[网络协议]Go语言使用protobuf快速入门

前言

protobuf 即 Protocol Buffers，是一种轻便高效的结构化数据存储格式，与语言、平台无关，可扩展可序列化。
protobuf 性能和效率大幅度优于 JSON、XML 等其他的结构化数据格式。
protobuf 是以二进制方式存储的，占用空间小，但也带来了可读性差的缺点。protobuf 在通信协议和数据存储等领域应用广泛。

Protobuf 在 .proto 定义需要处理的结构化数据，可以通过 protoc 工具，将 .proto 文件转换为 C、C++、Golang、Java、Python 等多种语言的代码，兼容性好，易于使用。

参考文献

protobuf3 官方文档：https://link.jianshu.com/?t=https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto3
Protocol Buffer 编码：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/encoding?hl=zh-cn#packed
proto service grpc 生成插件：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/blob/master/docs/third_party.md
本文代码下载：https://github.com/mailjobblog/dev_go/tree/master/220115_protobuf

安装

安装 protoc
从 Protobuf Releases 下载最先版本的发布包安装。

brew intall protoc

安装 protoc-gen-go
我们需要在 Golang 中使用 protobuf，还需要安装 protoc-gen-go，这个工具用来将 .proto 文件转换为 Golang 代码。

go install google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go@latest

Tips：
这儿有个小小的坑，github.com/golang/protobuf/protoc-gen-go 和 google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go是不同的。
区别在于前者是旧版本，后者是google接管后的新版本，他们之间的API是不同的，也就是说用于生成的命令，以及生成的文件都是不一样的。

检查是否安装成功

$ protoc --version
libprotoc 3.19.3

$ protoc-gen-go --version
protoc-gen-go v1.27.1

protobuf生成代码

快速上手

接下来，我们创建一个非常简单的示例，student.proto

syntax = "proto3";
package main;

// this is a comment
message Student {
  string name = 1;
  bool male = 2;
  repeated int32 scores = 3;
}

在当前目录下执行代码生成命令

$ protoc --go_out=. *.proto

$ ls
student.pb.go  student.proto

执行此生成命令是将该目录下的所有的 .proto 文件转换为 Go 代码，我们可以看到该目录下多出了一个 Go 文件 student.pb.go。这个文件内部定义了一个结构体 Student，以及相关的方法：

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

	Name   string  `protobuf:"bytes,1,opt,name=name,proto3" json:"name,omitempty"`
	Male   bool    `protobuf:"varint,2,opt,name=male,proto3" json:"male,omitempty"`
	Scores []int32 `protobuf:"varint,3,rep,packed,name=scores,proto3" json:"scores,omitempty"`
}

得到生成的 student.pb.go 文件后，可以在项目代码中直接使用了。
以下是一个例子，即证明被序列化的和反序列化后的实例，包含相同的数据。

func main() {
	test := &Student{
		Name: "geektutu",
		Male:  true,
		Scores: []int32{98, 85, 88},
	}
	data, err := proto.Marshal(test)
	if err != nil {
		log.Fatal("marshaling error: ", err)
	}
	newTest := &Student{}
	err = proto.Unmarshal(data, newTest)
	if err != nil {
		log.Fatal("unmarshaling error: ", err)
	}
	// Now test and newTest contain the same data.
	if test.GetName() != newTest.GetName() {
		log.Fatalf("data mismatch %q != %q", test.GetName(), newTest.GetName())
	}
}

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(gender)定义为枚举类型。

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

生成的Go代码主要信息如下：

type StudentEnum_Gender int32

const (
	StudentEnum_FEMALE StudentEnum_Gender = 0
	StudentEnum_MALE   StudentEnum_Gender = 1
)

type StudentEnum struct {
    state         protoimpl.MessageState
    sizeCache     protoimpl.SizeCache
    unknownFields protoimpl.UnknownFields
    
    Name   string             `protobuf:"bytes,1,opt,name=name,proto3" json:"name,omitempty"`
    Gender StudentEnum_Gender `protobuf:"varint,2,opt,name=gender,proto3,enum=main.StudentEnum_Gender" json:"gender,omitempty"`
    Scores []int32            `protobuf:"varint,3,rep,packed,name=scores,proto3" json:"scores,omitempty"`
}

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

生成的Go语言主要代码如下：

type StudentAlias_Status int32

const (
	StudentAlias_UNKOWN  StudentAlias_Status = 0
	StudentAlias_STARTED StudentAlias_Status = 1
	StudentAlias_RUNNING StudentAlias_Status = 1
)

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 StudentResponse {
  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 Student2Response {
  message Result2 {
    string url = 1;
    string title = 2;
    repeated string snippets = 3;
  }
  repeated Result2 results2 = 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";

任意类型(Any)

在使用 GRPC 时，常规的操作是将 message 定义好后进行数据传输，但总会遇到某些数据结构进行组合的操作，采用默认的定义 message 方式，造成代码量的激增。
为了解决这个问题 protobuf 提供类型 any 解决 GRPC 中泛型的处理方式

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

生成的Go语言主要代码如下：

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

	Message string       `protobuf:"bytes,1,opt,name=message,proto3" json:"message,omitempty"`
	Details []*anypb.Any `protobuf:"bytes,2,rep,name=details,proto3" json:"details,omitempty"`
}

oneof

如果你的消息中有很多可选字段， 并且同时至多一个字段会被设置， 你可以加强这个行为，使用oneof特性节省内存。
Oneof字段就像可选字段， 除了它们会共享内存， 至多一个字段会被设置。 设置其中一个字段会清除其它字段。

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

oneof的特性

• 设置oneof会自动清楚其它oneof字段的值. 所以设置多次后，只有最后一次设置的字段有值
• 如果解析器遇到同一个oneof中有多个成员，只有最后一个会被解析成消息
• oneof不支持repeated

map

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

定义服务(Services)

如果消息类型是用来远程通信的(Remote Procedure Call, RPC)，可以在 .proto 文件中定义 RPC 服务接口。
例如我们定义了一个名为 SearchService 的 RPC 服务，提供了 Search 接口，入参是 SearchRequest 类型，返回类型是 SearchResponse

service SearchService {
  rpc Search (SearchRequest) returns (SearchResponse);
}

官方仓库也提供了一个 插件列表，帮助开发基于 Protocol Buffer 的 RPC 服务。

生成go代码和grpc代码：

# 由proto生成go代码
protoc --go_out=. *.proto

# 由proto生成go的grpc代码
protoc --go-grpc_out=. *.proto

protoc 命令参数

protoc --proto_path=IMPORT_PATH --<lang>_out=DST_DIR path/to/file.proto

–proto_path=IMPORT_PATH： 可以在 .proto 文件中 import 其他的 .proto 文件，proto_path 即用来指定其他 .proto 文件的查找目录。如果没有引入其他的 .proto 文件，该参数可以省略。
–_out=DST_DIR： 指定生成代码的目标文件夹，例如 –go_out=. 即生成 GO 代码在当前文件夹，另外支持 cpp/java/python/ruby/objc/csharp/php 等语言

推荐风格

文件(Files)

• 文件名使用小写下划线的命名风格，例如 lower_snake_case.proto
• 每行不超过 80 字符
• 使用 2 个空格缩进

包(Packages)

• 包名应该和目录结构对应，例如文件在my/package/目录下，包名应为 my.package

消息和字段(Messages & Fields)

• 消息名使用首字母大写驼峰风格(CamelCase)，例如message StudentRequest { … }
• 字段名使用小写下划线的风格，例如 string status_code = 1
• 枚举类型，枚举名使用首字母大写驼峰风格，例如 enum FooBar，枚举值使用全大写下划线隔开的风格(CAPITALS_WITH_UNDERSCORES )，例如 FOO_DEFAULT=1

服务(Services)

• RPC 服务名和方法名，均使用首字母大写驼峰风格，例如service FooService{ rpc GetSomething() }

protobuf文件规范

syntax

protobuf 有2个版本，默认版本是 proto2，如果需要 proto3，则需要在非空非注释第一行使用 syntax = "proto3" 标明版本。

package

package，即包名声明符是可选的，用来防止不同的消息类型有命名冲突。

option go_package

option go_package="./proto/pb;pb";

这部分的内容是关于最后生成的go文件是处在哪个目录哪个包中，./proto/pb 代表在当前目录生成，pb 代表了生成的go文件的包名是 pb。

message

消息类型 使用 message 关键字定义，Student 是类型名，name, male, scores 是该类型的 3 个字段，类型分别为 string, bool 和 []int32。字段可以是标量类型，也可以是合成类型。
相当于Go语言中的 struct 结构体。一个 .proto 文件中可以写多个消息类型，即对应多个结构体(struct)。

修饰符

每个字段的修饰符默认是 singular，一般省略不写，repeated 表示字段可重复，即用来表示 Go 语言中的切片类型。

标识符

每个字符 = 后面的数字称为标识符，每个字段都需要提供一个唯一的标识符。标识符用来在消息的二进制格式中识别各个字段，一旦使用就不能够再改变，标识符的取值范围为 [1, 2^29 - 1] 。

文件注释

.proto 文件可以写注释，单行注释 //，多行注释 /* … */

标量类型(Scalar)

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

常见问题

go_package报错

Please specify either:
? a "go_package" option in the .proto source file, or
? a "M" argument on the command line.

在go的1.14版本以后，proto文件中不添加go_package 会报错。
解决方法： option go_package = “./”
或者填写自己的包路径也行如option go_package = “http://github.com/package/name”

安装protoc-gen-go报错

can't load package: package google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go: cannot find package "google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go" in any of:
        C:\Go\src\google.golang.org\protobuf\cmd\protoc-gen-go (from $GOROOT)
        C:\Users\peikai\go\src\google.golang.org\protobuf\cmd\protoc-gen-go (from $GOPATH)

解决方法：
先 go get google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go 然后再 install 安装。