簡介

protocol buffers 是一種語言無關、平臺無關、可擴展的序列化結構數據的方法，它可用于（數據）通信協議、數據存儲等。通信時所傳遞的信息是通過Protobuf定義的message數據結構進行打包，然后編譯成二進制的碼流再進行傳輸或者存儲。

Protocol buffers 是一種靈活，高效，自動化機制的結構數據序列化方法－可類比 XML，但是比 XML 更?。? ~ 10倍）、更快（20 ~ 100倍）、更為簡單。

Protobuf 使用的時候必須寫一個 IDL（Interface description language）文件，在里面定義好數據結構，只有預先定義了的數據結構，才能被序列化和反序列化。其中，序列化是將對象轉換二進制數據，反序列化是將二進制數據轉換成對象。

教程

本教程提供了一個基本的C++程序員介紹使用協議緩沖區(qū)。通過創(chuàng)建一個簡單的示例應用程序，它向您展示了如何

• 在.proto文件中定義消息格式。
• 使用協議緩沖區(qū)編譯器。
• 使用C++協議緩沖區(qū)API寫入和讀取消息。

這不是一個在C++中使用協議緩沖區(qū)的全面指南。有關更多詳細的參考信息，請參見Protocol Buffer Language Guide（proto2）、Protocol Buffer Language Guide（proto3）、C++ API Reference、C++ Generated Code Guide和Encoding Reference。

我們將要使用的示例是一個非常簡單的“地址簿”應用程序，它 可以在文件中讀取和寫入人們的聯系方式。每個人在 地址簿具有姓名、ID、電子郵件地址和聯系電話 號碼。

如何序列化和檢索像這樣的結構化數據？有幾個 解決這個問題的方法：

• 原始存儲器中數據結構可以以二進制形式發(fā)送/保存。這是一種脆弱的方法，因為接收/閱讀代碼必須 使用完全相同的內存布局、字節(jié)序等編譯。此外，作為 文件以原始格式積累數據，而軟件的副本 這種格式的有線傳播，很難擴展 格式。
• 您可以發(fā)明一種特別的方法來將數據項編碼為單個 字符串-例如將4個int編碼為“12：3：-23：67”。這是一個簡單的和 靈活的方法，雖然它確實需要編寫一次性編碼和 解析代碼，并且解析施加小的運行時成本。這樣最好 用于編碼非常簡單的數據。
• 將數據序列化為XML。這種方法非常有吸引力，因為XML是 (sort的）人類可讀，并且有許多 語言。如果你想與其他人共享數據，這是一個很好的選擇 應用程序/項目。然而，XML是眾所周知的空間密集型，并且 編碼/解碼它可能對應用施加巨大的性能損失。 此外，導航XMLDOM樹比 在類中導航簡單字段通常是這樣的。

您可以使用Protobuf來代替這些選項。協議緩沖區(qū)是 靈活、高效、自動化的解決方案，以準確地解決這一問題。與 Protobuf，可以編寫數據結構的.proto描述 希望儲存。Protobuf編譯器由此創(chuàng)建一個類，該類 實現Protobuf數據的自動編碼和解析 高效二進制格式生成的類為 組成協議緩沖區(qū)的字段，并負責 作為一個單元閱讀協議緩沖器。重要的是，協議 緩沖區(qū)格式支持以這種方式隨時間擴展格式的想法 代碼仍然可以讀取用舊格式編碼的數據。

示例代碼

包含在源代碼包中的 “examples”目錄。

Defining Your Protocol Format

要創(chuàng)建地址簿應用程序，您需要從.proto開始 文件。.proto文件中的定義很簡單：您為以下對象添加消息 要序列化的每個數據結構，然后為其指定名稱和類型 消息中的每個字段。下面是定義消息的.proto文件， addressbook.proto.

syntax = "proto2";
package tutorial;
message Person {
  optional string name = 1;
  optional int32 id = 2;
  optional string email = 3;
  enum PhoneType {
    MOBILE = 0;
    HOME = 1;
    WORK = 2;
  }
  message PhoneNumber {
    optional string number = 1;
    optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
  }
  repeated PhoneNumber phones = 4;
}
message AddressBook {
  repeated Person people = 1;
}

正如你所看到的，它的語法類似于C++或Java。讓我們把每一部分都看一遍 看看它做了什么。

.proto文件以包聲明開始，這有助于防止不同項目之間的命名沖突。在C++中，生成的類將放置在與包名稱匹配的命名空間中。

接下來，您有了消息定義。消息包含一組類型化字段。有許多標準的簡單數據類型可用作為字段類型，包括bool、int32、float、double和string。你呢 還可以通過使用其他消息類型為消息添加進一步的結構 字段類型-在上面的示例中，Person消息包含PhoneNumber AddressBook消息包含Person消息。你可以的 甚至定義嵌套在其他消息中的消息類型-正如您所看到的， PhoneNumber類型定義在Person內。您還可以定義enum類型 如果您希望您的一個字段具有預定義值列表中的一個， 在這里，您希望指定電話號碼可以是下列電話之一 類型：MOBILE、HOME或WORK。

每個元素上的“= 1”、“= 2”標記標識 字段在二進制編碼中使用。字段號1-15需要少一個字節(jié) 編碼比更高的數字，所以作為一個優(yōu)化，你可以決定使用這些 通常使用的或重復的元件的編號，留下字段編號16和18。 對于不太常用的可選元素，則更高。中的每個元素 字段需要重新編碼字段編號，因此重復的字段尤其 這是優(yōu)化的好方法。

每個字段必須使用以下修飾符之一進行注釋：

• optional：字段可以設置，也可以不設置。如果是可選字段值 則使用默認值。對于簡單類型，可以指定 自己的默認值，就像我們在示例中對電話號碼type所做的那樣。 否則，將使用系統默認值：數值類型為零，為空 字符串為字符串，布爾為假。對于嵌入的消息，默認的 值始終是消息的“默認實例”或“原型”，它 沒有設置任何字段。調用訪問器以獲取 未始終顯式設置的可選（或必需）字段 返回該字段的默認值。
• repeated：字段可以重復任何次數（包括零次）。 重復值的順序將保留在協議緩沖區(qū)中。 將重復字段視為動態(tài)大小的數組。
• required：必須提供字段的值，否則消息 將被視為“未初始化”。如果libprotobuf在debug中編譯 模式下，序列化未初始化的消息將導致斷言失敗。 在優(yōu)化的生成中，將跳過檢查并寫入消息 不管怎樣。但是，解析未初始化的消息總是會失敗（通過 從parse方法返回false）。除此之外，必填字段 行為與可選字段完全相同。

Important

Required Is Forever 您應該非常小心地將字段標記為 required. 如果在某個時候 如果您希望停止編寫或發(fā)送必填字段，則 將字段更改為可選字段-老讀者將考慮消息 而該字段是不完整的，并且可能無意中拒絕或丟棄它們。 您應該考慮為 你的緩沖器。在Google內部 required fields are strongly disfavored; most messages defined in proto2 syntax use 領域受到強烈反對; proto 2語法中定義的大多數消息使用 optional and 和 repeated only. (Proto3 does not support 只有 （Proto3不支持 required fields at all.) 所有的領域）。

您將找到編寫.proto文件的完整指南-包括所有 可能的字段類型-在協議緩沖區(qū)語言指南。 不要去尋找類似于類繼承的工具- protocol 緩沖器不會這樣做。

Compiling Your Protocol Buffers編譯協議緩沖區(qū)

現在您已經有了.proto，接下來您需要做的就是生成 你需要讀和寫的類AddressBook（因此Person和 PhoneNumber）消息。為此，您需要運行協議緩沖區(qū) 編譯器protoc上的.proto：

1.如果你還沒有安裝編譯器， 下載軟件包并按照在README中的說明。

2.現在運行編譯器，指定源目錄（您的 應用程序的源代碼仍然存在-如果您 不提供值），目標目錄（您希望 生成代碼去;通常與$SRC_DIR相同），和路徑你的 .proto.在這種情況下，您……：

protoc -I=$SRC_DIR --cpp_out=$DST_DIR $SRC_DIR/addressbook.proto

因為需要C++類，所以使用--cpp_out選項-類似 為其他支持的語言提供了選項。

這將在指定的目標目錄中生成以下文件：

• addressbook.pb.h, the header which declares your generated classes.
• addressbook.pb.cc, which contains the implementation of your classes.

The Protocol Buffer API協議緩沖區(qū)API

讓我們看一下生成的代碼，看看編譯器為您創(chuàng)建了哪些類和函數。如果查看addressbook.pb.h，可以看到在addressbook.proto中指定的每個消息都有一個類。仔細觀察Person類，可以看到編譯器為每個字段生成了訪問器。例如，對于name、id、email和phones字段，可以使用以下方法：

// name
  inline bool has_name() const;
  inline void clear_name();
  inline const ::std::string& name() const;
  inline void set_name(const ::std::string& value);
  inline void set_name(const char* value);
  inline ::std::string* mutable_name();
  // id
  inline bool has_id() const;
  inline void clear_id();
  inline int32_t id() const;
  inline void set_id(int32_t value);
  // email
  inline bool has_email() const;
  inline void clear_email();
  inline const ::std::string& email() const;
  inline void set_email(const ::std::string& value);
  inline void set_email(const char* value);
  inline ::std::string* mutable_email();
  // phones
  inline int phones_size() const;
  inline void clear_phones();
  inline const ::google::protobuf::RepeatedPtrField< ::tutorial::Person_PhoneNumber >& phones() const;
  inline ::google::protobuf::RepeatedPtrField< ::tutorial::Person_PhoneNumber >* mutable_phones();
  inline const ::tutorial::Person_PhoneNumber& phones(int index) const;
  inline ::tutorial::Person_PhoneNumber* mutable_phones(int index);
  inline ::tutorial::Person_PhoneNumber* add_phones();

正如您所看到的，getter的名稱與小寫的字段完全相同，而 setter方法以set_開始。也有has_方法 單數（必需或可選）字段，如果該字段已 準備好了。最后，每個字段都有一個clear_方法，用于將字段恢復為 空的狀態(tài)。

雖然數字id字段僅具有上述基本訪問器集， name和email字段有兩個額外的方法，因為它們 strings -一個mutable_ getter，讓你直接得到一個指向字符串的指針， 還有一只二傳手請注意，即使mutable_email()為 尚未設置;它將自動初始化為空字符串。如果你 如果在本例中有一個重復的消息字段，它也會有一個email 方法，而不是mutable_方法。

重復字段也有一些特殊的方法-如果您查看 重復的phones字段，您將看到

• 檢查重復字段的_size（換句話說，有多少個電話號碼 Person2#2）。
• 使用索引獲取指定的電話號碼。
• 更新指定索引處的現有電話號碼。
• 添加另一個電話號碼到消息，然后您可以編輯（重復 標量類型有一個add_，它只是讓你傳入新值）。

有關協議編譯器為哪些成員生成的詳細信息 任何特定字段定義，請參見 C++生成代碼參考.

枚舉和嵌套類

生成的代碼包括一個與您的PhoneType對應的.proto枚舉 枚舉。您可以將此類型稱為Person::PhoneType，其值為 Person::MOBILE、Person::HOME和Person::WORK（實現細節(jié) 稍微復雜一點，但您不需要了解它們就可以使用 enum）。

編譯器還為您生成了一個名為 Person::PhoneNumber.如果你看一下代碼，你可以看到“真實的的” 類實際上被稱為Person_PhoneNumber，但內部定義了一個typedef Person允許您將其視為嵌套類。唯一的案子 這會產生不同的地方是，如果你想在 另一個文件-你不能在C++中正向聲明嵌套類型，但你可以 forward-declare Person_PhoneNumber。

標準消息方法

每個消息類還包含許多其他方法，這些方法允許您檢查或 操縱整個消息，包括：

• bool IsInitialized() const;：檢查是否已輸入所有必填字段 準備好了。
• string DebugString() const;：返回一個人類可讀的 消息，對調試特別有用。
• void CopyFrom(const Person& from);：用給定的 消息的價值。
• void Clear();：將所有元素清零為空狀態(tài)。

這些方法和下一節(jié)中描述的I/O方法實現了 Message所有C++協議緩沖區(qū)類共享的接口。有關更多信息， 見 Message的完整API文檔。

解析和序列化

最后，每個協議緩沖區(qū)類都有寫入和閱讀消息的方法 所選類型的二進制格式這些措施 包括：

• bool SerializeToString(string* output) const;：序列化消息并 存儲給定字符串中的字節(jié)。注意，字節(jié)是二進制的，而不是 text;我們只使用string類作為方便的容器。
• bool ParseFromString(const string& data);：從給定的 字符串
• bool SerializeToOstream(ostream* output) const;：將消息寫入 C++ #2
• bool ParseFromIstream(istream* input);：從給定的 C++ istream。

這些只是為解析和序列化提供的幾個選項。 再一次，請參閱 Message API參考 一份完整的名單。

寫消息

現在讓我們嘗試使用協議緩沖區(qū)類。你首先要做的 地址簿應用程序能做的就是把個人詳細信息寫到你的 地址簿文件。為此，您需要創(chuàng)建并填充 協議緩沖器類，然后將它們寫入輸出流。

下面是一個程序，它從文件中讀取AddressBook，添加一個新的 Person基于用戶輸入將新的AddressBook寫回到它，并將新的undefined寫回 文件再次。直接調用或引用由 協議編譯器突出顯示。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include "addressbook.pb.h"
using namespace std;
// This function fills in a Person message based on user input.
void PromptForAddress(tutorial::Person* person) {
  cout << "Enter person ID number: ";
  int id;
  cin >> id;
  person->set_id(id);
  cin.ignore(256, '\n');
  cout << "Enter name: ";
  getline(cin, *person->mutable_name());
  cout << "Enter email address (blank for none): ";
  string email;
  getline(cin, email);
  if (!email.empty()) {
    person->set_email(email);
  }
  while (true) {
    cout << "Enter a phone number (or leave blank to finish): ";
    string number;
    getline(cin, number);
    if (number.empty()) {
      break;
    }
    tutorial::Person::PhoneNumber* phone_number = person->add_phones();
    phone_number->set_number(number);
    cout << "Is this a mobile, home, or work phone? ";
    string type;
    getline(cin, type);
    if (type == "mobile") {
      phone_number->set_type(tutorial::Person::MOBILE);
    } else if (type == "home") {
      phone_number->set_type(tutorial::Person::HOME);
    } else if (type == "work") {
      phone_number->set_type(tutorial::Person::WORK);
    } else {
      cout << "Unknown phone type.  Using default." << endl;
    }
  }
}
// Main function:  Reads the entire address book from a file,
//   adds one person based on user input, then writes it back out to the same
//   file.
int main(int argc, char* argv[]) {
  // Verify that the version of the library that we linked against is
  // compatible with the version of the headers we compiled against.
  GOOGLE_PROTOBUF_VERIFY_VERSION;
  if (argc != 2) {
    cerr << "Usage:  " << argv[0] << " ADDRESS_BOOK_FILE" << endl;
    return -1;
  }
  tutorial::AddressBook address_book;
  {
    // Read the existing address book.
    fstream input(argv[1], ios::in | ios::binary);
    if (!input) {
      cout << argv[1] << ": File not found.  Creating a new file." << endl;
    } else if (!address_book.ParseFromIstream(&input)) {
      cerr << "Failed to parse address book." << endl;
      return -1;
    }
  }
  // Add an address.
  PromptForAddress(address_book.add_people());
  {
    // Write the new address book back to disk.
    fstream output(argv[1], ios::out | ios::trunc | ios::binary);
    if (!address_book.SerializeToOstream(&output)) {
      cerr << "Failed to write address book." << endl;
      return -1;
    }
  }
  // Optional:  Delete all global objects allocated by libprotobuf.
  google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary();
  return 0;
}

注意GOOGLE_PROTOBUF_VERIFY_VERSION宏。這是一個很好的實踐-雖然 不是絕對必要的-在使用C++協議之前執(zhí)行此宏 緩沖庫。它驗證您沒有意外地鏈接到 版本的庫，這是不兼容的版本的標題你 編譯。如果檢測到版本不匹配，程序將中止。注意事項 每個.pb.cc文件在啟動時自動調用此宏。

還請注意在程序結束時對ShutdownProtobufLibrary()的調用。 所有這一切都是刪除任何全局對象分配的協議 緩沖庫。這對于大多數程序來說是不必要的，因為這個過程是 無論如何都要退出，操作系統將負責回收其所有內存。 但是，如果使用的內存泄漏檢查器要求 或者如果你正在寫一個可以被加載和卸載的庫 多次，則您可能需要強制Protocol Buffers 清理一切

定義消息類型

首先讓我們看一個非常簡單的例子。假設您要定義一個 請求消息格式，其中每個搜索請求都有一個查詢字符串， 您感興趣的結果的特定頁面，以及每個頁面的結果數量。下面是您用來定義消息類型的.proto文件。

syntax = "proto3";
message SearchRequest {
  string query = 1;
  int32 page_number = 2;
  int32 results_per_page = 3;
}

文件的第一行指定您使用的是proto3語法：如果 如果您不這樣做，協議緩沖區(qū)編譯器將假定您使用的是原型2.這一定是 文件的第一個非空、非注釋行。SearchRequest消息定義指定了三個字段（名稱/值 對），一個用于要包含在此類型 留言每個字段都有一個名稱和類型。 指定字段類型

在前面的示例中，所有字段都是標量類型：兩個整數 （page_number和results_per_page）和字符串（query）。也可以指定枚舉和復合類型，如其他消息類型的領域。

到此這篇關于C++ Protobuf的學習使用指南的文章就介紹到這了,更多相關C++ Protobuf內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！