一、protobuf简介：
1.1 protobuf的定义：
protobuf是用来干嘛的？
protobuf是一种用于 对结构数据进行序列化的工具，从而实现 数据存储和交换。
（主要用于网络通信中 收发两端进行消息交互。所谓的“结构数据”是指类似于struct结构体的数据，可用于表示一个网络消息。当结构体中存在函数指针类型时，直接对其存储或传输相当于是“浅拷贝”，而对其序列化后则是“深拷贝”。）
序列化：将结构数据或者对象转换成能够用于存储和传输的格式。
反序列化：在其他的计算环境中，将序列化后的数据还原为数据结构和对象。
从“序列化”字面上的理解，似乎使用C语言中的struct结构体就可以实现序列化的功能：将结构数据填充到定义好的结构体中的对应字段即可，接收方再对结构体进行解析。
在单机的不同进程间通信时，使用struct结构体这种方法实现“序列化”和“反序列化”的功能问题不大，但是，在网络编程中，即面向网络中不同主机间的通信时，则不能使用struct结构体，原因在于：
（1）跨语言平台，例如发送方是用C语言编写的程序，接收方是用Java语言编写的程序，不同语言的struct结构体定义方式不同，不能直接解析；
（2）struct结构体存在 内存对齐 和 CPU不兼容的问题。
因此，在网络编程中，实现“序列化”和“反序列化”功能需要使用通用的组件，如 Json、XML、protobuf 等。
1.2 protobuf的优缺点：
1.2.1 优点：
① 性能高效：
与XML相比，protobuf更小（3 ~ 10倍）、更快（20 ~ 100倍）、更为简单。
② 语言无关、平台无关：
protobuf支持Java、C 、Python等多种语言，支持多个平台。
③ 扩展性、兼容性强：
只需要使用protobuf对结构数据进行一次描述，即可从各种数据流中读取结构数据，更新数据结构时不会破坏原有的程序。
Protobuf与XML、Json的性能对比：
测试10万次序列化：
测试10万次反序列化：
1.2.2 缺点：
① 自解释性较差，数据存储格式为二进制，需要通过 .proto 文件才能了解到内部的数据结构；
② 不适合用来对 基于文本的标记文档（如HTML） 建模。
1.3 protobuf中的数据类型限定修饰符：
protobuf 2 中有三种数据类型限定修饰符：
required, optional, repeated
required表示字段必选，optional表示字段可选，repeated表示一个数组类型。
其中， required 和 optional 已在 proto3 弃用了。
1.4 protobuf中常用的数据类型：
bool, 布尔类型double, 64位浮点数float, 32位浮点数int32, 32位整数int64, 64位整数uint64, 64位无符号整数sint32, 32位整数，处理负数效率更高sint64, 64位整数，处理负数效率更高string, 只能处理ASCII字符bytes, 用于处理多字节的语言字符enum, 枚举类型二、protobuf的使用流程：
下载protobuf压缩包后，解压、配置、编译、安装，即可使用 protoc 命令 查看Linux中是否安装成功：
[root@linux] protoc –versionlibprotoc 3.15.8
使用protobuf时，需要先根据应用需求编写 .proto 文件 定义消息体格式，例如：
syntax = “proto3”;package tutorial;option optimize_for = LITE_RUNTIME;message Person { int32 id = 1; repeated string name = 2;}
其中，syntax 关键字表示使用的protobuf的版本，如不指定则默认使用 “proto2″；package关键字 表示“包”，生成目标语言文件后对应C 中的namespace命名空间，用于防止不同的消息类型间的命名冲突。
（syntax单词字面含义：句法，句法规则，语构）
然后使用 protobuf编译器（protoc命令）将编写好的 .proto 文件生成 目标语言文件（例如目标语言是C ，则会生成 .cc 和 .h 文件），例如：
[root@linux] protoc -I=$SRC_DIR $SRC_DIR/xxx.proto –cpp_out=$DST_DIR
其中：
$SRC_DIR 表示 .proto文件所在的源目录；$DST_DIR 表示生成目标语言代码的目标目录；xxx.proto 表示要对哪个.proto文件进行解析；–cpp_out 表示生成C 代码。
编译完成后，将会在目标目录中生成 xxx.pb.h 和 pb.cc， 文件，将其引入到我们的C 工程中即可实现使用protobuf进行序列化：
在C 源文件中包含 xxx.pb.h 头文件，在g 编译时链接 xxx.pb.cc源文件即可：
g main_test.cpp pb.cc， -o main_test -lprotobuf
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三、C 使用protobuf实现序列化的示例：
在protobuf源码中的 /examples 目录下有官方提供的protobuf使用示例：addressbook.proto
参考官方示例实现C 使用protobuf进行序列化和反序列化：
addressbook.proto :
syntax = “proto3”;package tutorial;option optimize_for = LITE_RUNTIME;message Person { string name = 1; int32 id = 2; string email = 3; enum PhoneType { MOBILE = 0; HOME = 1; WORK = 2; } message PhoneNumber { string number = 1; PhoneType type = 2; } repeated PhoneNumber phones = 4;}
生成的addressbook.pb.h 文件内容摘要：
namespace tutorial { class Person; class Person_PhoneNumber;};class Person_PhoneNumber : public MessageLite {public: Person_PhoneNumber(); virtual ~Person_PhoneNumber();public: //string number = 1; void clear_number(); const string& number() const; void set_number(const string& value); //int32 id = 2; void clear_id(); int32 id() const; void set_id(int32 value); //string email = 3; //…};
add_person.cpp :
#include <iostream>#include <fstream>#include <string>#include “pbs/addressbook.pb.h”using namespace std;void serialize_process() { cout << “serialize_process” << endl; tutorial::Person person; person.set_name(“Obama”); person.set_id(1234); person.set_email(“1234@qq.com”); tutorial::Person::PhoneNumber *phone1 = person.add_phones(); phone1->set_number(“110”); phone1->set_type(tutorial::Person::MOBILE); tutorial::Person::PhoneNumber *phone2 = person.add_phones(); phone2->set_number(“119”); phone2->set_type(tutorial::Person::HOME); fstream output(“person_file”, ios::out | ios::trunc | ios::binary); if( !person.SerializeToOstream(&output) ) { cout << “Fail to SerializeToOstream.” << endl; } cout << “person.ByteSizeLong() : ” << person.ByteSizLong() << endl;}void parse_process() { cout << “parse_process” << endl; tutorial::Person result; fstream input(“person_file”, ios::in | ios::binary); if(!result.ParseFromIstream(&input)) { cout << “Fail to ParseFromIstream.” << endl; } cout << result.name() << endl; cout << result.id() << endl; cout << Buy and Sell Domain Names() << endl; for(int i = 0; i < result.phones_size(); i) { const tutorial::Person::PhoneNumber &person_phone = result.phones(i); switch(person_phone.type()) { case tutorial::Person::MOBILE : cout << “MOBILE phone : “; break; case tutorial::Person::HOME : cout << “HOME phone : “; break; case tutorial::Person::WORK : cout << “WORK phone : “; break; default: cout << “phone type err.” << endl; } cout << person_phone.number() << endl; }}int main(int argc, char *argv[]) { serialize_process(); parse_process(); google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary(); //删除所有已分配的内存（Protobuf使用的堆内存） return 0;}
输出结果：
[serialize_process]person.ByteSizeLong() : 39[parse_process]Obama12341234@qq.comMOBILE phone : 110HOME phone : 119
3.1 protobuf提供的序列化和反序列化的API接口函数：
class MessageLite {public: //序列化： bool SerializeToOstream(ostream* output) const; bool SerializeToArray(void *data, int size) const; bool SerializeToString(string* output) const; //反序列化： bool ParseFromIstream(istream* input); bool ParseFromArray(const void* data, int size); bool ParseFromString(const string& data);};
三种序列化的方法没有本质上的区别，只是序列化后输出的格式不同，可以供不同的应用场景使用。
3.2 .proto文件中的 option 选项：
.proto文件中的option选项用于配置protobuf编译后生成目标语言文件中的代码量，可设置为 SPEED， CODE_SIZE， LITE_RUNTIME 三种。
默认option选项为 SPEED，常用的选项为 LITE_RUNTIME。
三者的区别在于：
① SPEED（默认值）：表示生成的代码运行效率高，但是由此生成的代码编译后会占用更多的空间。② CODE_SIZE：与SPEED恰恰相反，代码运行效率较低，但是由此生成的代码编译后会占用更少的空间， 通常用于资源有限的平台，如Mobile。③ LITE_RUNTIME：生成的代码执行效率高，同时生成代码编译后的所占用的空间也非常少。这是以牺牲Protobuf提供的反射功能为代价的。因此我们在C 中链接Protobuf库时仅需链接libprotobuf-lite，而非protobuf。
SPEED 和 LITE_RUNTIME相比，在于调试级别上，例如 msg.SerializeToString(&str); 在 SPEED 模式下会利用反射机制打印出详细字段和字段值，但是 LITE_RUNTIME 则仅仅打印字段值组成的字符串。
因此：可以在调试阶段使用 SPEED 模式，而上线以后提升性能使用 LITE_RUNTIME 模式优化。
最直观的区别是使用三种不同的 option 选项时，编译后产生的 .pb.h 中自定义的类所继承的 protobuf类不同：
//1. SPEED模式：（自定义的类继承自 Message 类）// .proto 文件：option optimize_for = SPEED;// .pb.h 文件：class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {};//2. CODE_SIZE模式：（自定义的类继承自 Message 类）// .proto 文件：option optimize_for = CODE_SIZE;// .pb.h 文件：class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::Message {};//3. LITE_RUNTIME模式：（自定义的类继承自 MessageLite 类）// .proto 文件：option optimize_for = LITE_RUNTIME;// .pb.h 文件：class Person : public ::PROTOBUF_NAMESPACE_ID::MessageLite {};四、protobuf的编码和存储方式：
① protobuf 将消息里的每个字段进行编码后，再利用TLV或者TV的方式进行数据存储；
② protobuf 对于不同类型的数据会使用不同的编码和存储方式；
③ protobuf 的编码和存储方式是其性能优越、数据体积小的原因。
