可以向前兼容，也就是说老的二进制代码也可以使用最新的协议进行读取。

2、定义.proto文件

.proto文件中定义的是你将要序列化的消息对象。我们来一个最基本的student.proto文件，这个文件定义了student这个对象中最基本的属性。

先看一个比较简单的.proto文件：

syntax = "proto3";

package com.flydean;

option java_multiple_files = true;
option java_package = "com.flydean.tutorial.protos";
option java_outer_classname = "StudentListProtos";

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

  enum PhoneType {
    MOBILE = 0;
    HOME = 1;
  }

  message PhoneNumber {
    optional string number = 1;
    optional PhoneType type = 2;
  }

  repeated PhoneNumber phones = 4;
}

message StudentList {
  repeated Student student = 1;
}

第一行定义的是protobuf中使用的syntax协议，默认情况下是proto2，因为目前最新的协议是proto3，所以这里我们使用proto3作为例子。

然后我们定义了所在的package，这个package是指编译的时候生成文件的包。这是一个命名空间，虽然我们在后面定义了java_package，但是为了和非java语言中的协议相冲突，所以定义package还是非常有必要的。

然后是三个专门给java程序使用的option。java_multiple_files, java_package， 和 java_outer_classname.

其中java_multiple_files指编译过后java文件的个数，如果是true，那么将会一个java对象一个类，如果是false，那么定义的java对象将会被包含在同一个文件中。

java_package指定生成的类应该使用的Java包名称。 如果没有明确的指定，则会使用之前定义的package的值。

java_outer_classname选项定义将表示此文件的包装类的类名。 如果没有给java_outer_classname赋值，它将通过将文件名转换为大写驼峰来生成。 例如，默认情况下，“student.proto”将使用"Student"作为包装类名称。

接下来的部分是消息的定义，对于简单类型来说可以使用bool, int32, float, double， 和 string来定义字段的类型。

上例中我们还使用了复杂的组合属性，和嵌套类型。还定义了一个枚举类。

上面我们为每个属性值分配了ID，这个ID是二进制编码中使用的唯一“标签”。因为在protobuf中标记数字1-15比16以上的标记数字占用的字节空间要更少，因此作为一种优化，通常将1-15这些标记用于常用或重复的元素，而将标记16和更高的标记用于不太常用的可选元素。

然后再来看看字段的修饰符，有三个修饰符分别是optional，repeated和required。

optional表示该字段是可选的，可以设置也可以不设置，如果没有设置，则会使使用默认值，对于简单类型来说，我们可以自定义默认值，如果不自定义，就会使用系统的默认值。对于系统的默认值来说，数字为0，字符串为空字符串，布尔值为false。

repeated表示该字段是可以重复的，这种重复实际上就是一种数组的结构。

required表示该字段是必须的，如果该字段没有值，那么该字段将会被认为是没有初始化，尝试构建未初始化的消息将抛出 RuntimeException，解析未初始化的消息将抛出 IOException。

注意：在Proto3中不支持required字段。

3、编译协议文件

定义好proto文件之后，就可以使用protoc命令对其进行编译了。

protoc是protobuf提供的编译器，一般情况下，可以从github的release库中直接下载即可。如果你不想直接下载，或者官方提供的库中并没有你需要的版本，则可以使用源代码直接进行编译。

protoc的使用的命令如下：

protoc --experimental_allow_proto3_optional -I=$SRC_DIR --java_out=$DST_DIR 
$SRC_DIR/student.proto

如果编译proto3,则需要添加--experimental_allow_proto3_optional选项。

我们运行一下上面的代码。会发现在com.flydean.tutorial.protos包里面生成了5个文件。分别是：

Student.java              
StudentList.java          
StudentListOrBuilder.java 
StudentListProtos.java    
StudentOrBuilder.java

其中StudentListOrBuilder和StudentOrBuilder是两个接口，Student和StudentList是这两个类的实现。

4、详解生成的文件

在proto文件中，我们主要定义了两个类Student和StudentList, 他们中定义了一个内部类Builder，以Student为例，看下这个两个类的定义：

public final class Student extends
    com.google.protobuf.GeneratedMessageV3 implements
    StudentOrBuilder

  public static final class Builder extends
      com.google.protobuf.GeneratedMessageV3.Builder<Builder> implements
      com.flydean.tutorial.protos.StudentOrBuilder

可以看到他们实现的接口都是一样的，表示他们可能提供了相同的功能。实际上Builder是对消息的一个封装器，所有对Student的操作都可以由Builder来完成。

对于Student中的字段来说，Student类只有这些字段的get方法，而Builder中同时有get和set方法。

对于Student来说，对于字段的方法有：

// required string name = 1;
public boolean hasName();
public String getName();

// required int32 id = 2;
public boolean hasId();
public int getId();

// optional string email = 3;
public boolean hasEmail();
public String getEmail();

// repeated .tutorial.Person.PhoneNumber phones = 4;
public List<PhoneNumber> getPhonesList();
public int getPhonesCount();
public PhoneNumber getPhones(int index);

对于Builder来说，每个属性多了两个方法：

// required string name = 1;
public boolean hasName();
public java.lang.String getName();
public Builder setName(String value);
public Builder clearName();

// required int32 id = 2;
public boolean hasId();
public int getId();
public Builder setId(int value);
public Builder clearId();

// optional string email = 3;
public boolean hasEmail();
public String getEmail();
public Builder setEmail(String value);
public Builder clearEmail();

// repeated .tutorial.Person.PhoneNumber phones = 4;
public List<PhoneNumber> getPhonesList();
public int getPhonesCount();
public PhoneNumber getPhones(int index);
public Builder setPhones(int index, PhoneNumber value);
public Builder addPhones(PhoneNumber value);
public Builder addAllPhones(Iterable<PhoneNumber> value);
public Builder clearPhones();

多出的两个方法是set和clear方法。clear是清空字段的内容，让其变回初始状态。

我们还定义了一个枚举类PhoneType：

  public enum PhoneType
      implements com.google.protobuf.ProtocolMessageEnum

这个类的实现和普通的枚举类没太大区别。

5、Builders 和 Messages

如上一节所示，Message对应的类只有get和has方法，所以它是不可以变的，消息对象一旦被构造，就不能被修改。要构建消息，必须首先构建一个构建器，将要设置的任何字段设置为你选择的值，然后调用构建器的 build()方法。

每次调用Builder的方法都会返回一个新的Builder，当然这个返回的Builder和原来的Builder是同一个，返回Builder只是为了方便进行代码的连写。

下面的代码是如何创建一个Student实例：

Student xiaoming =
Student.newBuilder()
 .setId(1234)
 .setName("小明")
 .setEmail("flydean@163.com")
.addPhones(
Student.PhoneNumber.newBuilder()
 .setNumber("010-1234567")
.setType(Student.PhoneType.HOME))
 .build();

Student中提供了一些常用的方法，如isInitialized()检测是否所有必须的字段都设置完毕。toString()将对象转换成为字符串。使用它的Builder还可以调用clear()用来清除已设置的状态，mergeFrom(Message other)用来对对象进行合并。

6、序列化和反序列化

生成的对象中提供了序列化和反序列化方法，我们只需要在需要的时候对其进行调用即可：

  • byte[] toByteArray();: 序列化消息并返回一个包含其原始字节的字节数组。
  • static Person parseFrom(byte[] data);: 从给定的字节数组中解析一条消息。
  • void writeTo(OutputStream output);: 序列化消息并将其写入 OutputStream.
  • static Person parseFrom(InputStream input);: 从一个消息中读取并解析消息 InputStream.

通过使用上面的方法，可以很方便的将对象进行序列化和反序列化。

7、协议扩展

我们在定义好proto之后，假如后续还希望对其进行修改，那么我们希望新的协议对历史数据是兼容的。那么我们需要考虑下面几点：

  1. 不能更改现有字段的ID编号。
  2. 不能添加和删除任何必填字段。
  3. 可以 删除可选或重复的字段。
  4. 可以 添加新的可选字段或重复字段，但您必须使用新的ID编号。

到此这篇关于在java程序中使用protobuf的文章就介绍到这了,更多相关在java使用protobuf内容请搜索自学编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自学编程网！

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