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0．前言

最近的项目里有用到Protocol Buffer，Protocol Buffer是Google公司开发的一种数据描述语言，类似于XML，是一种结构化数据的数据存储格式，可用于数据传输量较大的即时网络通信IM等场景。之所以使用它，是因为PB将信息序列化为二进制的格式，体积缩小了3倍，序列化速度比Json快了20-100倍，也必然会减少网络传输所需的时间。这么强大的的PB，当然要深入理解一下它为什么会如此高效。

1．信源编码和信道编码

信源编码：信源编码的目标就是使信源减少冗余，更加有效、经济地传输。

现代通信应用中常见的信源编码方式有：Huffman编码、算术编码、L-Z编码，这三种都是无损编码，另外还有一些采用压缩方式的有损编码。同时信源编码也根据，是否把一个传输单位编码为固定长度，区分为定长编码和变长编码。

 

信道编码：信道编码是为了对抗信道中的噪音和衰减，通过增加冗余来提高抗干扰能力以及纠错能力。信道编码的本质是降低误码率、增加通信的可靠性。

数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，所以通过信道编码这一环节来避免码流传输中误码的发生。常用的处理技术有奇偶校验码、纠错码、信道交织编码等。

 

通过上面的简单介绍，我们首先给PB一个初步的定义，从通信角度来看，PB就是一种变长的无损的信源编码。接下来主要介绍PB在编码角度的性能优势。

2．PB对整数的编码优化

先考虑最简单的情况，PB如何对一个整数值进行编码。

一般情况下我们是将一个int值看作4字节，也就是所谓的定长编码。PB考虑到现实情况中，数值较大的数比数值较小的数更少地被使用这一事实，采用了变长编码，即如果一个数能够用1个字节来表示，那就用一个字节来表示。如数值1就会被编码为0000 0001，而不是把它编码为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001。但是也由此产生一个问题，每个整数的编码长度可能不一样，如何区分边界呢？

 

PB将每个字节拿出最高位的1比特来作为边界的标记。如果这个标记等于1，则表示还没有到最后一个字节，否则表示到了最后一个字节。虽然造成了比特的1/8的浪费，一个很大的数将可能使用5个字节来表示。但是由于数值较小的数通常可以用1、2个字节来表示，和定长的4个字节编码相比，仍然有很大的优化。

边界问题解决之后，内容部分填入整数的补码即可。举例：

//0000 0001表示整数1//1010 1100 0000 0010将两字节的最高位去掉后是 010 1100 000 0010//PB采用低字节优先，即后面的字节要放在高位，于是拼在一起的结果为0000010 0101100//最终表示的是300这个整数值

 

3.  PB对于Key-Value对中key的优化

对于一个对象，里面包含多个变量，如何编码呢？比如一个类的定义为：

class Test{    String studentName;    String studentId;    String studentSchool;    int age;}

如何使用Json，那么传输的格式可能如下：

{"studentName":"SEU_Calvin","studentId":"150884","studentSchool":"东南大学","age":"18"}

PB认为"studentName"、"studentId"、"studentSchool"等这些 变量名不应该包含在传输消息中，因为编解码、传输这些信息也需要资源。PB为了 节省空间，在通信双方都保持一份文档，记录了"studentName"、"studentId"的编号，比如上述四个变量名字分别编号为1、2、3、4。于是在序列化的时候，只需要传输下面的信息：

1:"SEU_Calvin",2:"150884",3:"东南大学",4:"18"

对方本身保留了一份编号文档，于是就可以反序列化了。这些编号本身也可以用上面对整数的编码优化方式进行编码。 

这里有个问题，如果接受端直接按照某种约定顺序解码，发送端就不需要传1、2、3、4这些编号了，可以吗？其实不可以的，因为如果存在某些变量值缺省了，就必须在相应字段填入默认的缺省值，这样反而浪费空间。或者加入变量之间的间隔符，显然也是不合理的。

 

4.  PB对于Key-Value对中Value的优化

4.1  Value为整数

如果Value是整数，那么直接使用前面提到的2中对整数的编码优化即可。即大多数整数只占一两个字节。

4.2  Value为字符串

但是如果Value是一个很长的字符串，每个字节都拿出1个比特来区分边界就太浪费空间了，而且字符串本身就是一个一个字节的，被打乱后也会影响解码效率。因此，PB将Value长度信息的指示可以放在Key和Value之间。（长度本身也是一个整数，就用前面那种方法进行编码即可），在解码Value时，解析长度就可以知道Value值到哪里结束。

 

但是也因此产生一个问题，比如4.1中整数这种情况，Value中已经自带了结束标识符，那我们就不需要Value的长度指示信息了呀。因此PB引入了Type类型，即提前告诉接收端Value的类型。PB将这个Type信息放在了Key中的最后3个比特中。根据这个Type，即可让接受端注意或者忽略Value的长度字段。Value的类型在PB中称为wire_type。主要有以下几种：

//wire type=0 //表示这个Value是一个变长整数，比如int32, int64, uint32, uint64, sint32, sint64, bool, enum//wire type=1//表示这个Value是一个64位的定长数，比如fixed64, sfixed64, double//wire type=2//表示string, bytes等，这些Value的长度需要置于Key后面//wire type=3//表示groups中的Start Group，就是有一组，3表示接下来的Value是第一组//wire type=4//表示groups中的End Group//wire type=5//表示32位固定长度的fixed32, sfixed32, float等

5.  举例介绍

上面讲了那么多，我们用两个例子来说明一下。

 

例1

比如08 ac 02这三个字节。

08二进制为0000 1000，去除最高位为 0001 000。

最后3个比特为Type类型，000表示wire type=0，前面的0001表示这是编号为1的变量。

后面的ac02，写成二进制为10101100 00000010，去掉最高位分隔符为0101100 0000010，因为低字节优先，于是串起来为0000010 0101100 = 300。

最终，08ac 02这三个字节解码为编号为1的变量值为整数300。

 

例2

比如12 07 74 65 73 74 69 6e 67这几个字节。

12的二进制为0001 0010，最高位0表示这是最后一个字节，去除最高位后是0010  010，最后3个比特010表示wire type=2，前四位0010表示这是编号为2的变量。

因为wire type=2，表示Value是String、bytes等变长流。接下来要解码Value的长度。

07的二进制为0000 0111，最高位为0，表示这是最后一个字节，去除最高位后是000 0111（7），表示Value的长度为7，也就是后面的7个字节：74 65 73 74 69 6e 67。

这7个字节如果是String，那么根据ASCII码可解码为“testing”。

最终，1207 74 65 73 74 69 6e 67这几个字节解码为编号为2的变量值为字符串“testing”。

 

6.  总结PB的体积压缩优势

根据5中的例子，08 ac 02 12 07 74 65 73 74 69 6e 67这几个字节即可等价于Json中的

{"testInt":"300","testString":"testing"}

可以看出，Json使用了40个左右的字节，而PB只使用了12个字节，这也就解释了为什么PB将信息序列化为二进制后，体积缩小了3倍，也因此减少了数据网络传输的时间。

 

7.  总结PB的序列化速度优势

至于 为什么序列化速度提高了 20-100 倍 ，这里简单提一下，以 XML 的解包过程为例， XML 首先需要将得到的字符串转换为 XML 文档对象的结构模型，之后再从结构模型中读取指定节点的字符串，最后再将这个字符串指定为某个对象的变量值。这个过程非常复杂，其中转换文档对象结构模型的过程，通常需要完成词法文法分析等大量消耗 CPU 的复杂计算。而 PB 只需要 简单地将一个二进制序列，按照指定的格式 读取赋值到某个对象的变量值即可。因此 Json 的序列化速度非常快。

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