Protobuf 简介
Protocol Buffer (Protobuf) 是 Google 于 2008 年发布的高性能、灵活的结构化数据标准。它主要用于方便地描述结构化的数据，可用于跨平台快速通讯，更适合用于大规模互联网系统的数据交换。相比 XML、JSON 等非结构化数据编码方式，Protobuf 的编解码效率要优于它们。Google 内部也在逐渐使用 Protobuf 来替代其内部的传输协议，如 gRPC。对于开发者来说，Protobuf 提供了一系列便利的工具，包括 protoc 编译器、预定义消息类型以及各种语言的库支持。
Protobuf 的安装配置
安装环境准备
如果你还没有安装过 protobuf 的相关工具或环境，那么首先需要准备好以下的软件环境：
- 下载安装包
- 安装 Java 环境（如果没有安装，请参考官方文档进行安装）
- 设置环境变量
- 安装 protobuf 运行环境
如果你的机器上已经有相关的软件环境，你可以跳过此步。
- 下载 protoc 编译器压缩包，本例采用 v3.9.1 版本
- 下载完成后解压，进入 bin 目录，执行 protoc.exe 命令查看是否正确安装。正常情况下应该会打印出类似如下信息：
protoc 3.9.1
Usage: protoc [OPTION]... FILES
Parse PROTO_FILES and generate output based on options given:
...
Please specify a command with --help for more information.
如果能够看到 Usage 的信息说明安装成功。 3. 设置系统环境变量，找到'计算机'–>'属性'–>'高级系统设置'–>'环境变量'菜单，在'用户变量'中点击'新建'，然后输入 PROTOBUF_HOME，值为 protoc 所在目录。然后在'系统变量'中找到 PATH，点击编辑，在后面添加 %PROTOBUF_HOME%\bin。 4. 最后重新打开 CMD 或者其他终端窗口，验证是否生效。
protoc --version
正常情况下输出类似：
libprotoc 3.9.1
编写 Protobuf 文件
使用 Protobuf 消息格式主要涉及到两个方面：定义消息格式和使用消息格式。定义消息格式是在.proto 文件中声明消息类型，例如声明一个 Person 类型的消息格式，其中包含 name 字符串字段、id 整型字段和 email 字符串数组字段，可以按照如下方式定义。
syntax = "proto3"; //指定 protobuf 版本，语法最低版本为 proto3
package demo; //指定当前文件的命名空间，通常建议按功能模块划分不同的命名空间
message Person {
string name = 1;
int32 id = 2;
repeated string email = 3;
}
注意：
syntax：该选项用于指定该.proto文件的语法版本，proto3即是最新版本，也是本文使用的语法版本；package：该选项用于指定当前文件的命名空间，命名空间一般建议按功能模块划分不同的命名空间，避免不同项目间发生冲突。
通过 .proto 文件可以生成对应语言的代码，因此第一步需要确认自己正在使用的编程语言，本文使用 Java 作为演示语言。
使用 Protobuf 编译器编译生成 Java 类
使用 Protobuf 消息格式定义完毕后，就可以用 Protobuf 编译器生成对应的 Java 类了，生成 Java 类的过程实际是编译.proto文件生成一个.java文件，所以需要确保你已经安装了 Protoc 编译器。
编译命令如下：
$ protoc -I=<source directory of.proto files> --java_out=<output directory> <list of.proto file paths>
参数说明：
-I: 指定导入的.proto文件的查找路径，可以在多个路径中用冒号分割，但是推荐只设置一个路径，否则容易导致生成的文件名重复；
--java_out: 指定生成 Java 类的存放目录；
<list of.proto file paths>: 指定要编译的.proto文件列表，可以用星号*表示匹配所有.proto文件，也可以用相对或绝对路径指定单个文件。
例如：
$ protoc -I=. --java_out=../main/java person.proto
上面命令表示将person.proto文件编译成 Java 类并存放在../main/java文件夹下。编译完成后，可以查看当前目录下的生成文件，其中就包含刚才生成的Person类。
在 Java 中使用 Protobuf
生成的 Java 类非常类似于原始的.proto文件中的消息定义，并且提供了相应的方法来序列化和反序列化消息数据。比如说，可以通过如下代码构造一个Person对象，并对其序列化：
import com.google.protobuf.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Person person = Person.newBuilder()
.setName("Alice")
.setId(123)
.addEmail("<EMAIL>")
.addEmail("<EMAIL>")
.build();
byte[] data = person.toByteArray();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.dat");
fos.write(data);
fos.close();
}
}
上面代码构造了一个新的Person对象，并设置了三个字段的值，然后调用toByteArray()方法将其序列化为字节数组。接着保存到本地文件test.dat。
读取已有的字节序列，恢复到Person对象，可以使用如下代码：
FileInputStream fis = new FileInputStream("test.dat");
byte[] data = new byte[fis.available()];
fis.read(data);
fis.close();
Person person = Person.parseFrom(data);
System.out.println("Name: " + person.getName());
System.out.println("ID: " + person.getId());
System.out.println("Emails:");
for (String email : person.getEmailList()) {
System.out.println("- " + email);
}
上面代码读取字节序列data，恢复成Person对象，然后打印各字段的值。parseFrom()方法是从字节序列解析出Person对象。
总结
本文介绍了如何在 Java 中使用 Protobuf 编译器来生成.proto文件，并通过 Java API 对消息进行序列化和反序列化。Protobuf 是一个强大的序列化协议，建议使用它的原因很多，包括跨平台性、高性能、简单易用等，大家可以根据自己的需求选择不同的方案。
