Google高性能序列化框架Protobuf认识及与Netty的结合

Google Protocol Buffer ( 简称 Protobuf ) 是 Google公司研发的 一种灵活高效的可序列化的数据协议 。什么是序列化呢？

序列化(Serialization)将对象的状态信息转换为可以存储或传输的形式的过程

举例来说，我们接触的最多的序列化数据格式有JSON和XML。JSON相对于其他序列化来说，可读性比较强且便于快速编写，因此在前后端分离的今天，一般都采用JSON进行序列化传输。而XML的格式统一，符合标准，同样具有良好的可读性，在 Java 中的绝大多数配置文件都采用XML。

但是，在上面的两种序列化格式中，XML体积庞大，并且它与JSON的性能都不及今天介绍的主角——Protobuf

1.2 安装

首先，在Github上下载 Protobuf 编译器，下载地址为： Github releases 。如果你和我一样使用的Windows系统，那么则下载 protoc-3.6.1-win32.zip 文件。解压完之后，将 Your path\protoc-3.6.1-win32\bin 添加到环境变量中。

在命令行上输入 protoc 查看是否安装成功：

1.3 使用

首先，我们需要编写一个 proto 文件，用来定义程序中需要处理的结构化数据（即 Message ）。 proto 文件类似于Java或者 C语言 的数据定义。

如下，创建 person.proto 文件，定义一个 Person 的 Message ，包含三个属性： id 、 name 、 email ：

syntax = "proto3";  // 执行protobuf的协议版本
option java_package = "site.pushy.protobuf";  // 指定包名
option java_outer_classname = "PersonEntity"; //生成的数据访问类的类名

message Person {
  int32 id = 1;
  string name = 2;
  string email = 3;
}
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然后，通过 protoc 来将该 proto 文件定义的结构化数据编译成为Java文件，编译命令格式为：

$ protoc -I=存放proto文件的目录 --java_out=生成的Java文件输入路径 proto文件的路径
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例如，我将 proto 文件放在了E盘的 demo 下，并将它生成的Java文件放在 E:\demo\protobuf\src\main\java 下，则命令如下：

$ protoc -I=E:\demo --java_out=E:\demo\protobuf\src\main\java E:\demo\person.proto
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运行完之后，将会生成 PersonEntity 类：

package site.pushy.protobuf;

public final class PersonEntity {
    private PersonEntity() {}
    // 代码省略
}
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生成的 PersonEntity 类，我们可以通过建造者模式创建 Person 对象：

public class CreatePerson {
    
    public static PersonEntity.Person create() {
        PersonEntity.Person person = PersonEntity.Person.newBuilder()
                .setId(1)
                .setName("Pushy")
                .setEmail("1437876073@qq.com")
                .build();
            
        System.out.println(person);
        return person;
    }
}
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打印的结果为：

id: 1
name: "Pushy"
email: "1437876073@qq.com"
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怎么样？使用是不是非常简单，下面我们来了解一下 Protobuf 的序列化。

2. 序列化

2.1 字节数组

Protobuf 最简单序列化方式是将 Person 对象转换为字节数组，例如：

// 序列化
PersonEntity.Person person = CreatePerson.create();
byte[] data = person.toByteArray();

// 反序列化
PersonEntity.Person parsePerson = PersonEntity.Person.parseFrom(data);
System.out.println(parsePerson.name);
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这种方式可以适用于很多场景， Protobuf 会根据自己的编码方式将Java对象序列化成字节数组。同时 Protobuf 也会从字节数组中重新编码，得到新的Java POJO对象。

2.2 Stream

第二种序列化方式是将 Protobuf 对象写入Stream：

// 序列化，粘包，将一个或者多个ProtoBuf写入到Stream
PersonEntity.Person person = CreatePerson.create();
ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
person.writeTo(os);

// 反序列化，拆包，从stream中读出一个或者多个Protobuf字节对象
ByteArrayInputStream is = new ByteArrayInputStream(os.toByteArray());
PersonEntity.Person parsePerson = PersonEntity.Person.parseFrom(is);
System.out.println(parsePerson);
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这种方式比较适用于RPC调用和Socket传输，在序列化的字节数组之前，添加一个 varint32 的数字表示字节数组的长度；那么在反序列化时，可以通过先读取 varint ，然后再依次读取此长度的字节；这种方式有效的解决了socket传输时如何“拆包”“封包”的问题。在 Netty 中，适用了同样的技巧。

2.3 文件

第三种则是通过写入文件进行序列化：

// 序列化，将Protobuf对象保存为文件
PersonEntity.Person person = CreatePerson.create();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("pushy.dt");
person.writeTo(fos);
fos.close();

// 反序列化，从文件中读取和解析Protobuf对象
FileInputStream fis = new FileInputStream("pushy.dt");
PersonEntity.Person parsePerson = PersonEntity.Person.parseFrom(fis);
System.out.println(parsePerson);
fis.close();
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3. 结合Netty

在Netty中，对 Protobuf 做了支持，并内置了响应的编解码器实现，如下：

3.1 服务端

引导部分在此不做赘述，更多可以看demo源码。我们主要来介绍一下 ChannelPipeline 中的设置。

服务端部分，需要添加关于 Protobuf 相应的编解码器，另外，还添加 ServerHandler 来处理服务端的业务逻辑：

public class ServerChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        pipeline.addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder());
        pipeline.addLast(new ProtobufEncoder());
        pipeline.addLast(new ProtobufDecoder(PersonEntity.Person.getDefaultInstance()));
        pipeline.addLast(new ServerHandler());
    }
}
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服务器端的解码器会自动将类型转换为 PersonEntity.Person ：

public class ServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<PersonEntity.Person> {

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, PersonEntity.Person person) throws Exception {
        System.out.println("chanelRead0 =>" + person.getName() );
    }
}
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3.2 客户端

同样，客户端也要添加 Protobuf 相应的编解码器：

public class ClientChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        pipeline.addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder());
        pipeline.addLast(new ProtobufDecoder(PersonEntity.Person.getDefaultInstance()));
        pipeline.addLast(new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender());
        pipeline.addLast(new ProtobufEncoder());
        pipeline.addLast(new ClientHandler());
    }
}
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并使用 ClientHandler 来向服务端发送 Protobuf 的消息，用于配置了客户端的解码器，因此在使用 writeAndFlush 写入数据时可以直接传入 PersonEntity.Person 类型数据：

public class ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.writeAndFlush(getPerson());
    }

    private PersonEntity.Person getPerson() {
        return PersonEntity.Person.newBuilder()
                .setName("Pushy")
                .setEmail("1437876073@qq.com")
                .build();
    }

}
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测试一下，可以看到服务端确实能通过 Protobuf 序列化收到客户端发送的消息：

最后，代码已上传到 Github ，想要了解更多关于Protobuf的知识，可以到官网浏览文档！