Protocol Buffers设计要点

概述

一种开源跨平台的序列化结构化数据的协议。可用于存储数据或在网络上进行数据通信。它提供了用于描述数据结构的接口描述语言（IDL），也提供了根据 IDL 产生代码的程序工具。Protocol Buffers的设计目标是简单和性能，所以与 XML 相比更小且更快。在 Google，它被当作一个 RPC 系统的基础。

设计过程

Tag 表示

对于一条 person 信息，使用 JSON 可表示为：{ “age”: 30, “name”: “zhangsan”, “height”: 175.33, “weight”: 140 }。显然，中间有很多冗余的字符，比如 {，" 等，为把数据变小一点，我们直接将其表示为：30|zhangsan|175.33|140，即通过直接将 value 使用分隔符 | 拼在一起，舍去了不必要的冗余字符（每条记录都要包含各个字段的字段名很浪费存储空间），这样大幅度地压缩了空间。然后接收端按照如下顺序解析 key-value 之间的关系。

字段1：age	字段2：name	字段3：height	字段4：weight
30	zhangsan	175.33	140

假设 height 这个字段为 null，我们其实是不必要传递这个字段的，这个时候我们需要传递的数据就为：30|zhangsan|140。但是在接收端，解析数据并按照顺序进行字段匹配的时候就会出问题。

字段1：age	字段2：name	字段3：height	字段4：weight
30	zhangsan	140

显然已经乱套了，为了保证能够正确的配对，我们可以使用 tag 技术，即每个字段我们都用tag|value 的方式来存储的，在 tag 当中记录两种信息：

value 对应的字段的编号
value 的数据类型

因为 tag 中有字段编号信息，所以即使没有传递 height 字段的 value 值，根据编号也能正确的配对。

使用 tag 也会增加额外的空间，这跟 JSON 的 key/value 有什么区别吗？ JSON 中的 key 是字符串，每个字符就会占据一个字节，像 name 这个 key 就会占据 4 个字节，但在 PB 中，tag 使用二进制进行存储，一般只会占据 1 个字节，它的代码为：

static int makeTag(final int fieldNumber, final int wireType) {return (fieldNumber << 3) | wireType;
}

fieldNumber 就是字段编号，比如 fieldNumber 为 1 表示age，为 2 表示 name 等；
wireType 表示字段的数据类型，以此来计算 value 占用字节的大小。

注：在 protobuf 当中，wireType可以支持的字段类型如下：
在这里插入图片描述

编码优化

我们知道整数在计算机当中占 4 个字节，但绝大部分的整数，比如价格，库存等，都是比较小的整数，实际用不了 4 个字节，比如 127 在计算机中的二进制为：

00000000 00000000 00000000 01111111

完全可以用最后 1 个字节来进行存储，protobuf 当中定义了 Varint 这种数据类型，可以用不同的长度来存储整数，进一步压缩数据的存储空间。

另外在计算机中，负数使用补码表示，比如 -1，它的二进制表示方式为：

11111111 11111111 11111111 11111111

显然就无法用 1 个字节来表示了，这个时候就可以使用 zigzag 算法对负数进行变换，最终可用 2 个字节来表示 -1。

Varints

《深入理解 Kafka：核心设计与实践原理》

Varints 是使用一个或多个字节来序列化整数的一种方法。数值越小，其占用的字节数就越少。Varints 中的每个字节都有一个位于最高位的 msb 位（most significant bit），除最后一个字节外，其余 msb 位都设置为 1，最后一个字节的 msb 位为 0。这个 msb 位表示其后的字节是否和当前字节一起来表示同一个整数。除 msb 位外，剩余的 7 位用于存储数据本身，这种表示型又称为 Base 128。通常而言，一个字节 8 位可以表示 256 个值，所以称为 Base 256，而这里只能用 7 位表示，2 的 7 次方即 128。Varints 中采用的是小端字节序，即最小的字节放在最前面。

举个例子，比如数字 1，它只占一个字节，所以 msb 位为 0：

0000 0001

再举一个复杂点得例子，比如数字 300：

1010 1100 0000 0010

300 得二进制表示原本为 0000 0001 0010 1100 = 256 + 32 +8 + 4 = 300。那么为什么 300 的变长表示为上面这种形式呢？

首先去掉每个字节的 msb 位，表示为：

1010 1100 0000 0010 -> 010 1100 000 0010（varints 表示去掉 msb 的结果）

如前所述，varints 使用小端字节序的布局方式，所以这里两个字节的位置需要翻转再补上最高位：

010 1100 000 0010
-> 000 0010 010 1100（翻转）
-> 0000 0010 0010 1100（补上每字节的最高位 0）

Varints 可以用来表示 int32、int64、uint32、uint64、sint32、sint64、bool、enum 等类型。在实际使用过程中，如果当前字段可以表示为负数，那么对 int32/int64 和 sint32/sint64 而言，它们在进行编码时存在较大的区别。比如使用 int64 表示一个负数，那么哪怕是 -1（-1 正常需要 8 * 8 = 64 位来表示，而 varint 表示法，每个字节的最高位需要作为 msb，相当于每个字节只有 7 位，所以至少需要 10 字节（10 * 7 > 64 > 9 * 7）来表示），其编码后的长度始终为 10 个字节，就如同对待一个很大的无符号长整型数一样。为了使编码更加高效，Varints 使用了 ZigZag 的编码方式。

ZigZag 编码以一种锯齿形（zig-zags）的方式来回穿梭正负整数，将带符号整数映射为无符号整数，这样可以使绝对值较小的负数仍然享有较小的 Varints 编码值，比如 -1 编码为 1，1 编码为 2，-2 编码为 3，如表5-1所示。

对应的公式为：

(n << 1) ^ (n >> 31) （sin32）、(n << 1) ^ (n >> 63)（sin64）

以 -1 为例，其二进制表现形式为 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 （补码）。

( n << 1 ) = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110
(n >> 31) = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
(n << 1) ^ (n >> 31 ) = 1

最终 -1 的 Varints 编码为 0000 0001 ，这样原本用 4 个字节表示的 -1 现在可以用 1 个字节来表示了。

前面说过 Varints 中的一个字节中只有 7 位是有效数值位，即只能表示 128 个数值 ,转变成绝对值之后其实质上只能表示 64 个数值。比如对消息体长度而言，其值肯定是大于等于 0 的正整数，那么一个字节长度的 Varints 最大只能表示 64 。 65 的二进制数表示为：

0100 0001

经过 ZigZag 处理后为：

1000 00 1 0 A 0000 0000 = 1000 0010

每个字节的低 7 位是有效数值位，所以 1000 0010 进一步转变为：

000 0001 000 0010

而 Varints 使用小端字节序，所以需要翻转一下位置：

000 0010 000 0001

设置非最后一个字节的 msb 位为 1 ，最后一个字节的 msb 位为 0，最终有：

1000 0010 0000 0001

所以最终 65 表示为 1000 0010 0000 0001 ，而 64 却表示为 0 100 0000 。

解码

因为每个字段都用 tag|value 来表示，在 tag 中包含了 value 的数据类型信息，所以可以直接从 tag 中得知 value 的字节大小，从而快速地解析出数据。例如 value 是 bool 型，我们就知道其占了 1 个字节，程序从 tag 后面直接读一个字节就可以解析出 value，而 JSON 则需要进行字符串解析才可以办到。

如果 value 是字符串类型的，我们无法从 tag 当中得知 value 的实际长度，就不得不做字符串匹配操作，要知道字符串匹配是非常耗时的。为了能够快速解析字符串类型的数据，protobuf 在存储的时候，对其做了特殊的处理，即其存储被分做三部分：tag|length|value，其中的 leg 记录了字符串的长度，同样使用了 varint 来存储，然后程序从 leg 后截取 leg 个字节的数据作为 value。

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协议比较

Avro、ProtoBuf、Thrift 的模式演进之法【翻译】

如果有一些数据，想存储在文件中，或者通过网络发送出去，对数据的处理主要分为如下几个阶段：

使用编程语言内置的序列化机制，如 Java Serialization、 Ruby Marshal 或 Python pickle，或者甚至发明自己的格式。
意识到被锁定在一种编程语言中是很糟糕的，所以转向使用一种广泛支持的、与语言无关的格式，比如 JSON (或者 XML)。
觉得 JSON 过于冗长，解析速度太慢。也会恼火它竟然无法区分整数和浮点。所以出现了一种类似于 JSON 的格式，但它是二进制的。（比如： MessagePack、 BSON、Binary JSON 等）。
当使用不一致的协议类型进行通信时，总会出现对象字段匹配失效的问题。此外，类似于 JSON 的二进制文件并没有那么紧凑，因为它们仍会一遍又一遍地存储字段名。如果有一个协议，可以避免存储对象的字段名，则可以节省更多字节。可用选项通常是 Thrift, Protocol Buffers（以下简称 ProtoBuf）或 Avro。这三种序列化协议都是基于模式设计的，为 Java 开发人员提供了高效的、跨语言数据序列化和代码生成能力。