ProtoBuf试用与JSON的比较

介绍

ProtoBuf 是google团队开发的用于高效存储和读取结构化数据的工具。什么是结构化数据呢，正如字面上表达的，就是带有一定结构的数据。比如电话簿上有很多记录数据，每条记录包含姓名、ID、邮件、电话等，这种结构重复出现。

同类

XML、JSON 也可以用来存储此类结构化数据，但是使用ProtoBuf表示的数据能更加高效，并且将数据压缩得更小。

原理

ProtoBuf 是通过ProtoBuf编译器将与编程语言无关的特有的 .proto 后缀的数据结构文件编译成各个编程语言(Java,C/C++,Python)专用的类文件,然后通过Google提供的各个编程语言的支持库lib即可调用API。(关于proto结构体怎么编写，可自行查阅文档)

ProtoBuf编译器安装

Mac : brew install protobuf

举个例子

1. 先创建一个proto文件

message.proto

syntax = "proto3";
 
message Person {
    int32 id = 1;
    string name = 2;
    
    repeated Phone phone = 4;
    
    enum PhoneType {
        MOBILE = 0;
        HOME = 1;
        WORK = 2;
    }
 
    message Phone {
        string number = 1;
        PhoneType type = 2;
    }
}

2. 创建一个Java项目

并且将proto文件放置 src/main/proto 文件夹下

3. 编译proto文件至Java版本

• 用命令行 cd 到 src/main 目录下
• 终端执行命令 : protoc --java_out=./java ./proto/*.proto
• 会发现，在你的src/main/java 里已经生成里对应的Java类

4. 依赖Java版本的ProtoBuf支持库

这里只举一个用Gradle使用依赖的栗子

implementation 'com.google.protobuf:protobuf-java:3.9.1'

5. 将Java对象转为ProtoBuf数据

Message.Person.Phone.Builder phoneBuilder = Message.Person.Phone.newBuilder();
Message.Person.Phone phone1 = phoneBuilder
        .setNumber("100860")
        .setType(Message.Person.PhoneType.HOME)
        .build();
Message.Person.Phone phone2 = phoneBuilder
        .setNumber("100100")
        .setType(Message.Person.PhoneType.MOBILE)
        .build();
Message.Person.Builder personBuilder = Message.Person.newBuilder();
personBuilder.setId(1994);
personBuilder.setName("XIAOLEI");
personBuilder.addPhone(phone1);
personBuilder.addPhone(phone2);

Message.Person person = personBuilder.build();
long old = System.currentTimeMillis();
byte[] buff = person.toByteArray();
System.out.println("ProtoBuf 编码耗时：" + (System.currentTimeMillis() - old));
System.out.println(Arrays.toString(buff));
System.out.println("ProtoBuf 数据长度:" + buff.length);

6. 将ProtoBuf数据，转换回Java对象

System.out.println("-开始解码-");
old = System.currentTimeMillis();
Message.Person personOut = Message.Person.parseFrom(buff);
System.out.println("ProtoBuf 解码耗时：" + (System.currentTimeMillis() - old));
System.out.printf("Id:%d, Name:%s\n", personOut.getId(), personOut.getName());
List<Message.Person.Phone> phoneList = personOut.getPhoneList();
for (Message.Person.Phone phone : phoneList)
{
    System.out.printf("手机号:%s (%s)\n", phone.getNumber(), phone.getType());
}

比较

为了能体现ProtoBuf的优势，我写了同样结构体的Java类，并且将Java对象转换成JSON数据，来与ProtoBuf进行比较。JSON编译库使用Google提供的GSON库，JSON的部分代码就不贴出来了，直接展示结果

比较结果结果

• 运行 1 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码1次，耗时：22ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码1次，耗时：1ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码1次,耗时：32ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码1次,耗时：3ms

• 运行 10 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码10次，耗时：22ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码10次，耗时：4ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码10次,耗时：29ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码10次,耗时：3ms

• 运行 100 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码100次，耗时：32ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码100次，耗时：8ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码100次,耗时：31ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码100次,耗时：4ms

• 运行 1000 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码1000次，耗时：39ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码1000次，耗时：21ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码1000次,耗时：37ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码1000次,耗时：8ms

• 运行 1万 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码10000次，耗时：126ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码10000次，耗时：93ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码10000次,耗时：49ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码10000次,耗时：23ms

• 运行 10万 次

【 JSON 开始编码 】
JSON 编码100000次，耗时：248ms
JSON 数据长度:106
-开始解码-
JSON 解码100000次，耗时：180ms

【 ProtoBuf 开始编码 】
ProtoBuf 编码100000次,耗时：51ms
ProtoBuf 数据长度:34
-开始解码-
ProtoBuf 解码100000次,耗时：58ms

总结

编解码性能

上述栗子只是简单的采样，实际上据我的实验发现

• 次数在1千以下，ProtoBuf 的编码与解码性能，都与JSON不相上下，甚至还有比JSON差的趋势。
• 次数在2千以上，ProtoBuf的编码解码性能，都比JSON高出很多。
• 次数在10万以上，ProtoBuf的编解码性能就很明显了，远远高出JSON的性能。

内存占用

ProtoBuf的内存34，而JSON到达106 ，ProtoBuf的内存占用只有JSON的1/3.

结尾

其实这次实验有很多可待优化的地方，就算是这种粗略的测试，也能看出来ProtoBuf的优势。

兼容

新增字段

• 在proto文件中新增 nickname 字段
• 生成Java文件
• 用老proto字节数组数据，转换成对象

Id:1994, Name:XIAOLEI
手机号:100860 (HOME)
手机号:100100 (MOBILE)
getNickname=

结果，是可以转换成功。

删除字段

• 在proto文件中删除 name 字段
• 生成Java文件
• 用老proto字节数组数据，转换成对象

Id:1994, Name:null
手机号:100860 (HOME)
手机号:100100 (MOBILE)

结果，是可以转换成功。