Protobuf语法

gRPC推荐使用proto3，这里只介绍常用语法，按照官方文档的结构翻译，英文水平有限，复杂的部分果断放弃，更多高级使用姿势请参考官方文档

建议初学者不要太刻意的记这里的语法，简单看一遍了解就好，使用过程有问题再回来查看。

Message定义

一个message类型定义描述了一个请求或响应的消息格式，可以包含多种类型字段。

例如定义一个搜索请求的消息格式SearchRequest，每个请求包含查询字符串、页码、每页数目。每个字段声明以分号结尾。

syntax = "proto3";

message SearchRequest {
    string query = 1;
    int32  page_number = 2;
    int32  result_per_page = 3;
}

首行要求明确声明使用的protobuf版本为proto3，如果不声明，编译器默认使用proto2。本声明必须在文件的首行。

一个.proto文件中可以定义多个message，一般用于同时定义多个相关的message，例如在同一个.proto文件中同时定义搜索请求和响应消息：

syntax = "proto3";

message SearchRequest {
    string query = 1;
    int32  page_number = 2;
    int32  result_per_page = 3;
}

message SearchResponse {
    ...
}

字段类型声明

所有的字段需要前置声明数据类型，上面的示例指定了两个数值类型和一个字符串类型。除了基本的标量类型还有复合类型，如枚举、map、数组、甚至其它message类型等。后面会依次说明。

分配Tags

消息的定义中，每个字段都有一个唯一的数值标签。这些标签用于标识该字段在消息中的二进制格式，使用中的类型不应该随意改动。其中，[1-15]内的标识在编码时占用一个字节，包含标识和字段类型。[16-2047]之间的标识符占用2个字节。建议为频繁出现的消息元素分配[1-15]间的标签。如果考虑到以后可能或扩展频繁元素，可以预留一些。

最小的标识符可以从1开始，最大到229 - 1，或536,870,911。不可以使用[19000－19999]之间的标识符， Protobuf协议实现中预留了这些标识符。在.proto文件中使用这些预留标识号，编译时会报错。

字段规则

  • 单数形态：一个message内同名单数形态的字段不能超过一个
  • repeated：前置repeated关键词，声明该字段为数组类型
  • proto3不支持proto2中的required和optional关键字

添加注释

向.proto文件中添加注释，支持C/C++风格双斜线//单行注释。

syntax = "proto3";              // 协议版本声明

// SearchRequest 搜索请求消息
message SearchRequest {
    string query = 1;           // 查询字符串
    int32  page_number = 2;     // 页码
    int32  result_per_page = 3; // 每页条数
}

保留字段名与Tag

可以使用reserved关键字指定保留字段名和标签。

message Foo {
    reserved 2, 15, 9 to 11;
    reserved "foo", "bar";
}

注意，不能在一个reserved声明中混合字段名和标签。

.proto文件编译结果

当使用protocol buffer编译器运行.proto文件时，编译器将生成所选语言的代码，用于使用在.proto文件中定义的消息类型、服务接口约定等。不同语言生成的代码格式不同：

  • C++: 每个.proto文件生成一个.h文件和一个.cc文件，每个消息类型对应一个类
  • Java: 生成一个.java文件，同样每个消息对应一个类，同时还有一个特殊的Builder类用于创建消息接口
  • Python: 姿势不太一样，每个.proto文件中的消息类型生成一个含有静态描述符的模块，该模块与一个元类metaclass在运行时创建需要的Python数据访问类
  • Go: 生成一个.pb.go文件，每个消息类型对应一个结构体
  • Ruby: 生成一个.rb文件的Ruby模块，包含所有消息类型
  • JavaNano: 类似Java，但不包含Builder类
  • Objective-C: 每个.proto文件生成一个pbobjc.h和一个pbobjc.m文件
  • C#: 生成.cs文件包含，每个消息类型对应一个类

各种语言的更多的使用方法请参考官方API文档

基本数据类型

.proto C++ Java Python Go Ruby C#
double double double float float64 Float double
float float float float float32 Float float
int32 int32 int int int32 Fixnum or Bignum int
int64 int64 long ing/long[3] int64 Bignum long
uint32 uint32 int[1] int/long[3] uint32 Fixnum or Bignum uint
uint64 uint64 long[1] int/long[3] uint64 Bignum ulong
sint32 int32 int intj int32 Fixnum or Bignum int
sint64 int64 long int/long[3] int64 Bignum long
fixed32 uint32 int[1] int uint32 Fixnum or Bignum uint
fixed64 uint64 long[1] int/long[3] uint64 Bignum ulong
sfixed32 int32 int int int32 Fixnum or Bignum int
sfixed64 int64 long int/long[3] int64 Bignum long
bool bool boolean boolean bool TrueClass/FalseClass bool
string string String str/unicode[4] string String(UTF-8) string
bytes string ByteString str []byte String(ASCII-8BIT) ByteString

关于这些类型在序列化时的编码规则请参考 Protocol Buffer Encoding.

[1] java

[2] all

[3] 64

[4] Python

默认值

  • 字符串类型默认为空字符串
  • 字节类型默认为空字节
  • 布尔类型默认false
  • 数值类型默认为0值
  • enums类型默认为第一个定义的枚举值，必须是0

针对不同语言的默认值的具体行为参考 generated code guide

枚举(Enum)

当定义一个message时，想要一个字段只能是一个预定义好的值列表内的一个值，就需要用到enum类型了。

示例：这里定义一个名为Corpus的enum类型值，并且指定一个字段为Corpus类型

message SearchRequest {
  string query = 1;
  int32 page_number = 2;
  int32 result_per_page = 3;
  // 定义enum类型
  enum Corpus {
    UNIVERSAL = 0;
    WEB = 1;
    IMAGES = 2;
    LOCAL = 3;
    NEWS = 4;
    PRODUCTS = 5;
    VIDEO = 6;
  }
  Corpus corpus = 4; // 使用Corpus作为字段类型
}

注意：每个enum定义的第一个元素值必须是0

还可以通过给不同的enum元素赋相同的值来定义别名，要求设置allow_alias选项的值为true，否则会报错。

// 正确示例
enum EnumAllowingAlias {
  option allow_alias = true; // 开启allow_alias选项
  UNKNOWN = 0;
  STARTED = 1;
  RUNNING = 1;  // RUNNING和STARTED互为别名
}

// 错误示例
enum EnumNotAllowingAlias {
  UNKNOWN = 0;
  STARTED = 1;
  RUNNING = 1;  // 未开启allow_alias选项，编译会报错
}

enum类型值同样支持文件级定义和message内定义，引用方式与message嵌套一致

使用其它Message

可以使用其它message类型作为字段类型。

例如，在SearchResponse中包含Result类型的消息，可以在相同的.proto文件中定义Result消息类型，然后在SearchResponse中指定字段类型为Result:

message SearchResponse {
    repeated Result results = 1;
}

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

导入定义(import)

上面的例子中，Result类型和SearchResponse类型定义在同一个.proto文件中，我们还可以使用import语句导入使用其它描述文件中声明的类型：

import "others.proto";

默认情况，只能使用直接导入的.proto文件内的定义。但是有时候需要移动.proto文件到其它位置，为了避免更新所有相关文件，可以在原位置放置一个模型.proto文件，使用public关键字，转发所有对新文件内容的引用，例如：

// new.proto
// 所有新的定义在这里

// old.proto
// 客户端导入的原来的proto文件
import public "new.proto";
import "other.proto";

// client.proto
import "old.proto";
// 这里可以使用old.proto和new.proto文件中的定义，但是不能使用other.proto文件中的定义。

protocol编译器会在编译命令中 -I / --proto_path参数指定的目录中查找导入的文件，如果没有指定该参数，默认在当前目录中查找。

Message嵌套

上面已经介绍过可以嵌套使用另一个message作为字段类型，其实还可以在一个message内部定义另一个message类型，作为子级message。

示例：Result类型在SearchResponse类型中定义并直接使用，作为results字段的类型

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

内部声明的message类型名称只可在内部直接使用，在外部引用需要前置父级message名称,如Parent.Type：

message SomeOtherMessage {
    SearchResponse.Result result = 1;
}

支持多层嵌套：

message Outer {                // Level 0
    message MiddleAA {         // Level 1
        message Inner {        // Level 2
            int64 ival = 1;
            bool  booly = 2;
        }
    }
    message MiddleBB {         // Level 1
        message Inner {        // Level 2
            int32 ival = 1;
            bool  booly = 2;
        }
    }
}

Map类型

proto3支持map类型声明:

map<key_type, value_type> map_field = N;

message Project {...}
map<string, Project> projects = 1;
  • key_type类型可以是内置的标量类型(除浮点类型和bytes)
  • value_type可以是除map以外的任意类型
  • map字段不支持repeated属性
  • 不要依赖map类型的字段顺序

包(Packages)

在.proto文件中使用package声明包名，避免命名冲突。

syntax = "proto3";
package foo.bar;
message Open {...}

在其他的消息格式定义中可以使用包名+消息名的方式来使用类型，如：

message Foo {
    ...
    foo.bar.Open open = 1;
    ...
}

在不同的语言中，包名定义对编译后生成的代码的影响不同：

  • C++ 中：对应C++命名空间，例如Open会在命名空间foo::bar中
  • Java 中：package会作为Java包名，除非指定了option jave_package选项
  • Python 中：package被忽略
  • Go 中：默认使用package名作为包名，除非指定了option go_package选项
  • JavaNano 中：同Java
  • C# 中：package会转换为驼峰式命名空间，如Foo.Bar,除非指定了option csharp_namespace选项

定义服务(Service)

如果想要将消息类型用在RPC(远程方法调用)系统中，可以在.proto文件中定义一个RPC服务接口，protocol编译器会根据所选择的不同语言生成服务接口代码。例如，想要定义一个RPC服务并具有一个方法，该方法接收SearchRequest并返回一个SearchResponse，此时可以在.proto文件中进行如下定义：

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

生成的接口代码作为客户端与服务端的约定，服务端必须实现定义的所有接口方法，客户端直接调用同名方法向服务端发起请求。

选项(Options)

在定义.proto文件时可以标注一系列的options。Options并不改变整个文件声明的含义，但却可以影响特定环境下处理方式。完整的可用选项可以查看google/protobuf/descriptor.proto.

一些选项是文件级别的，意味着它可以作用于顶层作用域，不包含在任何消息内部、enum或服务定义中。一些选项是消息级别的，可以用在消息定义的内部。

以下是一些常用的选项：

  • java_package (file option)：指定生成java类所在的包，如果在.proto文件中没有明确的声明java_package，会使用默认包名。不需要生成java代码时不起作用
  • java_outer_classname (file option)：指定生成Java类的名称，如果在.proto文件中没有明确声明java_outer_classname，生成的class名称将会根据.proto文件的名称采用驼峰式的命名方式进行生成。如（foo_bar.proto生成的java类名为FooBar.java）,不需要生成java代码时不起任何作用
  • objc_class_prefix (file option): 指定Objective-C类前缀，会前置在所有类和枚举类型名之前。没有默认值，应该使用3-5个大写字母。注意所有2个字母的前缀是Apple保留的。

基本规范

  • 描述文件以.proto做为文件后缀，除结构定义外的语句以分号结尾

    • 结构定义包括：message、service、enum
    • rpc方法定义结尾的分号可有可无

  • Message命名采用驼峰命名方式，字段命名采用小写字母加下划线分隔方式

      message SongServerRequest {
      required string song_name = 1;
  }

  • Enums类型名采用驼峰命名方式，字段命名采用大写字母加下划线分隔方式

      enum Foo {
      FIRST_VALUE = 1;
      SECOND_VALUE = 2;
  }

  • Service名称与RPC方法名统一采用驼峰式命名

编译

通过定义好的.proto文件生成Java, Python, C++, Go, Ruby, JavaNano, Objective-C, or C# 代码，需要安装编译器protoc。参考Github项目google/protobuf安装编译器.

运行命令：

protoc --proto_path=IMPORT_PATH --cpp_out=DST_DIR --java_out=DST_DIR --python_out=DST_DIR --go_out=DST_DIR --ruby_out=DST_DIR --javanano_out=DST_DIR --objc_out=DST_DIR --csharp_out=DST_DIR path/to/file.proto

这里只做参考就好，具体语言的编译实例请参考详细文档。

吐槽: 照着官方文档一步步操作不一定成功哦！

更多

这些用法在实践中很少使用，这里不做介绍，有需要请参考官方文档。

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