内容简介:Protocol Buffers(protobuf)是一种语言无关,平台无关,可扩展的用于序列化结构化数据的方式——类似XML,但比XML更灵活,更高效。虽然平常工作中经常用到protobuf,但很多时候只是停留在基本语法的使用上,很多高级特性和语法还掌握不全,在阅读一些开源proto库的时候,总会看到一些平常没有使用过的语法,影响理解。本文基于Go语言,总结了所有的使用protobuf语法编写
Protocol Buffers(protobuf)是一种语言无关,平台无关,可扩展的用于序列化结构化数据的方式——类似XML,但比XML更灵活,更高效。虽然平常工作中经常用到protobuf,但很多时候只是停留在基本语法的使用上,很多高级特性和语法还掌握不全,在阅读一些开源proto库的时候,总会看到一些平常没有使用过的语法,影响理解。
本文基于 Go 语言,总结了所有的 proto3
常用和不常用的语法和示例,助你全面掌握protobuf语法,加深理解,扫清源码阅读障碍。
Quick Start
使用protobuf语法编写 xxx.proto
文件,然后将其编译成可供特定语言识别和使用的代码文件,供程序调用,这是protobuf的基本工作原理。
以Go语言为例,使用官方提供的编译器会将 xxx.proto
文件编译成 xxx.pb.go
文件——一个普通的go代码文件。
要使用protobuf,首先我们需要下载protobuf编译器——protoc,但Go语言并没有被编译器直接支持,而是通过插件的方式被编译器引用,所以同时我们还需要下载Go语言的编译插件:
-
下载合适环境的编译器(
protoc-$VERSION-$PLATFORM.zip
): github.com/protocolbuf… -
下载安装Go语言编译插件:
go install google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go
安装完毕后,我们准备如下文件$SRC_DIR/quick_start.proto
:
syntax = "proto3"; message SearchRequest { string query = 1; int32 page_number = 2; int32 result_per_page = 3; } 复制代码
执行编译器命令: protoc --go_out=$DST_DIR $SRC_DIR/quick_start.proto
。
该命令将编译 $SRC_DIR/quick_start.proto
文件,并且将其基于Go语言的编译输出结果保存到文件 $DST_DIR/quick_start.qb.go
中:
.... type SearchRequest struct { Query string `protobuf:"bytes,1,opt,name=query,proto3" json:"query,omitempty"` PageNumber int32 `protobuf:"varint,2,opt,name=page_number,json=pageNumber,proto3" json:"page_number,omitempty"` ResultPerPage int32 `protobuf:"varint,3,opt,name=result_per_page,json=resultPerPage,proto3" json:"result_per_page,omitempty"` XXX_NoUnkeyedLiteral struct{} `json:"-"` XXX_unrecognized []byte `json:"-"` XXX_sizecache int32 `json:"-"` } .... 复制代码
在程序中引入生成文件 quick_start.qb.go
所在的包,就可以用protobuf的方式对结构体进行序列化和反序列化。
序列化:
req := &pb.SearchRequest{} //此处pb是 quick_start.qb.go 所在包的别名 // ... // 序列化结构体,写入文件 out, err := proto.Marshal(req) if err != nil { log.Fatalln("Failed to encode search request :", err) } if err := ioutil.WriteFile(fname, out, 0644); err != nil { log.Fatalln("Failed to write search request:", err) } 复制代码
反序列化:
// 从文件读取消息,并将其反序列化成结构体 in, err := ioutil.ReadFile(fname) if err != nil { log.Fatalln("Error reading file:", err) } book := &pb.SearchRequest{} if err := proto.Unmarshal(in, book); err != nil { log.Fatalln("Failed to parse search request:", err) } 复制代码
A Bit of Everything
quick start示例中展示的是最基础的用法,下面我们通过一个包含所有 proto3
语法的示例,逐一讲解protobuf的各项语法和功能。
示例代码在这里可以找到: a_bit_of_everything.proto
在代码根目录下执行 protoc --go_out=plugins=grpc:. a_bit_of_everything.proto
生成 xxx.pb.go
文件。
package
syntax = "proto3"; option go_package = "examplepb"; // 编译后的golang包名 package example.everything; // proto包名 ... 复制代码
在示例文件的起始位置会看到 go_package
和 package
两个关于包的声明,但这两个 package
表达的意义并不相同, package example.everything;
表明的是当前 .proto
文件所在的包名,跟Go语言类似,在相同的包名下,不能定义相同名称的 message
, enum
或是 service
。 option go_package = "examplepb"
则定义了一个文件级别的 option
,用于指定编译后的golang包名。
import
... import "google/protobuf/any.proto"; import "google/protobuf/descriptor.proto"; //import "other.proto"; ... 复制代码
import
用于引入其他的proto文件,当在当前文件中要使用其他proto文件的定义时,需要将其 import
进来,然后可以通过类似 packageName.MessageName
的方式来引用需要的内容,跟Go语言的 import
十分类似。执行编译 protoc
的时候,需要加上 -I
参数来指定 import
文件的路径,例如: protoc -I $GOPATH/src --go_out=. a_bit_of_everything.proto
示例中引入的any.proto和descriptor.proto已经内置到protoc中,故编译本示例不需要加-I参数
标量类型 (Scalar Value Types)
proto类型 | Go类型 | 备注 |
---|---|---|
double | float64 | |
float | float | |
int32 | int32 | 编码负数值相对低效 |
int64 | int64 | 编码负数值相对低效 |
uint32 | uint32 | |
uint64 | uint64 | |
sint32 | int32 | 当值为负数时候,编码比int32更高效 |
sint64 | int64 | 当值为负数时候,编码比int64更高效 |
fixed32 | uint32 | 当值总是大于2^28时,编码比uint32更高效 |
fixed64 | uint64 | 当值总是大于2^56时,编码比uint32更高效 |
sfixed32 | int32 | |
sfixed64 | int64 | |
bool | bool | |
string | string | 只能是utf-8编码或者7-bit ASCII文本,且长度不得大于2^32 |
bytes | []byte | 不大于2^32的任意长度字节序列 |
message消息
// 普通的message message SearchRequest { string query = 1; int32 page_number = 2; int32 result_per_page = 3; } 复制代码
message
可以包含多个字段声明,每个字段声明需要包含字段类型,字段名称和一个唯一序号。字段类型可以是标量,枚举或是其他 message
类型。唯一序号用于标识该字段在消息二进制编码中位置。
还可以用 repeated
来修饰字段类型,详见下文 repeated
说明。
枚举类型
... // 枚举 enum enum Status { STATUS_UNSPECIFIED = 0; STATUS_OK = 1; STATUS_FAIL= 2; STATUS_UNKNOWN = -1; // 不推荐有负数 } ... 复制代码
通过 enum
关键字定义枚举类型,在protobuf中,枚举是一个int32类型。第一个枚举值必须从0开始,如果不希望在代码中使用0值,可以将第一个值用 XXX_UNSPECIFIED
作为占位符。由于enum类型实际上是用protobuf的int32类型的编码方式编码,故不推荐在枚举类型中使用负数。
XXX_UNSPECIFIED
只是一种代码规范。并不影响代码行为。
保留字段 (Reserved Fields) & 保留枚举值(Reserved Values)
// 保留字段 message ReservedMessage { reserved 2, 15, 9 to 11; reserved "foo", "bar"; // string abc = 2; // 编译报错 // string foo = 3; // 编译报错 } // 保留枚举 enum ReservedEnum { reserved 2, 15, 9 to 11, 40 to max; reserved "FOO", "BAR"; // FOO = 0; // 编译报错 F = 0; } 复制代码
如果我们将某 message
中的字段删除了,后面更新可能会重新使用这些字段。当新旧两种proto定义都在线上运行时,编解码可能会发生错误。例如有新旧两个版本的 Foo
:
// old version message Foo { string a = 1; } 复制代码
// new version message Foo { int32 a = 1; } 复制代码
如果使用新版本的proto来解析旧版本的消息,就会发生错误,因为新版本proto会尝试将 a
解析成int32,但实际上旧版本proto是按照string类型来对 a
进行编码的。protobuf通过提供 reserved
关键字来避免新旧版本冲突的问题:
// new version message Foo { reserved 1; // 标记第一个字段是保留的 int32 a = 2; // 序号从2开始,就不会与旧版本的string类型a冲突了 } 复制代码
嵌套
// nested 嵌套message message SearchResponse { message Result { string url = 1 ; string title = 2; } enum Status { UNSPECIFIED = 0; OK = 1; FAIL= 2; } Result results = 1; Status status = 2; } 复制代码
message
允许多层嵌套, message
和 enum
都可以嵌套。被嵌套的 message
和 enum
不仅可以在当前 message
中使用,也可以被其他 message
引用:
message OtherResponse { SearchResponse.Result result = 1; SearchResponse.Status status = 2; } 复制代码
复合类型
除标量类型外,protobuf还提供了一些非标量类型,在本文中我把它们统称为复合类型。
复合类型并不是官方划分的类别。是本文为了便于理解而归纳总结的一个概念。
repeated
// repeated message RepeatedMessage { repeated SearchRequest requests = 1; repeated Status status = 2; repeated int32 number = 3; } 复制代码
repeated
可以作用在 message
中的变量类型上。只有 标量类型
, 枚举类型
和 message类型
可以被 repeated
修饰。 repeated
表示当前修饰变量可以被重复任意次(包括0次),其实就是表示当前修饰类型的一个变长数组,也就是Go语言中的 slice
:
// repeated type RepeatedMessage struct { Requests []*SearchRequest `protobuf:"bytes,1,rep,name=requests,proto3" json:"requests,omitempty"` Status []Status `protobuf:"varint,2,rep,packed,name=status,proto3,enum=example.everything.Status" json:"status,omitempty"` Number []int32 `protobuf:"varint,3,rep,packed,name=number,proto3" json:"number,omitempty"` XXX_NoUnkeyedLiteral struct{} `json:"-"` XXX_unrecognized []byte `json:"-"` XXX_sizecache int32 `json:"-"` } 复制代码
map
message MapMessage{ map<string, string> message = 1; map<string, SearchRequest> request = 2; } 复制代码
除了 slice
,当然还有 map
。其中key的类型可以是
除去 double
, float
, bytes
以外
的标量类型,value的类型可以是任意标量类型,枚举类型和message类型。protobuf的 map
编译成Go语言后也是用 map
来表示:
... // map type MapMessage struct { Message map[string]string `protobuf:"bytes,1,rep,name=message,proto3" json:"message,omitempty" protobuf_key:"bytes,1,opt,name=key,proto3" protobuf_val:"bytes,2,opt,name=value,proto3"` Request map[string]*SearchRequest `protobuf:"bytes,2,rep,name=request,proto3" json:"request,omitempty" protobuf_key:"bytes,1,opt,name=key,proto3" protobuf_val:"bytes,2,opt,name=value,proto3"` XXX_NoUnkeyedLiteral struct{} `json:"-"` XXX_unrecognized []byte `json:"-"` XXX_sizecache int32 `json:"-"` } ... 复制代码
any
... import "google/protobuf/any.proto"; ... message AnyMessage { string message = 1; google.protobuf.Any details = 2; } ... 复制代码
any
类型可以包含一个不需要指定类型的任意的序列化消息。要使用 any
类型,需要 import google/protobuf/any.proto
。 any
类型字段的encode/decode交由各语言的运行时各自实现,例如在Go语言中可以这样读写 any
类型的字段:
... import "github.com/golang/protobuf/ptypes" ... func getSetAny() { fmt.Println("getSetAny") req := &examplepb.SearchRequest{ Query: "query", } // 将SearchRequest打包成Any类型 a, err := ptypes.MarshalAny(req) if err != nil { log.Println(err) return } // 赋值 anyMsg := &examplepb.AnyMessage{ Message: "any message", Details: a, } req = &examplepb.SearchRequest{} // 从Any类型中还原proto消息 err = ptypes.UnmarshalAny(anyMsg.Details, req) if err != nil { log.Println(err) } fmt.Println(" any:", req) } 复制代码
one of
// one of message OneOfMessage { oneof test_oneof { string m1 = 1; int32 m2 =2; } } 复制代码
如果某消息包含多个字段,但这些字段同一时间最多只允许一个被设置时,可以通过 oneof
来保证这样的行为。对 oneof
中任意一个字段设值,都会将其他字段清空。例如对上述的例子, test_oneof
字段要么是string类型的m1,要么是int32类型的m2。在Go语言中读写 oneof
的示例如下:
func getSetOneof() { fmt.Println("getSetOneof") oneof := &examplepb.OneOfMessage{ // 同一时间只能设值一个值 TestOneof: &examplepb.OneOfMessage_M1{ M1: "this is m1", }, } fmt.Println(" m1:", oneof.GetM1()) // this is m1 fmt.Println(" m2:", oneof.GetM2()) // 0 } 复制代码
options & extensions
相信大部的gopher在平常使用protobuf的过程中都很少关注 options
,80%的开发工作也不需要直接用到 options
。但options是一个很有用的功能,其大大提高了protobuf的扩展性,我们有必要了解它。 options
其实是protobuf内置的一些 message
类型,其分为以下几个级别:
- 文件级别(file-level options)
- 消息级别(message-level options)
- 字段级别(field-level options)
- service级别(service options)
- method级别(method options)
protobuf提供一些内置的 options
可供选择,也提供了通过 extend
关键字来扩展这些 options
,达到增加自定义 options
的目的。
在 proto2
语法中, extend
可以作用于任何 message
,但在 proto3
语法中, extend
仅能作用于这些定义 option
的 message
——仅用于自定义 option
。
options
不会改变声明的整体含义(例如声明的是int32就是int32,不会因为一个option改变了其声明类型),但可能会影响在特定情况下处理它的方式。例如我们可以使用内置的 deprecated option
将某字段标记为 deprecated
:
message Msg { string foo = 1; string bar = 2 [deprecated = true]; //标记为deprecated。 } 复制代码
当我们需要编写自定义protoc插件时,可以通过自定义 options
为编译插件提供额外信息。举个例子,假设我要开发一个proto的校验插件,其生成 xxx.Validate()
方法来校验消息的合法性,我可以通过自定义 options
来提供生成代码的必要信息:
message Msg { // required是自定义options,表示foo字段必须非空 string foo = 1; [required = true]; } 复制代码
内置 options
的定义可以在 github.com/protocolbuf…
找到,每种级别的 options
都对应一个 message
,分别是:
- FileOptions —— 文件级别
- MessageOptions —— 消息级别
- FieldOptions —— 字段级别
- ServiceOptions —— service级别
- MethodOptions —— method级别
以下将通过示例来逐一介绍这些级别的 options
,以及如何扩展这些 options
。
文件级别
... option go_package = "examplepb"; // 编译后的golang包名 ... message extObj { string foo_string= 1; int64 bar_int=2; } // file options extend google.protobuf.FileOptions { string file_opt_string = 1001; extObj file_opt_obj = 1002; } option (example.everything.file_opt_string) = "file_options"; option (example.everything.file_opt_obj) = { foo_string: "foo" bar_int:1 }; 复制代码
go_package
毫无疑问是protobuf内置提供的,用于指定编译后的golang包名。除了使用内置的外,可以通过 extend
字段来扩展内置的 FileOptions
,例如在上述例子中,我们新增了两个新的option——string类型的 file_opt_string
和extObj类型的 file_opt_obj
。并通过 option
关键字设置了两个文件级别的options。在Go语言中,我们可以这样读取这些options:
func getFileOptions() { fmt.Println("file options:") msg := &examplepb.MessageOption{} md, _ := descriptor.MessageDescriptorProto(msg) stringOpt, _ := proto.GetExtension(md.Options, examplepb.E_FileOptString) objOpt, _ := proto.GetExtension(md.Options, examplepb.E_FileOptObj) fmt.Println(" obj.foo_string:", objOpt.(*examplepb.ExtObj).FooString) fmt.Println(" obj.bar_int", objOpt.(*examplepb.ExtObj).BarInt) fmt.Println(" string:", *stringOpt.(*string)) } 复制代码
打印结果:
file options: obj.foo_string: foo obj.bar_int 1 string: file_options 复制代码
消息级别
// message options extend google.protobuf.MessageOptions { string msg_opt_string = 1001; extObj msg_opt_obj = 1002; } message MessageOption { option (example.everything.msg_opt_string) = "Hello world!"; option (example.everything.msg_opt_obj) = { foo_string: "foo" bar_int:1 }; string foo = 1; } 复制代码
与文件级别大同小异,不再赘述。Go语言读取示例:
func getMessageOptions() { fmt.Println("message options:") msg := &examplepb.MessageOption{} _, md := descriptor.MessageDescriptorProto(msg) objOpt, _ := proto.GetExtension(md.Options, examplepb.E_MsgOptObj) stringOpt, _ := proto.GetExtension(md.Options, examplepb.E_MsgOptString) fmt.Println(" obj.foo_string:", objOpt.(*examplepb.ExtObj).FooString) fmt.Println(" obj.bar_int", objOpt.(*examplepb.ExtObj).BarInt) fmt.Println(" string:", *stringOpt.(*string)) } 复制代码
字段级别
// field options extend google.protobuf.FieldOptions { string field_opt_string = 1001; extObj field_opt_obj = 1002; } message FieldOption { // 自定义的option string foo= 1 [(example.everything.field_opt_string) = "abc",(example.everything.field_opt_obj) = { foo_string: "foo" bar_int:1 }]; // protobuf内置的option string bar = 2 [deprecated = true]; } 复制代码
字段级别的option定义方式不使用 option
关键字,格式为:用[]包裹的用逗号分隔的k=v形式的数组。在Go语言中,我们可以这样读取这些option:
func getFieldOptions() { fmt.Println("field options:") msg := &examplepb.FieldOption{} _, md := descriptor.MessageDescriptorProto(msg) stringOpt, _ := proto.GetExtension(md.Field[0].Options, examplepb.E_FieldOptString) objOpt, _ := proto.GetExtension(md.Field[0].Options, examplepb.E_FieldOptObj) fmt.Println(" obj.foo_string:", objOpt.(*examplepb.ExtObj).FooString) fmt.Println(" obj.bar_int", objOpt.(*examplepb.ExtObj).BarInt) fmt.Println(" string:", *stringOpt.(*string)) } 复制代码
应用项目参考: github.com/mwitkow/go-… go-proto-validators是一个用于生成可以校验proto消息合法性的proto编译插件,其使用字段级别的option来定义校验规则。
service和method级别
// service & method options extend google.protobuf.ServiceOptions { string srv_opt_string = 1001; extObj srv_opt_obj = 1002; } extend google.protobuf.MethodOptions { string method_opt_string = 1001; extObj method_opt_obj = 1002; } service ServiceOption { option (example.everything.srv_opt_string) = "foo"; rpc Search (SearchRequest) returns (SearchResponse) { option (example.everything.method_opt_string) = "foo"; option (example.everything.method_opt_obj) = { foo_string: "foo" bar_int: 1 }; }; } 复制代码
service和method级别的option也是通过 option
关键字来定义,与文件级别和消息级别option类似,不再赘述。Go语言读取示例:
func getServiceOptions() { fmt.Println("service options:") msg := &examplepb.MessageOption{} md, _ := descriptor.MessageDescriptorProto(msg) srv := md.Service[1] // ServiceOption stringOpt, _ := proto.GetExtension(srv.Options, examplepb.E_SrvOptString) fmt.Println(" string:", *stringOpt.(*string)) } func getMethodOptions() { fmt.Println("method options:") msg := &examplepb.MessageOption{} md, _ := descriptor.MessageDescriptorProto(msg) srv := md.Service[1] // ServiceOption objOpt, _ := proto.GetExtension(srv.Method[0].Options, examplepb.E_MethodOptObj) stringOpt, _ := proto.GetExtension(srv.Method[0].Options, examplepb.E_MethodOptString) fmt.Println(" obj.foo_string:", objOpt.(*examplepb.ExtObj).FooString) fmt.Println(" obj.bar_int", objOpt.(*examplepb.ExtObj).BarInt) fmt.Println(" string:", *stringOpt.(*string)) } 复制代码
应用项目参考: github.com/grpc-ecosys…
grpc-gateway通过为rpc的method自定义option,来表达由grpc到http的转换关系,通过文件级别和service级别的option来控制生成swagger的行为。
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持 码农网
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