假設(shè)需要傳遞一個如下所示的messege

syntax = "proto3";

message MyMessage {
  int32 field1 = 1; // 值為1的int32字段
  string field2 = 2; // 值為"abc"的string字段
}

Protocol Buffers (Protobuf) 序列化和反序列化的細(xì)節(jié)

Protobuf 是一種高效的二進(jìn)制序列化格式，它通過緊湊的編碼方式來減少數(shù)據(jù)大小。以下是 Protobuf 序列化和反序列化的詳細(xì)過程，包括長度壓縮的機(jī)制。

1. Protobuf 的編碼規(guī)則

Protobuf 使用一種稱為 Varint 的編碼方式來壓縮整數(shù)類型，并根據(jù)字段類型選擇不同的編碼方式。以下是常見字段類型的編碼規(guī)則：

• Varint：用于 int32, int64, uint32, uint64, bool 等類型。
• Length-delimited：用于 string, bytes, repeated 類型。
• Fixed-length：用于 fixed32, fixed64, float, double 類型。

2. 序列化的過程

序列化是將消息對象轉(zhuǎn)換為緊湊的二進(jìn)制格式的過程。以下是序列化的詳細(xì)步驟：

(1) 字段的編碼

每個字段在序列化時由以下兩部分組成：

• 字段標(biāo)識符 (Key)：包含字段編號和字段類型。
• 字段值 (Value)：字段的實(shí)際數(shù)據(jù)。

字段標(biāo)識符 (Key)

字段標(biāo)識符是一個 Varint，包含以下信息：

• 字段編號 (Field Number)：在 .proto 文件中定義的字段編號。
• 字段類型 (Wire Type)：表示字段值的編碼方式。

字段標(biāo)識符的計(jì)算公式：

Key = (Field Number << 3) | Wire Type

示例

假設(shè)字段編號為 1，字段類型為 Varint (Wire Type = 0)，則：

Key = (1 << 3) | 0 = 8

(2) 字段值的編碼

字段值的編碼方式取決于字段類型：

• Varint 編碼：整數(shù)類型使用 Varint 編碼。
• Length-delimited 編碼：字符串和字節(jié)數(shù)組先編碼長度，再編碼內(nèi)容。
• Fixed-length 編碼：浮點(diǎn)數(shù)和固定長度整數(shù)直接按固定字節(jié)數(shù)存儲。

3. Varint 編碼的細(xì)節(jié)

Varint 是一種變長整數(shù)編碼方式，用于壓縮整數(shù)。它的核心思想是：

• 每個字節(jié)的最高位（MSB）表示是否有后續(xù)字節(jié)。 如果 MSB = 1，表示還有后續(xù)字節(jié)。如果 MSB = 0，表示這是最后一個字節(jié)。
• 剩余 7 位用于存儲實(shí)際數(shù)據(jù)。

示例

整數(shù) 300 的二進(jìn)制表示為 100101100，用 Varint 編碼如下：

1. 將二進(jìn)制分成 7 位一組，從低位開始：100101100 → 00101100 和 00000010。
2. 對每組添加 MSB： 第一組：00101100 → 10101100（MSB = 1，表示有后續(xù)字節(jié)）。第二組：00000010 → 00000010（MSB = 0，表示這是最后一個字節(jié)）。
3. 最終編碼為：10101100 00000010。

4. Length-delimited 編碼的細(xì)節(jié)

Length-delimited 類型（如字符串和字節(jié)數(shù)組）先編碼長度，再編碼內(nèi)容：

1. 長度：使用 Varint 編碼表示內(nèi)容的字節(jié)數(shù)。
2. 內(nèi)容：直接存儲實(shí)際數(shù)據(jù)。

示例

字符串 "abc" 的編碼：

1. 字符串長度為 3，用 Varint 編碼為 00000011。
2. 字符串內(nèi)容為 ASCII 編碼：61 62 63。
3. 最終編碼為：03 61 62 63。

5. 反序列化的過程

反序列化是將二進(jìn)制數(shù)據(jù)解析為消息對象的過程。以下是反序列化的詳細(xì)步驟：

(1) 解析字段標(biāo)識符

從二進(jìn)制數(shù)據(jù)中讀取 Varint，解析字段編號和字段類型：

• 字段編號：Key >> 3
• 字段類型：Key & 0x07

(2) 解析字段值

根據(jù)字段類型解析字段值：

• Varint：逐字節(jié)讀取，直到 MSB = 0。
• Length-delimited：先讀取長度（Varint 編碼），再讀取內(nèi)容。
• Fixed-length：直接讀取固定字節(jié)數(shù)。

示例

假設(shè)接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為：08 01 12 03 61 62 63，解析過程如下：

1. 字段 1： Key = 08 → 字段編號 = 1，字段類型 = 0 (Varint)。值 = 01 → 解碼為整數(shù) 1。
2. 字段 2： Key = 12 → 字段編號 = 2，字段類型 = 2 (Length-delimited)。長度 = 03 → 內(nèi)容長度為 3。內(nèi)容 = 61 62 63 → 解碼為字符串 "abc"。

最終解析結(jié)果：

{
  "field1": 1,
  "field2": "abc"
}

6. 長度壓縮的優(yōu)勢

• 小整數(shù)壓縮：Varint 對小整數(shù)非常高效。例如，0 到 127 只需 1 個字節(jié)。
• 跳過未識別字段：Length-delimited 類型的長度信息允許解析器快速跳過未知字段。
• 緊湊的二進(jìn)制格式：相比 JSON 或 XML，Protobuf 消除了冗余的標(biāo)簽和空格。

總結(jié)

Protobuf 的序列化和反序列化通過 Varint 和 Length-delimited 編碼實(shí)現(xiàn)了高效的壓縮和解析。它的核心特點(diǎn)是：

1. 使用 Varint 壓縮整數(shù)，減少存儲空間。
2. 使用字段標(biāo)識符和類型信息實(shí)現(xiàn)靈活的消息解析。
3. 通過長度信息支持快速跳過未知字段。

這種機(jī)制使 Protobuf 成為一種高效、靈活的序列化格式，非常適合網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲。