protocol buffer编码格式分析

1.protocol buffer编码背景

Protocol Buffer(PB)是google 的一种数据交换的格式，它独立于语言，独立于平台。可以理解为一种信源编码方式，就是将待传输的信源符号经过某种变换，转换成码流进行传输的这个变换过程。信源编码可分为两类：有损编码与无损编码，PB属于无损编码，在无损编码中，又分为定长编码和变长编码，定长编码就是一个符号变换后的码字的比特长度是固定的，比如ASCII、Unicode都是定长编码，码字是8比特，16比特。变长编码则是将信源符号映射为不同的码字长度，比如Huffman编码，PB编码。

PB也可以看作是一种协议，主要用于对象序列化。那么，如何记录一个对象的变量值呢？目前典型的格式有XML和JSON。这两种方式都有两个共同特点，即自描述特性以及文本描述。自描述是指变量名也包含在格式中。而PB不包含变量名本身，同时采用二进制编码，通信底层的协议一般均为二进制，具有解析速度快、占用空间小的优点，缺点是缺乏可读性了。PB编码充分利用二进制编码和可变长度的特点，节约对象的存储空间。

2.protocol buffer的二进制编码格式

2.1 对比定长编码和文本结构编码，了解protocol buffer的编码格式是如何影响到编码之后的文件大小。

整数的编码

int型定长编码：4个字节
PD编码（变长编码）：pd为每个整数编码后还是整数个字节，但字节个数可能不同。将每个字节拿出1比特最高位的那个比特MSB（Most Significant Bit）来作为边界的标记（编码是否为最后一个字节），1表示还没有到最后一个字节，0表示到了最后一个字节。

0xxx xxxx表示某个整数编码后的结果是单个字节，因为MSB=0；
1xxx xxxx 0xxx xxxx表示某个整数编码后的结果是2个字节，因为前一个字节的MSB=1（编码结果未结束），后一个字节的MSB=0；
同理，三个字节、四个字节都用这种方法来表示边界.

举例：
0000 0001表示整数1；
1010 1100 0000 0010表示两个字节的结果;
将两字节的MSB去掉为：0101100 0000010，
PB对于多个字节的情况采用低字节优先，即后面的字节要放在高位，于是拼在一起的结果为：00000100101100表示300这个整数值。(其实就是将数字的二进制补码的每7位分为一组， 低7位先输出，编码在前面，在输出下一组，依次类推)

对象的编码

当对象包含多个变量是，以一个类的定义为例：

message Test1{
     IntFlag= 150;
     StringFlag="testing";
}

利用输出流序列化这些信息，当我们打开这个序列化文件的时候可以看到一共利用3个bytes表示的这个Message：08 96 01
PD序列编码主要有以下协议措施减少存储：
1）序号key替代变量名：
PB采用了“编号+对应变量值”的这种形式来序列化。因为编号肯定是唯一的，所以这种形式其实就是一系列Key-Value对，Key就是编号，Value就是编号对应变量的值。

分析：采用编号替代json等文本格式中的变量名可以省很大空间（实际应用中变量名可能很长）；之所以保留编号，而没有直接取消按值顺序传递，因为某些值可能为空，没必要传递过去（缺省值），就只需要传递一部分即可。而1、2、3、4这些编号都不记录的话，就必须所有的都传递过去，反而并不节省空间。(因为key为整数，对小整数的pd编码是很节约空间的，一般需要1个字节)

2） 1bit定结束边界:
关于key的编码：对于key（小整数）我们采用上面的整数编码，当整数编码较大需要多个bytes时，采用整数编码提到的，将每个字节拿出1比特最高位的那个比特MSB（Most Significant Bit）来作为边界的标记。
3） 3bit标记value类型；
关于value的编码：Value也面临和Key一样的问题，首先也需要知道Value的结果有多长，是不是也采用类似的方法呢，这样就会有些难办。比如Value如果是一个字符串，可能很长，每个字节都拿出一比特来这么弄，浪费且不说，而且字符串本身就是一个一个字节的，完全被打乱了，解码的时候速度会降低。所以Value值最好一整个的放在一起。

最简单的一种思路是，关于Value长度的指示可以放在Key和Value之间。因为长度本身也是一个整数，就用前面那种方法进行编码即可，在解码时，先得到Key，然后后面跟着Value的长度，解析得到Value长度后，再解析Value值。
能不能更加节省呢？PB更加高明之处就在于此。通过观察可以知道，在程序设计时，很多变量都是一个整数（int,int64等等），对于整数，无需长度指示，按照整数编码即可。但不指示的话，怎么知道后面是个整数呢？

PB于是把Key增加了3个bit，记录后面的Value的类型wire_type（3位可以表示的类型有限，对类型粗分类），key的最终表示为：(Key << 3) | wire_type

以上面的序列编码08 96 01为例：
因为第一个字节是Key的一个整型变量（08），去除MSB为：0001000
从这个数字的低三位我们取出value的类型(0)，然后向右边移动三位可以得到它的编号(1)。所以现在我们知道tag为1，接下来的数是一个varint，接下来用varint译码方法(比如整型译码，不需保存value长度)进行译码：

96 01 = 1001 0110  0000 0001
   → 000 0001  ++  001 0110 (丢弃MSB，按照7bits进行反转，低字节优先编码)
   → 10010110
   → 2 + 4 + 16 + 128 = 150

这样，08 96 01这三个字节就表示第一个变量值为整数150。

另一个例子：12 07 74 65 73 74 69 6e 67
第一个字节12去除MSB为：0010010, 后三位010表示wire type=2，前四位0010表示第2个变量。
因为wire type=2，表示Value是string, bytes等Length-delimited,接下来的数记录了Value的长度。
07的二进制：0000 0111，因为MSB=0，所以是最后一个字节，其值为0000111，即为7，表示Value的长度为7，也就是后面的7个字节：74 65 73 74 69 6e 67
这7个字节假如是string，则为“testing”（ASCII码）
于是知道，传递的是第二个变量，且值为“testing”。

如果上面的例子串起来：08 96 01 12 07 74 65 73 74 69 6e 67
就表示对象的第一个整数值为150，第二个变量的字符串为“testing”。

假如用JSON的话，就类似于这样：
{"IntFlag":"150","StringFlag":"testing"}

其中，IntFlag和StringFlag假定是类的变量名，可以看出，JSON使用了40个左右的字节，而PB使用了12个字节，如果这个对象被反复传递（大多数程序一般都是这样），则总体开销很小。
主要参考链接：
https://blog.csdn.net/sylar_d/article/details/51346290
https://www.cnblogs.com/apoptoxin/p/5713980.html

最后

以上就是强健太阳为你收集整理的protocol buffer编码格式分析的全部内容，希望文章能够帮你解决protocol buffer编码格式分析所遇到的程序开发问题。

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