0.前言

Protobuf是一种由Google开发的二进制序列化数据格式，它可以用于在不同的计算机系统之间传输结构化数据。有很多其他的数据交换格式，比如JSON、XML等，那么Protobuf与他们相比有什么好处呢？主要体现在下面几点：

• 更快的序列化和反序列化：与其他数据交换格式（如JSON和XML）相比，Protobuf是一种二进制格式，因此可以更快地序列化和反序列化消息。这使得在高并发、大数据处理等场景下，使用Protobuf可以显著提高应用程序的性能和效率。
• 更小的消息体积：由于Protobuf是一种紧凑的二进制格式，因此它可以生成更小的消息体积，这对于网络传输和存储都是非常有益的。这可以节省带宽和存储空间，同时也可以提高应用程序的性能。
• 兼容性和版本控制：使用Protobuf可以更轻松地进行兼容性和版本控制。通过对消息定义的修改和版本控制，可以轻松地向后兼容和向前兼容，这对于在长期的开发周期中保持代码的稳定性和可靠性非常有帮助。
• 简化代码：使用Protobuf可以使代码更加简洁和易于维护。由于Protobuf可以自动生成结构体和其他数据结构的代码，因此不需要手动编写复杂的数据解析和序列化代码，这可以使代码更加清晰和易于阅读。

本文将介绍如何在Go中使用Protobuf，包括安装、如何定义Protobuf消息、生成Go代码、序列化和反序列化消息、在网络中使用Protobuf以及版本控制和兼容性。

1.安装

安装 Protocol Buffers（protobuf）可以分为两个部分：

1. 安装 protoc 编译器
2. 安装 Go 的 protobuf 库

1. 安装 protoc 编译器

protoc 编译器可以 将.proto 文件编译成多种编程语言的代码，例如 C++、Java、Python、Go 等，是protobuf的核心组件。

可以从 Protocol Buffers 的 GitHub 上找到最新的编译器版本：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases

在下载页面中找到合适的系统的版本下载随后将bin目录添加到环境变量即可。

以下以Windows x64为例。

• 下载:点击此处下载包，将下载的压缩包解压到某个文件夹。
• **环境变量：**打开环境变量设置的地方，将压缩包中的bin文件夹添加到PATH环境变量中。
• **测试：**打开cmd，输入protoc --version，如果输出版本，说明安装成功。

2. 安装 Go 的 protobuf 库

接下来还需要安装 Go 的 protobuf 库。这个库可以使用protoc编译器生成GO代码，可以使用以下命令完成安装：

go get -u github.com/golang/protobuf/protoc-gen-go

注意，protoc-gen-go 将自动安装到 $GOPATH/bin 目录下，也需要将这个目录加入到环境变量中。

2.定义Protobuf消息类型

2.1 编写.proto包文件

消息类型定义在.proto包中，我们这里创建个person.proto 文件，将以下的经典的示例写法写入：

syntax = "proto3";

option go_package = "/person";

package example;

message Person {
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    repeated string hobbies = 3;
}

• syntax = "proto3"：用于指定.proto文件的版本，这里使用的是 Protocol Buffers 3 版本。
• package example：指定消息类型所在的包名，这里包名是 example`。
• option go_package = "/person";用于指定生成的 Go 代码的包名（package name）及导入路径（import path）。
• message Person { ... }：定义一个名为 Person 的消息类型。
• string name = 1：定义一个名为 name 的字符串类型字段，该字段的标签号为 1。
• int32 age = 2：定义一个名为 age 的整型字段，该字段的标签号为 2。
• repeated string hobbies = 3：定义一个名为 hobbies 的字符串数组类型字段，该字段的标签号为 3。repeated 关键字表示该字段是一个数组类型。

这个.proto文件中定义了一个名为 Person 的消息类型，包含了 name、age 和 hobbies 三个字段。name 和 age 都是普通的单值类型字段，hobbies 是一个字符串数组类型字段。在这个文件中，每个字段都有一个唯一的标签号，用于标识这个字段在二进制编码中的位置和类型。

2.2 使用protoc生成GO代码

在此文件的目录下，运行protoc --go_out=. *.proto命令，即可生成GO代码。

运行后，我们可以看到该目录下多出了一个person文件夹，里面包含 Go 文件 person.pb.go。这个文件内部定义了一个结构体 Person，以及相关的方法:

type Person struct {
   state         protoimpl.MessageState
   sizeCache     protoimpl.SizeCache
   unknownFields protoimpl.UnknownFields

   Name    string   `protobuf:"bytes,1,opt,name=name,proto3" json:"name,omitempty"`
   Age     int32    `protobuf:"varint,2,opt,name=age,proto3" json:"age,omitempty"`
   Hobbies []string `protobuf:"bytes,3,rep,name=hobbies,proto3" json:"hobbies,omitempty"`
}

除了结构体外，还有很多方法，这些方法提供了对 Protocol Buffers 消息进行编码、解码和操作的基础设施，有以下几个主要的方法。

• func (*Person) Reset(): 将 Person 消息重置为默认值。
• func (*Person) String() string: 返回一个字符串，包含 Person 消息的文本表示形式。
• func (*Person) ProtoMessage(): 使 Person 结构体实现 proto.Message 接口，这是在序列化和反序列化 Protobuf 消息时所需的。
• func (*Person) Descriptor() ([]byte, []int): 返回关于 Person 消息类型的描述符信息。
• func (*Person) GetName() string: 返回 Person 消息中 Name 字段的值。
• func (*Person) GetAge() int32: 返回 Person 消息中 Age 字段的值。

写一个简单的测试吧！

func main() {
	p:=&person.Person{Name: "yzy",Age: 23,Hobbies: []string{"music","sport"}}
	fmt.Println("string",p.String())
	fmt.Println("the data:",p.Name,p.Age,p.Hobbies)

	fmt.Println("-----------")
	fmt.Println("reset the person")
	fmt.Println("-----------")
	
	p.Reset()
	fmt.Println("string",p.String())
	fmt.Println("the data:",p.Name,p.Age,p.Hobbies)
}

运行后可以看到，get、string、reset都正常运行。

2.3 序列化和反序列化消息

序列化和反序列化函数在github.com/golang/protobuf/proto包中，这个包刚刚我们已经通过go get获取过了，所以可以直接使用，以下是一个序列化和非序列化的使用示例，并且比较了序列化前和经过序列化后的数据是否一致。

func TestPersonSerialization(t *testing.T) {
	// 创建一个 Person 消息实例并设置其字段
	p:=&Person{Name: "yzy",Age: 23,Hobbies: []string{"music","sport"}}

	// 将消息序列化为二进制格式
	data, err := proto.Marshal(p)
	if err != nil {
		t.Fatal("marshaling error: ", err)
	}

	// 反序列化消息
	p2 := &Person{}
	err = proto.Unmarshal(data, p2)
	if err != nil {
		t.Fatal("unmarshaling error: ", err)
	}

	// 比较原始消息和反序列化后的消息
	if p.String()!=p2.String() {
		t.Fatalf("original message %v != unmarshaled message %v", p, p2)
	}
}

2.4 字段类型

字段类型部分参考Go Protobuf 简明教程 .

2.4.1 标量类型(Scalar)

proto类型	go类型	备注	proto类型	go类型	备注
double	float64		float	float32
int32	int32		int64	int64
uint32	uint32		uint64	uint64
sint32	int32	适合负数	sint64	int64	适合负数
fixed32	uint32	固长编码，适合大于2^28的值	fixed64	uint64	固长编码，适合大于2^56的值
sfixed32	int32	固长编码	sfixed64	int64	固长编码
bool	bool		string	string	UTF8 编码，长度不超过 2^32
bytes	[]byte	任意字节序列，长度不超过 2^32

标量类型如果没有被赋值，则不会被序列化，解析时，会赋予默认值。

• strings：空字符串
• bytes：空序列
• bools：false
• 数值类型：0

2.4.2 枚举(Enumerations)

枚举类型适用于提供一组预定义的值，选择其中一个。例如我们将性别定义为枚举类型。

message Student {
  string name = 1;
  enum Gender {
    FEMALE = 0;
    MALE = 1;
  }
  Gender gender = 2;
  repeated int32 scores = 3;
}

• 枚举类型的第一个选项的标识符必须是0，这也是枚举类型的默认值。
• 别名（Alias），允许为不同的枚举值赋予相同的标识符，称之为别名，需要打开allow_alias选项。

message EnumAllowAlias {
  enum Status {
    option allow_alias = true;
    UNKOWN = 0;
    STARTED = 1;
    RUNNING = 1;
  }
}

2.4.3 使用其他消息类型

Result是另一个消息类型，在 SearchReponse 作为一个消息字段类型使用。

message SearchResponse {
  repeated Result results = 1; 
}

message Result {
  string url = 1;
  string title = 2;
  repeated string snippets = 3;
}

嵌套写也是支持的：

message SearchResponse {
  message Result {
    string url = 1;
    string title = 2;
    repeated string snippets = 3;
  }
  repeated Result results = 1;
}

如果定义在其他文件中，可以导入其他消息类型来使用：

import "myproject/other_protos.proto";

2.4.4 任意类型(Any)

Any 可以表示不在 .proto 中定义任意的内置类型。

import "google/protobuf/any.proto";

message ErrorStatus {
  string message = 1;
  repeated google.protobuf.Any details = 2;
}

2.4.5 oneof

message SampleMessage {
  oneof test_oneof {
    string name = 4;
    SubMessage sub_message = 9;
  }
}

2.4.6 map

message MapRequest {
  map<string, int32> points = 1;
}

3.总结

目前为止，就可以实现在服务端和客户端，通过同一个.proto文件生成.go文件，随后通过此.go文件，使用序列化后的二进制格式进行传输，并可进行数据的反序列化，比使用传统的json格式有更高的效率。

probuf还可以用于定义RPC的接口，往后的文章会对这一作用进行描述。