什么是Protobuf

Protobuf是 Google的⼀种语⾔⽆关、平台⽆关、可扩展的序列化结构数据的⽅法，它可⽤于（数据）通信协议、数据存储等。
Protobuf类比于XML，是一种灵活，高效，自动化机制的结构数据序列化方法，但是比XML更小，更快，更灵活。（可以自己选择定义不同的数据结构）

为什么需要Protobuf

序列化和反序列化

• 序列化：把对象转换为字节序列的过程
• 反序列化：将字节序列的恢复为对象的过程。

什么情况下需要序列化

• 存储数据：当你想把内存的对象状态保存到一个文件中或者存储到一个数据中。
• 网络传输： 网络传输中，都是以二进制来传输的，我们无法直接传递对象，所以都需要先序列化。

Protobuf的特点

• 语言无关、平台无关： protobuf支持java、c++、python等语言，支持多平台
• 高效：比XML更小、更快、更简单
• 扩展性好、兼容性好：可以更新数据结构，不破坏原有的旧程序。（例如兼容老版本）

Protobuf的使用特点

• 编写.proto文件
• 然后编译出.pb.h .pb.cc文件，调用其中的接口就可以完成序列化和反序列化了

proto3语法
Protocol Buffers 语⾔版本3，简称proto3，是.proto文件的最新版本。
它简化了protocol Buffers语言，它允许你使用C++、Java等多种语言来生成protocol buffer的代码。

package声明符
它其实很简单，就是命名空间，用来防止我们定义发生冲突

定义消息
为什么要定义消息呢？

• 要知道，在网络传输中，我们需要使用成熟的协议或者自定义协议来处理我们的消息，所以protobuf就是以message的方式来支持我们可以自己来定制协议字段的。

syntax = "proto3"; 			//指定proto文件版本
package contacts;			//package声明符
message 消息类型名{}

有了以上的认识后，下面我会以一个通讯录的例子来讲解一下protobuf的使用

首先为contacts.proto定义联系人的字段

syntax = "proto3";package contacts;// 定义联系⼈消息 message PeopleInfo {
//	这是消息字段格式 	字段类型 字段名 = 字段唯⼀编号string name = 1; int32 age = 2;
}

但是注意一下，字段的唯一编号的范围：

• 1-536,870,911(2^19-1），其中1900-19999不可用

1900-19999不可用是因为：在protobuf中，对这些字段进行了预留。

编译contacts.proto文件

protoc [--proto_path=IMPORT_PATH] --cpp_out=DST_DIR path/to/file.proto
protoc 是 Protocol Buffer 提供的命令⾏编译⼯具。--proto_path 指定 被编译的.proto⽂件所在⽬录，可多次指定。可简写成 -I 
IMPORT_PATH 。如不指定该参数，则在当前⽬录进⾏搜索。当某个.proto ⽂件 import 其他 
.proto ⽂件时，或需要编译的 .proto ⽂件不在当前⽬录下，这时就要⽤-I来指定搜索⽬录。--cpp_out= 指编译后的⽂件为 C++ ⽂件。OUT_DIR 编译后⽣成⽂件的⽬标路径。path/to/file.proto 要编译的.proto⽂件。

所以，我们直接编译protoc --cpp_out=. contacts.proto，生成.pb.*文件了。

其中.pb.h是存放类的声明的，而.pb.cc是存放类的实现的。 下面是一部分代码。

class PeopleInfo final : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {public:using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::CopyFrom;void CopyFrom(const PeopleInfo& from);using ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message::MergeFrom;void MergeFrom( const PeopleInfo& from) {PeopleInfo::MergeImpl(*this, from);}static ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::StringPiece FullMessageName() {return "PeopleInfo";}// string name = 1;void clear_name();const std::string& name() const;template <typename ArgT0 = const std::string&, typename... ArgT>void set_name(ArgT0&& arg0, ArgT... args);std::string* mutable_name();PROTOBUF_NODISCARD std::string* release_name();void set_allocated_name(std::string* name);// int32 age = 2;void clear_age();int32_t age() const;void set_age(int32_t value);
};class MessageLite {
public://序列化： bool SerializeToOstream(ostream* output) const; // 将序列化后数据写⼊⽂件流 bool SerializeToArray(void *data, int size) const;bool SerializeToString(string* output) const;//反序列化： bool ParseFromIstream(istream* input); // 从流中读取数据，再进⾏反序列化动作 bool ParseFromArray(const void* data, int size);
bool ParseFromString(const string& data);
};

以上的序列化方法没有本质的区别，只是序列化后输出的格式不同，可以根据不同的使用场景来使用。但是要注意一点：序列化的结果是二进制的，不是文本格式。

Protobuf数据类型

• 枚举类型: 在proto文件中，第一个常量值必须是0，同时proto也会将第一个枚举常量作为enum字段的默认值

enum{XX = 0;YY = 1;
}

• repeaded类型
  消息中可以包含字段任意多次（包含0次）， 可以理解为一个数组

syntax = "proto3";
package contacts;// 地址
message Address{string home_address = 1; // 家庭地址string unit_address = 2; // 单位地址
}// 联系人
message PeopleInfo {string name = 1; // 姓名int32 age = 2; // 年龄message Phone {string number = 1; // 电话号码enum PhoneType {MP = 0; // 移动电话TEL = 1; // 固定电话}PhoneType type = 2; // 类型}repeated Phone phone = 3; // 电话
}

• oneof类型
  如果消息中有很多可选字段，只有一个使用，就可以用oneof。也能有节约内存的效果

```bash
syntax = "proto3";
package contacts;// 地址
message Address{string home_address = 1; // 家庭地址string unit_address = 2; // 单位地址
}// 联系人
message PeopleInfo {string name = 1; // 姓名int32 age = 2; // 年龄message Phone {string number = 1; // 电话号码enum PhoneType {MP = 0; // 移动电话TEL = 1; // 固定电话}PhoneType type = 2; // 类型}repeated Phone phone = 3; // 电话oneof other_contact { // 其他联系⽅式：多选⼀string qq = 4;string weixin = 5;}
}

• map类型
  语法支持创建一个关联映射字段，格式如下

map<key_type, value_type> map_field = N;

• key_type 是除了float和bytes类型以外的任意标量类型。value_type 可以是任意类型。
• map字段不可以⽤repeated修饰
• map中存⼊的元素是⽆序的

syntax = "proto3";
package contacts;// 地址
message Address{string home_address = 1; // 家庭地址string unit_address = 2; // 单位地址
}// 联系人
message PeopleInfo {string name = 1; // 姓名int32 age = 2; // 年龄message Phone {string number = 1; // 电话号码enum PhoneType {MP = 0; // 移动电话TEL = 1; // 固定电话}PhoneType type = 2; // 类型}repeated Phone phone = 3; // 电话oneof other_contact { // 其他联系方式：多选string qq = 4;string weixin = 5;}map<string,string> remark = 6; //备注
}

所以，通讯录最终版本如下

contact.proto文件syntax = "proto3";package contacts2;import "google/protobuf/any.proto";message Address{string home_address = 1; //家庭地址string unit_address = 2; //单位地址
}message PeopleInfo{string name = 1;int32 age = 2;message Phone{string phone = 1;enum PhoneType{MP = 0;// 移动电话TEL = 1; //固定电话}PhoneType type = 2;}repeated Phone phone = 3;google.protobuf.Any data = 4;//可选字段中的字段编号，不能与可选字段的编号冲突。//不能在oneof中使用repeated字段。//如果在oneof中设置了多个，那么只会保留最后一次设置的成员，之前设置的oneof成员会自动清除oneof other_contact{string qq = 5;string wechat = 6;}map<string,string> remark = 7;}message Contacts{repeated PeopleInfo contacts = 1;
}

read.cc#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"using namespace std;void PrintContacts(contacts2::Contacts &contacts)
{for (int i = 0; i < contacts.contacts_size(); i++){cout << "---------------联系人" << i + 1 << "---------------" << endl;const contacts2::PeopleInfo &people = contacts.contacts(i);cout << "联系人姓名：" << people.name() << endl;cout << "联系人年龄：" << people.age() << endl;for (int j = 0; j < people.phone_size(); j++){const contacts2::PeopleInfo_Phone &phone = people.phone(j);cout << "联系人电话" << j + 1 << ":" << phone.phone();cout << "   (" << phone.PhoneType_Name(phone.type()) << ")" << endl;}// 使⽤ Is() ⽅法可以⽤来判断存放的消息类型是否为 typename T。if (people.has_data() && people.data().Is<contacts2::Address>()){contacts2::Address address;//使⽤ UnpackTo() ⽅法可以将 Any 类型转回之前设置的任意消息类型。//将people中的any类型取出来转换为其他类型 并放入address中people.data().UnpackTo(&address);if (!address.home_address().empty()){cout << "联系人家庭地址：" << address.home_address() << endl;}else if (!address.unit_address().empty()){cout << "联系人单位地址：" << address.unit_address() << endl;}}//other_contact_case 可以获取到当前设置了的字段switch(people.other_contact_case()){case contacts2::PeopleInfo::OtherContactCase::kQq:cout << "联系人qq号" << people.qq() <<endl;case contacts2::PeopleInfo::OtherContactCase::kWechat:cout << "联系人微信号" << people.wechat() <<endl;case contacts2::PeopleInfo::OtherContactCase::OTHER_CONTACT_NOT_SET:break;}if(people.remark_size()){cout << "备注信息: " << endl;}for(auto it = people.remark().cbegin(); it != people.remark().cend(); it++){cout << " " << it->first << ": " << it->second << endl;}}
}int main()
{contacts2::Contacts contacts;fstream input("contacts.bin", ios::in | ios::binary);if (!contacts.ParseFromIstream(&input)){cerr << "parse error!" << endl;input.close();return -1;}PrintContacts(contacts);return 0;
}