探秘高效数据交换：Protocol Buffers（protobuf）在Java中的实战指南

精选原创

jast_zsh 2024-08-19 11:18:41 博主文章分类：其他 ©著作权

文章标签 java 开发语言 protobuf Java 字段 文章分类 Python 后端开发

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文章目录

深入了解 Protocol Buffers 及其在 Java 中的使用

什么是 Protocol Buffers？

Protobuf 的优点

Protobuf 基本使用方法

定义数据结构
生成代码

在 Java 项目中使用 Protobuf

IDEA环境准备
添加依赖
编写 `.proto` 文件
生成 Java 代码
使用生成的 Java 类

创建 `Person` 对象
修改 `Person` 对象

Protobuf 的高级功能

嵌套消息
枚举类型
字段修饰符

`repeated`
`optional`
比较

Protobuf 的向后兼容性

数据类型

整体介绍
数据类型详细介绍

Map类型
Any 类型
Oneof

最佳实践
总结

深入了解 Protocol Buffers 及其在 Java 中的使用

Protocol Buffers（简称Protobuf）是由Google开发的一种语言中立、平台中立、可扩展的序列化结构数据格式。它不仅性能优越，还具有良好的可扩展性，被广泛应用于微服务通信、数据存储、配置文件等领域。本文将详细介绍Protobuf的特点、基本使用方法，并具体讲解如何在Java项目中使用Protobuf。

什么是 Protocol Buffers？

Protocol Buffers 是一种与数据结构定义相关的语言，由 Google 开发。它允许开发人员定义数据模型，然后使用自动生成的代码在不同编程语言之间进行高效的数据交换。它的核心思想是通过 .proto 文件定义数据结构，然后通过编译器生成相应的代码，便于在不同编程语言中使用。

Protobuf 的优点

高效的序列化和反序列化：Protobuf 使用二进制格式进行数据传输，速度快且占用空间小。
向后兼容性：可以在不破坏现有代码的情况下对数据结构进行修改和扩展。
多语言支持：Protobuf 支持多种编程语言，包括Java、C++、Python、Go等。
简洁的定义语言：通过简洁的 .proto 文件定义数据结构。

Protobuf 基本使用方法

定义数据结构

通常，我们首先需要创建一个 .proto 文件来定义数据结构。以下是一个简单的 .proto 文件示例：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

option java_outer_classname = "TestProtobuf";

message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
  map<string, string> attributes = 4;
}


message Student {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
  map<string, string> attributes = 4;
}

在上面的示例中：

syntax = "proto3"; 指定使用 Protobuf 的版本（proto3）。
package wiki.hadoop.protobuf; 定义了包名。
option java_outer_classname = "TestProtobuf";：指定生成的 Java 文件的外部类名为 TestProtobuf。这意味着所有在此文件中定义的消息类将作为 TestProtobuf 类的内部静态类生成。
message 是 Protobuf 中的基本数据结构，可以包含多个字段，每个字段都有一个唯一的编号。

生成代码

使用 Protobuf 编译器（protoc）将 .proto 文件编译成相应语言的代码。对于 Java，我们可以使用以下命令：

protoc --java_out=./output example.proto

这会在 ./output 目录下生成相应的 Java 类文件。

在 Java 项目中使用 Protobuf

接下来，我们详细介绍如何在 Java 项目中使用 Protobuf。

IDEA环境准备

安装插件

探秘高效数据交换：Protocol Buffers（protobuf）在Java中的实战指南_Java

添加依赖

在你的 Java 项目中添加 Protobuf 的依赖。对于 Maven 项目，可以在 pom.xml 中添加以下依赖：

<protobuf.version>3.25.3</protobuf.version>

<dependency>
    <groupId>com.google.protobuf</groupId>
    <artifactId>protobuf-java</artifactId>
    <version>${protobuf.version}</version>
</dependency>

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <!-- 定义 Protobuf Maven 插件 -->
            <groupId>org.xolstice.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>protobuf-maven-plugin</artifactId>
            <version>0.6.1</version>
            <configuration>
                <!-- 指定 .proto 文件所在的目录 -->
                <protoSourceRoot>${basedir}/src/main/resources/proto</protoSourceRoot>
                <!-- 指定 protoc 工具的 Maven 坐标， ${protobuf.version} 和 ${os.detected.classifier} 是占位符，分别表示 Protobuf 版本和操作系统分类器 -->
                <protocArtifact>com.google.protobuf:protoc:${protobuf.version}:exe:${os.detected.classifier}</protocArtifact>
                <!-- 指定生成的 Java 文件的输出目录 -->
                <outputDirectory>${project.basedir}/src/main/resources/proto/java</outputDirectory>
                <!-- 生成文件前是否清空目标目录，设置为 false 以防止误删项目文件 -->
                <!-- <clearOutputDirectory>false</clearOutputDirectory> -->
            </configuration>
            <executions>
                <execution>
                    <goals>
                        <!-- 执行 Protobuf 编译目标 -->
                        <goal>compile</goal>
                        <!-- 执行自定义的 Protobuf 编译目标 -->
                        <goal>compile-custom</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
    <extensions>
        <!-- 这个扩展必须添加，用于检测操作系统并生成适当的分类器（os.detected.classifier），确保 protoc 工具能够正确运行在不同操作系统上 -->
        <extension>
            <groupId>kr.motd.maven</groupId>
            <artifactId>os-maven-plugin</artifactId>
            <version>1.7.1</version>
        </extension>
    </extensions>
</build>

插件配置完，更新依赖，在Maven中可以看到这个命令，该命令就是用于生成java文件的

探秘高效数据交换：Protocol Buffers（protobuf）在Java中的实战指南_字段_02

编写 `.proto` 文件

创建一个名为 person.proto 的文件，并定义数据结构：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

// 定义 Person 消息
message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
  map<string, string> attributes = 4;
}

// 定义 Student 消息
message Student {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;
  map<string, string> attributes = 4;
}

生成 Java 代码

点击运行 protobuf:compile

探秘高效数据交换：Protocol Buffers（protobuf）在Java中的实战指南_java_03

使用生成的 Java 类

编译后，会生成一个 Person 类，我们可以在 Java 项目中使用它。以下是一个完整的示例，展示如何创建、序列化和反序列化 Person 对象。

创建 `Person` 对象

package wiki.hadoop;

import wiki.hadoop.protobuf.TestProtobuf;

import com.google.protobuf.InvalidProtocolBufferException;

public class ProtobufExample {
    public static void main(String[] args) throws InvalidProtocolBufferException {
        // 创建 Person 对象并设置 map 字段
        TestProtobuf.Person person =
                TestProtobuf.Person.newBuilder()
                        .setName("John Doe")
                        .setId(1234)
                        .setEmail("john.doe@example.com")
                        .putAttributes("nickname", "Johnny")
                        .putAttributes("role", "admin")
                        .build();

        // 创建 Student 对象并设置所有字段
        TestProtobuf.Student student =
                TestProtobuf.Student.newBuilder()
                        .setName("Jane Smith")
                        .setId(5678)
                        .setEmail("jane.smith@example.com")
                        .putAttributes("grade", "A")
                        .putAttributes("major", "Computer Science")
                        .build();

        // 打印 Student 和 Person 对象的详细信息
        System.out.println("Student Details:" + student);
        System.out.println("Person Details:" + person);

        // 序列化 Student 对象 ，数据传输时使用
        byte[] byteArray = student.toByteArray();

        // ... 传输动作

        // 反序列化 Student 对象
        TestProtobuf.Student deserializedStudent = TestProtobuf.Student.parseFrom(byteArray);
        System.out.println("反序列化后:" + deserializedStudent);
    }
}

在上面的示例中，我们展示了如何创建一个 Person 对象，并将其序列化为字节数组，然后再反序列化回 Person 对象。

修改 `Person` 对象

Protobuf 提供了方便的 Builder 模式，可以轻松地修改和扩展消息对象。例如：

package wiki.hadoop;

import wiki.hadoop.protobuf.TestProtobuf;

public class ProtobufExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 Person 对象并设置 map 字段
        TestProtobuf.Person person =
                TestProtobuf.Person.newBuilder()
                        .setName("John Doe")
                        .setId(1234)
                        .setEmail("john.doe@example.com")
                        .putAttributes("nickname", "Johnny")
                        .putAttributes("role", "admin")
                        .build();

        TestProtobuf.Person john = person.toBuilder().setName("John").build();

        System.out.println(john.getName());
    }
}

Protobuf 的高级功能

Protobuf 不仅仅支持基本的数据类型和消息结构，还提供了许多高级功能，例如嵌套消息、枚举、扩展字段等。

嵌套消息

你可以在一个消息中定义另一个消息：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

option java_outer_classname = "TestProtobuf";

message Person {
    string name = 1;
    int32 id = 2;
    string email = 3;
    
    message Address {
        string street = 1;
        string city = 2;
        string state = 3;
        string zip = 4;
    }

    Address address = 4;
}

生成的 Java 类将具有嵌套的结构：

import wiki.hadoop.protobuf.TestProtobuf.Person;
import wiki.hadoop.protobuf.TestProtobuf.Person.Address;

public class ProtobufExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 Address 对象
        Address address = Address.newBuilder()
                .setStreet("123 Main St")
                .setCity("Springfield")
                .setState("IL")
                .setZip("62701")
                .build();

        // 创建 Person 对象
        Person person = Person.newBuilder()
                .setName("John Doe")
                .setId(1234)
                .setEmail("john.doe@example.com")
                .setAddress(address)
                .build();

        // 打印 Person 对象
        System.out.println("Name: " + person.getName());
        System.out.println("Address: " + person.getAddress().getStreet());
    }
}

枚举类型

Protobuf 还支持枚举类型：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

message Person {
    string name = 1;
    int32 id = 2;
    string email = 3;
    
    enum Gender {
        MALE = 0;
        FEMALE = 1;
    }
    
    Gender gender = 4;
}

在 Java 中使用枚举类型：

import wiki.hadoop.protobuf.Person;

public class ProtobufExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 Person 对象
        Person.Person person = Person.Person.newBuilder()
                .setName("John Doe")
                .setId(1234)
                .setEmail("john.doe@example.com")
                .setGender(Person.Gender.MALE)
                .build();

        // 打印性别
        System.out.println("Gender: " + person.getGender());
    }
}

字段修饰符

在 Protocol Buffers 中，repeated 和 optional 是两个用于修饰字段的关键字，它们有不同的用途和语义。

`repeated`

repeated 关键字用于表示一个字段可以出现零次或多次，即该字段是一个数组或列表。

特点

一个字段可以包含多个值。
可以为空（零个元素）。
在序列化时，每个元素都将被单独编码。

示例

message Person {
  repeated string phone_numbers = 1;
}

在上面的示例中，phone_numbers 字段可以包含零个或多个电话号码。

Java 使用示例

Person.Builder personBuilder = Person.newBuilder();
personBuilder.addPhoneNumbers("555-1234");
personBuilder.addPhoneNumbers("555-5678");

Person person = personBuilder.build();
for (String phoneNumber : person.getPhoneNumbersList()) {
    System.out.println(phoneNumber);
}

`optional`

optional 关键字用于表示一个字段可以出现零次或一次，即该字段是可选的。

特点

一个字段最多只能包含一个值。
可以为空（未设置）。
在序列化时，如果字段没有设置值，将不会被编码。

示例

message Person {
  optional string email = 2;
}

在上面的示例中，email 字段可以包含一个电子邮件地址，也可以未设置。

Java 使用示例

Person.Builder personBuilder = Person.newBuilder();
personBuilder.setEmail("johndoe@example.com");

Person person = personBuilder.build();
if (person.hasEmail()) {
    System.out.println(person.getEmail());
} else {
    System.out.println("Email not set.");
}

比较

出现次数：

repeated 字段可以出现零次或多次。
optional 字段最多出现一次。

编码方式：

repeated 字段的每个元素都将被单独编码。
optional 字段如果未设置，将不会被编码。

访问方式：

repeated 字段在 Java 中通常使用 List 访问。
optional 字段在 Java 中使用 getter 方法访问，并且可以使用 hasFieldName() 方法检查其是否设置。

注意

在 Protocol Buffers 3.0（proto3）中，optional 关键字被简化，所有字段默认都是 optional，不需要显式声明。
在 proto3 中，optional 关键字主要用于与旧版本兼容，并且在一些特定情况下使用，如 oneof。

总结

repeated
optional 用于表示一个字段可以包含零个或一个值（在 proto3 中，所有字段默认都是 optional）。

Protobuf 的向后兼容性

Protobuf 的一个重要特性是向后兼容性，即可以在不破坏现有代码的情况下对数据结构进行扩展。添加新的字段时，只需在 .proto 文件中添加新字段，并确保字段编号不冲突：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

message Person {
    string name = 1;
    int32 id = 2;
    string email = 3;
    string phone = 4; // 新添加的字段
}

编译后生成的代码将包含新字段：

Person.Person person = Person.Person.newBuilder()
        .setName("John Doe")
        .setId(1234)
        .setEmail("john.doe@example.com")
        .setPhone("123-456-7890")
        .build();

总结，Protobuf 是一种高效、灵活的数据交换格式，尤其适用于需要高性能序列化和反序列化的场景。通过定义 .proto 文件，使用 protoc 编译器生成代码，你可以在 Java 项目中轻松地使用 Protobuf 进行数据传输和存储。

希望这篇博客能帮助你更好地理解和使用 Protobuf。如果你需要进一步深入了解 Protobuf，不妨探索以下高级功能和最佳实践：

数据类型

整体介绍

类型	字段名称	描述
基本类型	`int32`	32位有符号整数
	`int64`	64位有符号整数
	`uint32`	32位无符号整数
	`uint64`	64位无符号整数
	`sint32`	32位有符号整数，使用ZigZag编码
	`sint64`	64位有符号整数，使用ZigZag编码
	`fixed32`	32位有符号固定长度整数
	`fixed64`	64位有符号固定长度整数
	`sfixed32`	32位有符号固定长度整数，使用ZigZag编码
	`sfixed64`	64位有符号固定长度整数，使用ZigZag编码
	`float`	32位浮点数
	`double`	64位浮点数
	`bool`	布尔值（true 或 false）
	`string`	字符串（UTF-8编码）
	`bytes`	字节数组
枚举类型	`Status`	枚举类型，包括三个可能的状态：`UNKNOWN`, `ACTIVE`, `INACTIVE`
嵌套消息类型	`NestedMessage`	嵌套消息类型，包含一个字符串字段 `nested_field`
map 类型	`map<string, int32>`	键为 `string` 类型，值为 `int32` 类型
repeated 类型	`repeated string`	重复字段，包含多个字符串
特殊类型	`google.protobuf.Any`	可以存储任意类型的消息
	`google.protobuf.Timestamp`	表示时间戳
	`google.protobuf.Duration`	表示时间段
	`google.protobuf.Struct`	结构化数据类型，可以存储动态键值对
	`google.protobuf.FieldMask`	用于指定哪些字段应被操作

syntax = "proto3";

package example;

// 导入Google提供的一些特殊类型
import "google/protobuf/any.proto";
import "google/protobuf/timestamp.proto";
import "google/protobuf/duration.proto";
import "google/protobuf/struct.proto";
import "google/protobuf/field_mask.proto";

message ExampleMessage {
    // 基本类型
    int32 int_field = 1;
    int64 long_field = 2;
    uint32 uint_field = 3;
    uint64 ulong_field = 4;
    sint32 sint_field = 5;
    sint64 slong_field = 6;
    fixed32 fixed32_field = 7;
    fixed64 fixed64_field = 8;
    sfixed32 sfixed32_field = 9;
    sfixed64 sfixed64_field = 10;
    float float_field = 11;
    double double_field = 12;
    bool bool_field = 13;
    string string_field = 14;
    bytes bytes_field = 15;

    // 枚举类型
    enum Status {
        UNKNOWN = 0;
        ACTIVE = 1;
        INACTIVE = 2;
    }
    Status status_field = 16;

    // 嵌套消息类型
    message NestedMessage {
        string nested_field = 1;
    }
    NestedMessage nested_message = 17;

    // map 类型
    map<string, int32> map_field = 18;

    // repeated 类型
    repeated string repeated_field = 19;

    // 特殊类型
    google.protobuf.Any any_field = 20;
    google.protobuf.Timestamp timestamp_field = 21;
    google.protobuf.Duration duration_field = 22;
    google.protobuf.Struct struct_field = 23;
    google.protobuf.FieldMask field_mask_field = 24;
}

数据类型详细介绍

Map类型

在 Protobuf 中可以使用 map 来表示键值对结构。例如：

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

 message Person {
     string name = 1;
     int32 id = 2;
     string email = 3;
     map<string, string> attributes = 4;
 }

在 Java 中使用 map：

public class ProtobufExample {
     public static void main(String[] args) {
         // 创建 Person 对象并设置 map 字段
         Person.Person person = Person.Person.newBuilder()
                 .setName("John Doe")
                 .setId(1234)
                 .setEmail("john.doe@example.com")
                 .putAttributes("nickname", "Johnny")
                 .putAttributes("role", "admin")
                 .build();

         // 打印 map 字段
         System.out.println("Attributes: " + person.getAttributesMap());
     }
 }

Any 类型

Protobuf 3 引入了 Any 类型，它允许你嵌入任意类型的 Protobuf 消息。

syntax = "proto3";

 package wiki.hadoop.protobuf;

 import "google/protobuf/any.proto";

 message Container {
     string name = 1;
     google.protobuf.Any data = 2;
 }

在 Java 中使用 Any 类型：

import com.google.protobuf.Any;
 import com.google.protobuf.InvalidProtocolBufferException;
 import wiki.hadoop.protobuf.Person;
 import wiki.hadoop.protobuf.Container;

 public class ProtobufExample {
     public static void main(String[] args) {
         // 创建一个 Person 对象
         Person.Person person = Person.Person.newBuilder()
                 .setName("John Doe")
                 .setId(1234)
                 .setEmail("john.doe@example.com")
                 .build();

         // 将 Person 对象封装进 Any 类型
         Any anyPerson = Any.pack(person);

         // 创建 Container 对象
         Container.Container container = Container.Container.newBuilder()
                 .setName("PersonContainer")
                 .setData(anyPerson)
                 .build();

         // 解包 Any 类型
         try {
             Person unpackedPerson = container.getData().unpack(Person.class);
             System.out.println("Unpacked Person Name: " + unpackedPerson.getName());
         } catch (InvalidProtocolBufferException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }
 }

Oneof

oneof 关键字允许你在消息中定义互斥的字段。互斥字段中只能有一个被设置。

syntax = "proto3";

 package example;

 message Sample {
     string name = 1;
     oneof test_oneof {
         int32 id = 2;
         string email = 3;
     }
 }

在 Java 中使用 oneof：

package wiki.hadoop;


import wiki.hadoop.protobuf.Preson;

public class ProtobufExample {
    public static void main(String[] args) {
        Preson.Person.Builder builder = Preson.Person.newBuilder();
        builder.setId("1");
        builder.setName("张三");
        builder.setUid(2);
        Preson.Person build = builder.build();
        System.out.println(build);
    }
}

输出结果

uid: 2

最佳实践

字段编号管理：
为了确保 Protobuf 向后兼容性，字段编号一旦分配，尽量不要更改。可以为新增字段预留一些编号。
合理使用 optional 和 repeated：

optional：表示字段可以有也可以没有。默认情况下，proto3 中的所有字段都是 optional 的。
repeated：表示字段可以出现零次或多次，相当于数组或列表。

版本控制：
对 .proto 文件进行版本控制，确保每次修改都能追溯，并能够与代码版本对应。
文档和注释：
在 .proto 文件中添加注释，明确每个字段的用途和含义。

syntax = "proto3";

package wiki.hadoop.protobuf;

// Person message represents an individual with basic contact information.
message Person {
    string name = 1; // Name of the person
    int32 id = 2; // Unique identifier for the person
    string email = 3; // Email address of the person
    string phone = 4; // Phone number of the person (optional)
}

总结

本文详细介绍了 Protocol Buffers 的基本概念、优点、如何定义和使用 .proto 文件、在 Java 项目中的集成方法，以及一些高级功能和最佳实践。以下是关键点总结：

高效的序列化和反序列化：Protobuf 使用二进制格式，提高了数据传输和存储的效率。
向后兼容性：Protobuf 允许你在不破坏现有代码的情况下对数据结构进行扩展。
多语言支持：Protobuf 支持多种编程语言，便于跨语言数据交换。
丰富的功能：支持嵌套消息、枚举、oneof、map、Any 类型等高级功能。

通过实际示例，我们展示了如何在 Java 项目中使用 Protobuf 进行数据定义、序列化和反序列化。在实际项目中，Protobuf 可以极大地提升数据传输和存储的效率，同时保持代码的简洁和可维护性。

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