protobuf底层编码格式一览_c++ protobuf 如何表示中文

protobuf底层编码格式

首先要认识protobuf支持的几种编码方式和它们对应的数据类型：

值为3和4的wire-type分别是start group和end group，它们现在已被废弃

protobuf使用的编码方式可以简记为TLV：Tag + (Length +) Value。

Tag的定义是：field_num << 3 | wire_type，这个field_num就是.proto文件中字段的编号。

举个例子，如果你有一个.proto文件如下：

message pod {
	optional int32 a = 1;
	optional string str = 2;
	repeated sint32 vec = 3;
}
1
2
3
4
5

那么三个字段编码后的tag如下（二进制格式）：

a: 00001 000 // field_num = 1, wire_type = 0
str: 00010 010 // field_num = 2, wire_type = 2
vec: 00010 011 // field_num = 3, wire_type = 2
1
2
3

说完了tag，下面我们来说说不同wire-type的实际编码方式。

varint

varint即可变长度编码，对于值较小的整数，它比定长编码花费更少的字节，值较大的整数则花费更多字节，因为大多整数值都比较小，所以一般可变长度编码的空间效率要优于定长编码。

varint是一个字节或连续的几个字节，每个字节的最高位是标志位，如果标志位为1，表示该字节后面还有其他字节，如果标志位为0，表示这是最后一个字节。

可变长度编码中每个字节只有7个位能用来保存值，并且它们是按小端序存储的

仍使用上面的.proto文件，对不同的a值，它对应的编码如下：

a = 0x10, code = 00001000 00010000
a = 0xfe, code = 00001000 11111110 00000001
a = 0x7ffffffe, code = 00001000 11111110 11111111 11111111 11111111 00000111
1
2
3

对a = 0x7f ff ff fe，它的可变长度编码用了5个字节，这多于定长编码所用字节数

要解码多字节varint的值，我们首先取出每个字节的低7位，每低7位为一个整体按字节顺序从后往前依次摆放。在这个例子中，首先摆出第5个字节的低7位0000111，然后依次摆出第4、3、2、1字节的低7位，最后得到：0000111 1111111 1111111 1111111 1111110，截断前面多余的0后得到01111111 11111111 11 111111 11111110，正是0x7f ff ff fe。

得到实际的整数值后，protobuf还需要判断是否是sint32/sint64类型，这一点可以直接从.proto文件的类型声明中获知：

• 如果不是sint32/sint64类型，直接将解析出的整数值赋给即可。
• 如果是sint32/sint64类型，那么还需要一步转换。

为什么要对sint32/sint64类型进行转换呢？因为对于较小的负数例如-1，它的二进制表示是0xffffffff ，如果直接使用varint编码将花费5个字节，所以protobuf为了使用更少的字节表示较小的负数实现了ZigZag编码：

ZigZag编码只对sint32/sint64类型有效！它是一个加在varint编解码和整数生成之间的额外步骤：

sint型整数 <-> ZigZag编解码 <-> varint编解码 <-> varint整数

32-bit / 64-bit

定长编码的格式非常简单：Tag + Value(4 bytes / 8 bytes)。

例如对于下面的.proto文件：

message ints {
	optional fixed32 n = 1;
	optional fixed64 m = 2;
}
1
2
3
4

当n = 0x10121314, m = 0x10121314时，其编码如下：

n: 00001101 00010100 00010011 00010010 00010000
m: 00010001 00001000 00000111 00000110 00000101 00000100 00000011 00000010 00000001
1
2

Value部分同样按照小端法编码，这和主流PC的内部整数表示一致。

length-delimited

使用完整的TLV格式，Length部分使用varint编码，表示负载数据的长度。

例如对于下面的.proto文件：

message Ldls {
  optional string str = 1;
  repeated int32 vec = 2;
}
1
2
3
4

当str的值为"hello"，vec的内容为{0x11, 0xfe}时，其编码如下：

str: 00001010 00000101（5字节） [字符串"hello"]01101000 01100101 01101100 01101100 01101111
vec: 00010010 00000011（3字节） [第一个数字0x11]00010001 [第二个数字0xfe]11111110 00000001
1
2

值得一提的是，嵌套的消息类型也使用length-delimited格式编码。

例如对于下面的.proto文件：

message aInt {
  optional int32 a = 1;
}

message complexType {
  optional aInt b = 2;
}
1
2
3
4
5
6
7

当a取值为0x1时，complexType对象编码为：

b: 00010010 00000010（2字节） [a标识]00001000 [数字a的内容]00000001
1