Protobuf 序列化原理学习

1. 基本概念

• 消息：由于Protocp Buffer主要用于数据存储、网络通信的场景，将结构化的数据（数据结构或对象）进行序列化，生成二进制串来保存或传输。把要序列化的结构化数据称为**消息**。

• T - L - V 的数据存储方式：即 Tag - Length - Value，标识 - 长度 - 字段值 存储方式。以 标识 - 长度 - 字段值 表示单个数据，最终将所有数据拼接成一个字节流。

• T - V的数据存储方式：即 Tag - Value，标识 - 字段值 存储方式。Varint和Zigzag 编码后的格式就是这种，不需要记录长度，每个字节的最高位去记录下一个字节是否属于当前数字。

2. 三个结论

• 结论1：Protocol Buffer将消息中的每个字段进行编码，然后利用T - L - V存储方式对数据进行存储，最终得到一个二进制字节流。

• 结论2：Protocol Buffer对于不同数据类型采用不同的序列化方式（编码方式 & 数据存储方式）

• 对于存储Varint编码数据，就不需要存储字节长度 Length，所以实际上Protocol Buffer的存储方式是 T - V；

• 若Protocol Buffer采用其他编码方式（如LENGTH_DELIMITED）则采用T - L - V

• 结论3：因为 Protocol Buffer对于数据字段值的 独特编码方式 & T - L - V数据存储方式，使得 Protocol Buffer序列化后数据量体积如此小

3. 编码方式

3.1 Varint 编码

• 定义：一种变长的编码方式
• 原理：用字节表示数字：值越小的数字，使用越少的字节数表示
• 作用：通过减少表示数字的字节数从而进行数据压缩

如：

• 对于 int32 类型的数字，一般需要 4个字节 表示；
• 若采用 Varint编码，对于很小的 int32 类型 数字，则可以用 1个字节 来表示
• 虽然大的数字会需要 5 个 字节 来表示，但大多数情况下，消息都不会有很大的数字，所以采用 Varint方法总是可以用更少的字节数来表示数字

Varint 编码的不足：

在计算机内，负数一般会被表示为很大的整数。（因为计算机定义负数的符号位为数字的最高位）

因此，使用**Varint** 编码负数一定需要5个bytes。

解决方案： Protocol Buffer 定义了 sint32 / sint64 类型表示负数，先使用 Zigzag 编码（将 有符号数 转换成 无符号数），再采用 Varint编码，从而用于减少编码后的字节数。

3.2 Zigzag 编码

• 定义：一种变长的编码方式

• 原理：使用 无符号数 来表示 有符号数字；

• 作用：使得绝对值小的数字都可以采用较少字节来表示；

• Zigzag 编码 是补充 Varint编码在 表示负数 的不足，从而更好的帮助 Protocol Buffer进行数据的压缩

• 所以，如果提前预知字段值是可能取负数的时候，记得采用sint32 / sint64 数据类型

1. 对于int32 / int64 类型的字段值（正数），Protocol Buffer直接采用 Varint编码
2. 对于sint32 / sint64 类型的字段值（负数），Protocol Buffer会先采用 Zigzag 编码，再采用 Varint编码

参考文献

摘抄搬运自：

Protocol Buffer 序列化原理大揭秘 - 为什么Protocol Buffer性能这么好？_flowbuf 的序列化价值-CSDN博客