Protobuf动态解析、自描述消息（java版）

╰半夏微凉° 2021-05-14 11:29 942阅读 0赞

Protocol Buffers是结构化数据格式标准，提供序列化和反序列方法，用于存储和交换。语言中立，平台无关、可扩展。目前官方提供了C++、Java、Python API，也有其他语言的开源api（比如php）。可通过 .proto文件生成对应语言的类代码。

如果已知protobuf内容对应的是哪个类对象，则可以直接使用反序列化方法搞定（Xxx.parseFrom(inputStream)由二进制转换，TextFormat.merge(string, xxxBuilder)由文本转换）。

而我们经常遇到的情况是，拿到一个被protobuf序列化的二进制内容，但不知道它的类型，无法获得对应的类对象。这种多见于需要处理各种各样未知的ProtoBuf对象的系统。ProtoBuf提供了动态解析机制来解决这个问题，它要求提供二进制内容的基础上，再提供对应类的Descriptor对象，在解析时通过DynamicMessage类的成员方法来获得对象结果。

最后问题就是Descriptor对象从哪里来？这是通过**protoc --descriptor\_set\_out=$outputpath 命令生成descriptor文件**，进而得到的。接下来，我们看一些例子（使用proto3）

maven：

<dependency>
            <groupId>com.google.protobuf</groupId>
            <artifactId>protobuf-java</artifactId>
            <version>3.0.2</version>
            
        </dependency>

**1、使用protobuf的动态解析机制，来处理消息：**

所谓动态解析，就是消费者不根据proto文件编译生成的类来反序列化消息，而是通过proto文件生成的descriptor来构造动态消息类，然后反序列化（解析）消息。代码如下：

1）cinema1.proto proto文件：

syntax = "proto3";
    option java_package="com.lanjingling.cinema";
    
    enum MovieType{
        CHILDREN=0;
        ADULT=1;
        NORMAL=2;
        OHTER=3;
    }
    enum Gender{
        MAN=0;
        WOMAN=1;
        OTHER=2;
    }
    
    message Movie{
        string name=1;
        MovieType type=2;
        int32 releaseTimeStamp=3;
        string description=4;
    	string address=5;
    }
    
    message Customer{
        string name=1;
        Gender gender=2;
        int32 birthdayTimeStamp=3;
    }
    
    message Ticket{
        int32 id=1;
        repeated Movie movie=2;
        Customer customer=3;
    }

2）编译proto文件：

//生成java源文件
    D:\>protoc.exe --java_out=./ ./cinema1.proto
    
    //生成descriptor，这里通过命令行延时如何生成的，下面的java代码里每次会通过命令生成
    D:\>protoc.exe --descriptor_set_out=D://cinema1.description D://cinema1.proto --prot
    o_path=D://

注：生成的descriptor文件也是一个二进制文件。

3）java代码：

public class Test1 {
    
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		while (true) {
    			test();
    			break;
    		}
    	}
    
    	private static void test() throws IOException, InterruptedException,
    			FileNotFoundException, DescriptorValidationException,
    			InvalidProtocolBufferException {
    		
    		System.out.println("------init msg------");
    		byte[] byteArray = initMsg();
    
    		
    		System.out.println("------generate descriptor------");
    		// 生成descriptor文件
    		String protocCMD = "protoc --descriptor_set_out=D://cinema1.description D://cinema1.proto --proto_path=D://";
            Process process = Runtime.getRuntime().exec(protocCMD);
            process.waitFor();
            int exitValue = process.exitValue();
            if (exitValue != 0) {
                System.out.println("protoc execute failed");
                return;
            }
    
            System.out.println("------customer msg------");
    		Descriptors.Descriptor pbDescritpor = null;
    		DescriptorProtos.FileDescriptorSet descriptorSet = DescriptorProtos.FileDescriptorSet
    				.parseFrom(new FileInputStream("D://cinema1.description"));
    		for (DescriptorProtos.FileDescriptorProto fdp : descriptorSet.getFileList()) {
    			Descriptors.FileDescriptor fileDescriptor = Descriptors.FileDescriptor.buildFrom(fdp, new Descriptors.FileDescriptor[] {});
    			for (Descriptors.Descriptor descriptor : fileDescriptor.getMessageTypes()) {
    				String className = fdp.getOptions().getJavaPackage() + "."
    						+ fdp.getOptions().getJavaOuterClassname() + "$"
    						+ descriptor.getName();
    				System.out.println(descriptor.getFullName() + " -> "+ className);
    
    				if (descriptor.getName().equals("Ticket")) {
    					System.out.println("Movie descriptor found");
    					pbDescritpor = descriptor;
    					break;
    				}
    			}
    		}
    
    		if (pbDescritpor == null) {
    			System.out.println("No matched descriptor");
    			return;
    		}
    		DynamicMessage.Builder pbBuilder = DynamicMessage.newBuilder(pbDescritpor);
    		Message pbMessage = pbBuilder.mergeFrom(byteArray).build();
    
            //DynamicMessage parseFrom = DynamicMessage.parseFrom(pbDescritpor, byteArray);
    
    		System.out.println(pbMessage);
    	}
    	
    	private static byte[] initMsg() {
    		Cinema1.Movie.Builder movieBuilder = Cinema1.Movie.newBuilder();
    		movieBuilder.setName("The Shining");
    		movieBuilder.setType(Cinema1.MovieType.ADULT);
    		movieBuilder.setReleaseTimeStamp(327859200);
    		Movie movie = movieBuilder.build();
    		// byte[] byteArray = movie.toByteArray();
    
    		Cinema1.Movie.Builder movieBuilder1 = Cinema1.Movie.newBuilder();
    		movieBuilder1.setName("The Shining1");
    		movieBuilder1.setType(Cinema1.MovieType.CHILDREN);
    		movieBuilder1.setReleaseTimeStamp(327859201);
    		Movie movie1 = movieBuilder1.build();
    
    		Cinema1.Customer.Builder customerBuilder = Cinema1.Customer.newBuilder();
    		customerBuilder.setName("echo");
    		customerBuilder.setGender(Cinema1.Gender.MAN);
    		customerBuilder.setBirthdayTimeStamp(1231232333);
    
    		Cinema1.Ticket.Builder ticketBuilder = Cinema1.Ticket.newBuilder();
    		ticketBuilder.setId(1);
    		ticketBuilder.addMovie(movie);
    		ticketBuilder.addMovie(movie1);
    		ticketBuilder.setCustomer(customerBuilder.build());
    		Ticket ticket = ticketBuilder.build();
    		System.out.println(ticket.toString());
    		byte[] byteArray = ticket.toByteArray();
    		
    		return byteArray;
    	}
    }

4）代码整体流程如下：

1.  生产者：通过proto文件编译产生的类构造一个消息（byteArray数组）；
2.  消费者：1）根据proto文件生成descriptor文件；2）创建DynamicMessage类解析消息（byteArray数组）；

5）优点：

生产者和消费者实现了解耦，消费者不再需要proto文件，而是使用proto文件生成的descriptor文件构造DynamicMessage类来解析生产者消息，一般我们可以把descriptor文件保存到某个地方，而不是每次都去生成。

**2、自描述消息：**

上面那种方式不太友好，消费者每次都需要重新生成或者从某个地方获取descriptor文件内容，google提供了一个更为合理的方式[Self-describing Messages][]，即：将descriptor、消息名、消息内容放到一个wrapper message中，消费者收到消息后从wrapper message中先获取descriptor和name，然后构造DynamicMessage类，最后通过它来解析消息内容。

注：在protobuf库中，已经定义好了一些消息，如：descriptor/wrappers.proto等，我们直接引入即可。

1）selfmd.proto 文件：

syntax = "proto3";
    
    option java_package="com.lanjingling.selfmd";
    
    import "google/protobuf/descriptor.proto";
    
    message SelfDescribingMessage {
      // Set of FileDescriptorProtos which describe the type and its dependencies.
      google.protobuf.FileDescriptorSet descriptor_set = 1;
      
      string msg_name=2;
      
      // The message and its type, encoded as an Any message.
      bytes message = 3;
    }

用来定义通用的消息体，里面包含了：descriptor、msg\_name、message

2）cinema1.proto proto文件：

同上

3）编译cinema1.proto 文件：

同上，只需编译成java源文件即可，为了发送消息使用。（消费端不需要该java源文件，也不需要再生成descriptor了）

4）java代码：

public class Test2 {
    
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
            
    		Ticket initMsg = initMsg();
    		System.out.println(initMsg);
    		
    		//product
    		System.out.println("--------------protuct--------------");
    		DescriptorProtos.FileDescriptorSet descriptorSet = DescriptorProtos.FileDescriptorSet
    				.parseFrom(new FileInputStream("D://cinema1.description"));
    		
            Builder selfmdBuilder = Selfmd.SelfDescribingMessage.newBuilder();
            selfmdBuilder.setDescriptorSet(descriptorSet);
            selfmdBuilder.setMsgName(Ticket.getDescriptor().getFullName());
            selfmdBuilder.setMessage(initMsg.toByteString());
            SelfDescribingMessage build = selfmdBuilder.build();
            byte[] byteArray = build.toByteArray();
            
            //customer
            System.out.println("--------------customer--------------");
            SelfDescribingMessage parseFrom = Selfmd.SelfDescribingMessage.parseFrom(byteArray);
            FileDescriptorSet descriptorSet2 = parseFrom.getDescriptorSet();
            ByteString message = parseFrom.getMessage();
            String msgName = parseFrom.getMsgName();
            
            Descriptors.Descriptor pbDescritpor = null;
            for (DescriptorProtos.FileDescriptorProto fdp : descriptorSet2
    				.getFileList()) {
    			Descriptors.FileDescriptor fileDescriptor = Descriptors.FileDescriptor
    					.buildFrom(fdp, new Descriptors.FileDescriptor[] {});
    			for (Descriptors.Descriptor descriptor : fileDescriptor
    					.getMessageTypes()) {
    				if (descriptor.getName().equals(msgName)) {
    					System.out.println("descriptor found");
    					pbDescritpor = descriptor;
    					break;
    				}
    			}
    		}
            
            if (pbDescritpor == null) {
    			System.out.println("No matched descriptor");
    			return;
    		}
            DynamicMessage dmsg = DynamicMessage.parseFrom(pbDescritpor, message);
            
            System.out.println(dmsg);
    	}
    	
    	public static Ticket initMsg() {
    		//同上
    		
    		Ticket ticket = ticketBuilder.build();
    		
    		return ticket;
    	}
    }

5）代码整理流程：

1.  初始化一个消息对象Ticket；
2.  生产者：1）将cinema1.proto的descriptor内容放到selfmd中；2）将cinema1.proto中的消息名放到selfmd中；3）将cinema1.proto消息内容放到selfmd中；
3.  消费者：获取selfmd.proto消息，根据三个字段分别解析descriptor、msg\_name构造DynamicMessage 类，然后解析cinema1消息；

注：这里没有找到通过protobuf的api方式生成descriptor文件内容的，网上都是通过protobuf提供的命令行工具来生成；

6）优点：

*  优点：实现了消费者和生产者解耦；
 *  缺点：消息量增大、解析速度不如直接通过pb对象快；

[Self-describing Messages]: https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/techniques?hl=zh-CN#self-description