這是一篇讓你對Protocol Buffer知其然亦知其所以然的文檔，即便你在并不了解這其中的技術(shù)細節(jié)和處理機制的情況下，仍然能夠在你的應(yīng)用程序中正常的使用Protocol Buffer，然而我相信，通過對這些細節(jié)和機制的深入了解，不僅可以讓你更好的使用和駕馭Protocol Buffer，而且還能深深地感受到Google工程師的智慧和高超的編程技藝，因此在我看來，深入的研習對我們編程能力的提高和思路的拓寬都是大有裨益的。不積跬步無以致千里。

簡單消息編碼布局

? ? ? 讓我們先看一下下面的消息定義示例：
? ? ? message Test1 {
??? ?? ?? required int32 a = 1;
????? }
????? 假設(shè)我們在應(yīng)用程序中將字段a的值設(shè)置為150（十進制），此后再將該對象序列化到Binary文件中，你可以看到文件的數(shù)據(jù)為：
??????08 96 01
????? 這3個字節(jié)的含義又是什么呢？它們又是按照什么樣的編碼規(guī)則生成的呢？讓我們拭目以待。
?? ?

Base 128 Varints

?? ?? 在理解Protocol Buffer的編碼規(guī)則之前，你首先需要了解varints。varints是一種使用一個或多個字節(jié)表示整型數(shù)據(jù)的方法。其中數(shù)值本身越小，其所占用的字節(jié)數(shù)越少。
?? ?? 在varint中，除了最后一個字節(jié)之外的每個字節(jié)中都包含一個msb(most significant bit)設(shè)置(使用最高位)，這意味著其后的字節(jié)是否和當前字節(jié)一起來表示同一個整型數(shù)值。而字節(jié)中的其余七位將用于存儲數(shù)據(jù)本身。由此我們可以簡單的解釋一下Base 128，通常而言，整數(shù)數(shù)值都是由字節(jié)表示，其中每個字節(jié)為8位，即Base 256。然而在Protocol Buffer的編碼中，最高位成為了msb，只有后面的7位存儲實際的數(shù)據(jù)，因此我們稱其為Base 128（2的7次方）。
????? 比如數(shù)字1，它本身只占用一個字節(jié)即可表示，所以它的msb沒有被設(shè)置，如：
??????0000 0001
?? ?? 再比如十進制數(shù)字300，它的編碼后表示形式為：
?? ???1010 1100 0000 0010
????? 對于Protocol Buffer而言又是如何將上面的字節(jié)布局還原成300呢？這里我們需要做的第一步是drop掉每個字節(jié)的msb。從上例中可以看出第一個字節(jié)（1010 1100）的msb（最高位）被設(shè)置為1，這說明后面的字節(jié)將連同該字節(jié)表示同一個數(shù)值，而第二個字節(jié)（0000 0010）的msb為0，因此該字節(jié)將為表示該數(shù)值的最后一個字節(jié)了，后面如果還有其他的字節(jié)數(shù)據(jù)，將表示其他的數(shù)據(jù)。
????? 1010 1100 0000 0010
????? -> 010 1100 000 0010
????? 上例中的第二行已經(jīng)將第一行中每一個字節(jié)的msb去除。由于Protocol Buffer是按照Little Endian的方式進行數(shù)據(jù)布局的，因此我們這里需要將兩個字節(jié)的位置進行翻轉(zhuǎn)。
????? 010 1100 000 0010
????? -> 000 0010 010 1100??????? ???//翻轉(zhuǎn)第一行的兩個字節(jié)
????? -> 100101100?????????????????????????//將翻轉(zhuǎn)后的兩個字節(jié)直接連接并去除高位0
????? -> 256 + 32 + 8 + 4 = 300????//將上一行的二進制數(shù)據(jù)換算成十進制，其值為300
?? ?

消息結(jié)構(gòu)

?? ?? Protocol Buffer中的消息都是由一系列的鍵值對構(gòu)成的。每個消息的二進制版本都是使用標簽號作為key，而每一個字段的名字和類型均是在解碼的過程中根據(jù)目標類型（反序列化后的對象類型）進行配對的。在進行消息編碼時，key/value被連接成字節(jié)流。在解碼時，解析器可以直接跳過不識別的字段，這樣就可以保證新老版本消息定義在新老程序之間的兼容性，從而有效的避免了使用older消息格式的older程序在解析newer程序發(fā)來的newer消息時，一旦遇到未知（新添加的）字段時而引發(fā)的解析和對象初始化的錯誤。最后，我們介紹一下字段標號和字段類型是如何進行編碼的。下面先列出Protocol Buffer可以支持的字段類型。

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

?? ?? 由于在編碼后每一個字段的key都是varint類型，key的值是由字段標號和字段類型合成編碼所得，其公式如下：
??????field_number << 3 | field_type
????? 由此看出，key的最后3個bits用于存儲字段的類型信息。那么在使用該編碼時，Protocol Buffer所支持的字段類型將不會超過8種。這里我們可以進一步計算出Protocol Buffer在一個消息中可以支持的字段數(shù)量為2的29次方減一。現(xiàn)在我們再來回顧一下之前給出的Test1消息被序列化后的第一個字節(jié)08的由來。
????? 0000 1000
?? ?? -> 000 1000??????????????????//drop掉msb（最高位）
????? 最低的3位表示字段類型，即0為varint。我們再將結(jié)果右移3位( >> 3)，此時得到的結(jié)果為1，即字段a在消息Test1中的標簽號。通過這樣的結(jié)果，Protocol Buffer的解碼器可以獲悉當前字段的標簽號是1，其后所跟隨數(shù)據(jù)的類型為varint。現(xiàn)在我們可以繼續(xù)利用上面講到的知識分析出后兩個字節(jié)(96 01)的由來。
?? ?? 96 01 = 1001 0110 0000 0001
????????? -> 001 0110 000 0001???//drop兩個字節(jié)的msb
????????? -> 000 0001 001 0110???//翻轉(zhuǎn)高低字節(jié)
????????? -> 10010110???????????????????//去掉最高位中沒用的0
????????? -> 128 + 16 + 4 + 2 = 150
?? ?

更多的值類型

?? ?? 1. 有符號整型
? ? ? 如前所述，類型0表示varint，其中包含int32/int64/uint32/uint64/sint32/sint64/bool/enum。在實際使用中，如果當前字段可以表示為負數(shù)，那么對于int32/int64和sint32/sint64而言，它們在進行編碼時將存在著較大的差別。如果使用int32/int64表示一個負數(shù)，該字段的值無論是-1還是-2147483648，其編碼后長度將始終為10個字節(jié)，就如同對待一個很大的無符號整型一樣。反之，如果使用的是sint32/sint64，Protocol Buffer將會采用ZigZag編碼方式，其編碼后的結(jié)果將會更加高效。
????? 這里簡單講述一下ZigZag編碼，該編碼會將有符號整型映射為無符號整型，以便絕對值較小的負數(shù)仍然可以有較小的varint編碼值，如-1。下面是ZigZag對照表：

Signed Original	Encoded As
0	0
-1	1
1	2
-2	3
2147483647	4294967294
-2147483648	4294967295

?? ?? 其公式為：
? ? ? (n << 1) ^ (n >> 31)????//sint32
?? ?? (n << 1> ^ (n >> 63)???//sint64
?? ?? 需要補充說明的是，Protocol Buffer在實現(xiàn)上述位移操作時均采用的算術(shù)位移，因此對于(n >> 31)和(n >> 63)而言，如果n為負值位移后的結(jié)果就是-1，否則就是0。
?? ?? 注：簡單解釋一下C語言中的算術(shù)位移和邏輯位移。他們的左移操作都是相同的，即低位補0，高位直接移除。不同的是右移操作，邏輯位移比較簡單，高位全部補0。而算術(shù)位移則需要視當前值的符號位而定，補進的位和符號位相同，即正數(shù)全補0，負數(shù)全補1。換句話說，算術(shù)位移右移時要保證符號位的一致性。在C語言中，如果使用 int變量位移時就是算術(shù)位移，uint變量位移時是邏輯位移。
?? ?? 2. Non-varint數(shù)值型
?? ?? double/fixed64始終都占用8個字節(jié)，float/fixed32始終占用4個字節(jié)。
? ? ? 3. Strings
? ? ? 其類型值為2，key信息之后是字節(jié)數(shù)組的長度信息，最后在緊隨指定長度的實際數(shù)據(jù)值信息。如：
?? ?? message Test2 {
?? ?? ??? required string b = 2;
?? ?? }
????? 現(xiàn)在我們設(shè)置b的值為"testing"。其編碼后數(shù)據(jù)如下：
??????12 07?74 65 73 74 69 6E 67
????? 第一個字節(jié)0x12表示key，通過解碼可以得到字段類型2和字段標號2。第二個字節(jié)07表示testing的長度。后面7個紅色高亮的字節(jié)則表示testing。
?? ?

嵌入消息

? ? ? 這里是一個包含嵌入消息的消息定義。
? ? ? message Test3 {
??? ?? ?? required Test1 c = 3;
?? ?? }
?? ?? 此時我們先將Test1的a字段值設(shè)置為150，其編碼結(jié)果如下：
?? ???1A 03 08 96 01
? ? ? 從上面的結(jié)果可以看出08 96 01和之前直接編碼Test1時是完全一致的，只是在前面增加了key(字段類型 + 標號)和長度信息。新增信息的解碼方式和含義與前面的Strings完全相同，這里不再重復解釋了。
?? ?

Packed Repeated Fields

? ? ? Protocol Buffer從2.1.0版本開始引入了[pack = true]的字段級別選項。如果設(shè)置該選項，那么元素數(shù)量為0的repeated字段將不會被編碼，否則數(shù)組中的所有元素會被編碼成一個單一的key/value形式。畢竟數(shù)組中的每一個元素都具有相同的字段類型和標號。該編碼形式，對包含較小值的整型元素而言，優(yōu)化后的編碼結(jié)果可以節(jié)省更多的空間。如：
? ? ? message Test4 {
?? ?? ??? repeated int32 d = 4 [pack=true];
? ? ? }
?? ?? 這里我們假設(shè)d字段包含3個元素，值分別為3,270,86942。編碼結(jié)果如下：
?? ?? 22?????????????//key (字段標號4，類型為2)
?? ?? 06?????????????//數(shù)據(jù)中所有元素所占用的字節(jié)數(shù)量
????? 03?????????????//第一個元素(varint 3)
?? ?? 8E 02????????//第二個元素(varint 270)
? ? ? 9E A7 05??//第三個元素(varint 86942)
?? ?

字段順序

? ? ? 在.proto文件中定義消息的字段標號時，可以是不連續(xù)的，但是如果將其定義為連續(xù)遞增的數(shù)值，將獲得更好的編碼和解碼性能

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Protocol Buffer数据编码的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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