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【ProtoBuf】proto3语法（一）

news 来源：原创 2025/5/24 15:40:51

【ProtoBuf】proto3语法（一）

文章目录

  • 【ProtoBuf】proto3语法（一）
  • proto3语法解析
    • 字段规则
    • 消息类型的定义与使用
    • 编写通讯录demo
      • 新增/读取联系人并进行序列化
      • 读取二进制数据并进行反序列化

proto3语法解析

在语法详解部分。这个部分会对通讯录进⾏多次升级，使⽤ 2.x表⽰升级的版本，最终将会升级如下内容：

  • 不再打印联系⼈的序列化结果，⽽是将通讯录序列化后并 写⼊⽂件中。
  • 从⽂件中将通讯录解析出来，并进⾏打印。
  • 新增联系⼈属性，共包括：姓名、年龄、电话信息、地址、其他联系⽅式、备注。

字段规则

消息的字段可以⽤下⾯⼏种规则来修饰：

  • singular ：消息中可以包含该字段零次或⼀次（不超过⼀次）。 proto3 语法中，字段默认使⽤该规则。
  • repeated ：消息中可以包含该字段任意多次（包括零次），其中重复值的顺序会被保留。可以理解为定义了⼀个数组。

更新 contacts.proto ， PeopleInfo 消息中新增 phone_numbers 字段，表⽰⼀个联系⼈有多个号码，可将其设置为 repeated，写法如下：

syntax = "proto3";
package contacts;

message PeopleInfo
{
	string name = 1;
	int32 age = 2;
	repeated string phone_numbers = 3;
}

消息类型的定义与使用

在单个 .proto ⽂件中可以定义多个消息体，且⽀持定义嵌套类型的消息（任意多层）。每个消息体中的字段编号可以重复(不同作用域)。更新 contacts.proto，我们可以将 phone_number 提取出来，单独成为⼀个消息：

syntax = "proto3";
package contacts2;

message Phone
{
    string number  = 1;
}

// 定义联系人message
message PeopleInfo
{
    string name = 1;    // 姓名
    int32 age = 2;      // 年龄
    // repeated string phone_numbers = 3; // 手机号码
    repeated Phone phone = 3;
}
  • 消息类型可作为字段类型使用：
message PeopleInfo
{
    string name = 1;    // 姓名
    int32 age = 2;      // 年龄
    // repeated string phone_numbers = 3; // 手机号码

    message Phone
    {
        string number  = 1;
    }
    repeated Phone phone = 3;
}
  • 可以导入其他 .proto 文件的消息类型并使用：

Phone消息定义在phone.proto中：

syntax = "proto3";
package phone;

message Phone
{
    string number  = 1;
}

如果想要在contacts.proto文件中使用Phone message类型字段，则：

syntax = "proto3";
package contacts2;

import "Phone.proto";// 使用import 将 Phone.proto 文件导入进来

// 定义联系人message
message PeopleInfo
{
    string name = 1;    // 姓名
    int32 age = 2;      // 年龄
    repeated phone.Phone payphone = 3;
}
  • 注意：在proto3文件中可以导入proto2消息类型并使用它们，反之亦然。

我们使用嵌套式的作为演示，PeopleInfo里的字段已经差不多了，这样每个人的信息结构也就出来了，随后我们应该定义一个message 作为通讯录，通讯录里是一个数组，数组每一个元素都是一个PeopleInfo：

syntax = "proto3";
package contacts2;

// 定义联系人message
message PeopleInfo
{
    string name = 1;    // 姓名
    int32 age = 2;      // 年龄
    message Phone
    {
        string number = 1;
    }
    repeated Phone phone = 3;// 电话信息
}

// 通讯录message
message Contacts 
{
    repeated PeopleInfo contacts = 1;
}

在这里插入图片描述

我们来看一下生成的cpp代码中有什么：

在这里插入图片描述

当然，我们的关注点不在这里，我们进入到一个类当中(PeopleInfo_Phone类中，这里生成的代码有报错语法提示，是因为插件原因，不用在意，实际上没有任何问题):

在这里插入图片描述

  • clear_number()：对字段进行清空
  • number()：省略了get前缀，实际是get方法，获取number字段
  • set_number()：设置number字段

以上几种方法是基本message常用方法，而在PeopleInfo中因为声明了Phone字段为 repeated 类型，所以会多几个不同的方法：

在这里插入图片描述
这样，带有repeated声明的成员处理方法我们也就清楚了。

编写通讯录demo

新增/读取联系人并进行序列化

对通讯录序列化有三点：

  • 读取本地已存在的联系人文件（不存在则创建该文件）
#define FILE_SAVE "contacts.bin"// 文件保存的文件名

int main()
{
    contacts2::Contacts contacts; // 定义通讯录方法
    // 1. 读取本地已存在的联系人文件
    fstream input(FILE_SAVE, ios::in | ios::binary);
    if(!input)
    {
        cout << "contacts.bin not found, create new file!" << endl;
    }
    else if(contacts.ParseFromIstream(&input))
    {
        cerr << "parse error!" << endl;
        input.close();
        return -1;
    }
    return 0;
}

contacts2为contacts.pb.h中的命名空间，由于PB序列化之后是二进制文件，所以从文件中读取数据使用ios::binary，读取成功之后，通过contacts.pb.h中提供的解析二进制序列方法，将通讯录数据序列化为二进制文件，并保存在 contacts.bin 文件中。

在这里插入图片描述

  • 向通讯录中添加一个联系人
// 联系人信息类型为PeopleInfo类型
void AddPeopleInfo(contacts2::PeopleInfo* people)
{
    cout << "---------------新增联系人---------------" << endl;

    cout << "请输入联系人姓名: ";
    string name;
    getline(cin, name);
    people->set_name(name);// 调用set方法设置联系人名称
    cout << "请输入联系人年龄: ";

    int age;
    cin >> age;
    people->set_age(age);// 调用set方法设置联系人年龄
    cin.ignore(256, '\n');// 防止\n影响下次输入

    for(int i = 0;;i++)
    {
        cout << "请输入联系人电话" << i + 1 << "(只输入回车完成电话新增): ";
        string number;
        getline(cin, number);
        if(number.empty())
        {
            break;
        }

        contacts2::PeopleInfo_Phone* phone = people->add_phone();
        phone->set_number(number);
    }
    cout << "-------------添加联系人成功--------------" << endl;
}

int main()
{
	// ...
	
	// 2. 向通讯录中添加一个联系人
    AddPeopleInfo(contacts.add_contacts());
	return 0;
}

使用 cin.ignore(256, '\n') 接口，目的是为了不让’\n’影响到接下来的输入。首先来解释第二个参数，第二个参数的含义是遇到 ‘\n’ 则会停止清空缓冲区（前面的内容全部清除，包括\n）。第一个参数的含义是如果清除了256个字符后还没有遇到 ‘\n’，则也会停下来不再清楚缓冲区。

之后就进行循环输入电话号码，如果想要停止输入（输入为空），则按两次回车即可终止。而由于电话信息是一个数组，所以一个电话信息在存储之前需要先添加一个数组元素，即调用add_phone()函数，然后再调用set函数将新输入的电话号码保存到数组中。

  • 将通讯录写入到本地文件中
int main()
{
	// 3. 将通讯录写入到本地文件中
    fstream output(FILE_SAVE, ios::out | ios::trunc | ios::binary);
    if(!contacts.SerializeToOstream(&output))
    {
        cerr << "write error!" << endl;
        input.close();
        output.close();
        return -1;
    }
    cout << "write success!" << endl;
    input.close();
    output.close();
	return 0;
}

最后将通讯录写入到本地文件中，写入之前我们先进行序列化，依旧使用PB提供的序列化函数来进行序列化：

在这里插入图片描述

编写makefile对通讯录项目做编译:

write:write.cc contacts.pb.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lprotobuf

.PHONY:clean
clean:
	rm -f write 

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"

using namespace std;

#define FILE_SAVE "contacts.bin"// 文件保存的文件名

void AddPeopleInfo(contacts2::PeopleInfo* people)
{
    cout << "---------------新增联系人---------------" << endl;

    cout << "请输入联系人姓名: ";
    string name;
    getline(cin, name);
    people->set_name(name);
    cout << "请输入联系人年龄: ";

    int age;
    cin >> age;
    people->set_age(age);
    cin.ignore(256, '\n');

    for(int i = 0;;i++)
    {
        cout << "请输入联系人电话" << i + 1 << "(只输入回车完成电话新增): ";
        string number;
        getline(cin, number);
        if(number.empty())
        {
            break;
        }

        contacts2::PeopleInfo_Phone* phone = people->add_phone();
        phone->set_number(number);
    }
    cout << "-------------添加联系人成功--------------" << endl;
}

int main()
{
    contacts2::Contacts contacts; // 定义通讯录方法
    // 1. 读取本地已存在的联系人文件
    fstream input(FILE_SAVE, ios::in | ios::binary);
    if(!input)
    {
        cout << "contacts.bin not found, create new file!" << endl;
    }
    else if(contacts.ParseFromIstream(&input))
    {
        cerr << "parse error!" << endl;
        input.close();
        return -1;
    }

    // 2. 向通讯录中添加一个联系人
    AddPeopleInfo(contacts.add_contacts());
    // 3. 将通讯录写入到本地文件中
    fstream output(FILE_SAVE, ios::out | ios::trunc | ios::binary);
    if(!contacts.SerializeToOstream(&output))
    {
        cerr << "write error!" << endl;
        input.close();
        output.close();
        return -1;
    }
    cout << "write success!" << endl;
    input.close();
    output.close();
    // google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary();
    return 0;
}

接下来就使用make来编译文件，然后运行程序：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
我们发现生成了这个文件，并且记录着我们之前输入的数据，不过这里格式不对，因为是序列化为了二进制文件，而我们不能直接读取二进制文件，我们可以通过 hexdump 指令来查看二进制序列:

  • hexdump ：用来查看二进制序列的命令，有不同的选项可以将二进制序列以十六进制形式进行输出。
  • C选项: 以标准格式显示包含地址和 ASCII 值的内容。每一行显示 16 字节的十六进制数字以及对应的 ASCII 字符。
  • n <数值>选项: 仅输出前 <数值> 字节。
  • v选项: 显示所有字节，包括重复的字节。

在这里插入图片描述

当然，如果你观看别人用PB写的C++程序，可能会看到这样一句宏定义在main函数开头：

GOOGLE_PROTOBUF_VERIFY_VERSION;
  • GOOGLE_PROTOBUF_VERIFY_VERSION : 验证没有意外链接到与编译的头⽂件不兼容的库版本。如果检测到版本不匹配，程序将中⽌。注意，每个 .pb.cc ⽂件在启动时都会⾃动调⽤此宏。在使⽤ C++ Protocol Buffer 库之前执⾏此宏是⼀种很好的做法，但不是绝对必要的。

用人话来说就是可能使用PB版本不匹配，而版本不匹配是会报错的，所以在启动程序之前添加这个宏可以用来检测使用的PB版本是否一致。

而我们在结束时注释了一个函数:

google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary();
  • google::protobuf::ShutdownProtobufLibrary() ： 在程序结束时调⽤这个接口，是为了删除 Protocol Buffer 库分配的所有全局对象。对于⼤多数程序来说这是不必要的，因为该过程⽆论如何都要退出，并且操作系统将负责回收其所有内存。但是，如果你使⽤了内存泄漏检查程序，该程序需要释放每个最后对象，或者你正在编写可以由单个进程多次加载和卸载的库，那么你可能希望强制使⽤ Protocol Buffers 来清理所有内容。

读取二进制数据并进行反序列化

我们新创建一个read.cc文件用来从contacts.bin文件中进行读取二进制数据并进行反序列化解析，将makefile文件更新:

all:write read
write:write.cc contacts.pb.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lprotobuf
read:read.cc contacts.pb.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lprotobuf

.PHONY:clean
clean:
	rm -f write read

接下来对本地通讯录的操作有两步：

  • 读取本地已经存在的通讯录文件
#define FILE_READ "contacts.bin"// 文件保存的文件名

int main()
{
	contacts2::Contacts contacts; // 定义通讯录对象
    // 1. 读取本地已存在的通讯录文件
    fstream input(FILE_READ, ios::in | ios::binary);
    if(!contacts.ParseFromIstream(&input))
    {
        cerr << "parse error!" << endl;
        input.close();
        return -1;
    }
	return 0;
}

来解析通讯录中的消息，与write.cc开始相同

  • 打印通讯录列表
void PrintContacts(contacts2::Contacts& contacts)
{
    for(int i = 0; i < contacts.contacts_size(); ++i)
    {
        cout << "-----------------联系人" << i + 1 << "-----------------" << endl;
        const contacts2::PeopleInfo& people = contacts.contacts(i);
        cout << "联系人姓名: " << people.name() << endl;
        cout << "联系人年龄: " << people.age() << endl;
        for(int j = 0; j < people.phone_size(); ++j)
        {
            const contacts2::PeopleInfo_Phone& phone = people.phone(j);
            cout << "联系人电话" << j + 1 << " : " << phone.number() << endl;
        }
        cout << "-----------------通讯录尾-----------------" << endl;
    }
}

int main()
{
	// ...
	// 2. 打印通讯录列表
    PrintContacts(contacts);
	return 0;
}

由于通讯录message中只有一个PeopleInfo字段并且是数组类型，所以我们直接使用contacts()来获取数组中的元素值，即每一个联系人的基本信息。然后打印出联系人的姓名和年龄信息。

而每个人的手机号信息都是一个数组，所以我们需要对每一个联系人的手机号数组进行遍历，将所有手机号给打印出来，因为phone也是一个数组，所以可以直接调用 people.phone() 来获取手机号数组。

在这里插入图片描述

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