Protoc Buffer 优化传输大小的一个细节

Java基础

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2019-8-20

Protoc Buffer 是我们比较常用的序列化框架,Protocol Buffer 序列化后的占空间小,传输高效,可以在不同编程语言以及平台之间传输。今天这篇文章主要介绍 Protocol Buffer 使用 VarInt32 减少序列化后的数据大小。

VarInt32 编码

 VarInt32 (vary int 32),即:长度可变的 32 为整型类型。一般来说,int 类型的长度固定为 32 字节。但 VarInt32 类型的数据长度是不固定的,VarInt32 中每个字节的最高位有特殊的含义。如果最高位为 1 代表下一个字节也是该数字的一部分。因此,表示一个整型数字最少用 1 个字节,最多用 5 个字节表示。如果某个系统中大部分数字需要 >= 4 字节才能表示,那其实并不适合用 VarInt32 来编码。下面以一个例子解释 VarInt32 的编码方式:

以 129 为例,它的二进制为 1000 0001 。
由于每个字节最高位用于特殊标记,因此只能有 7 位存储数据。
第一个字节存储最后 7 位 (000 0001),但并没有存下所有的比特,因此最高位置位 1,剩下的部分用后续字节表示。所以,第一个字节为:1000 0001
第二个字节只存储一个比特位即可,因此最高位为 0 ,所以,第二个字节为:0000 0001
这样,我们就不必用 4 字节的整型存储 129 ,可以节省存储空间

在 Protoc buffer 中,每一个 ProtoBuf 对象都有一个方法 public void writeDelimitedTo(final OutputStream output),该方法将 ProtoBuf 对象序列化后的长度以及序列化数据本身写入到输出流 output 中。多个对象调用该方法可以将序列化后的数据写入到同一个输出流。由于每次写入都有长度,所以反序列化时先解析长度,在读取对应长度的字节数据,即可解析出每个对象。该方法中对序列化后长度的编码便使用 VarInt32,因为一个 Protobuf 对象序列化后的长度不会太大,因此使用 VarInt32 编码能够有效的节省存储空间。接下来我们看下 Protoc Buffer 中如何实现 VarInt32 编码,跟进 writeDelimitedTo 方法,可以看到 VarInt32 编码的源码如下:

  /**
   * Encode and write a varint.  {@code value} is treated as
   * unsigned, so it won't be sign-extended if negative.
   */
  public void writeRawVarint32(int value) throws IOException {
    while (true) {
      if ((value & ~0x7F) == 0) {//代表只有低7位有值,因此只需1个字节即可完成编码
        writeRawByte(value);
        return;
      } else {
        writeRawByte((value & 0x7F) | 0x80);//代表编码不止一个字节,value & 0x7f 只取低 7 位,与 0x80 进行按位或(|)运算为了将最高位置位 1 ,代表后续字节也是改数字的一部分
        value >>>= 7;
      }
    }
  }

该方法对 int 类型的值进行 VarInt32 编码,可以验证最多 5 个字节即可完成编码。

VarInt32 解码

 理解了编码后,解码就没什么可说的了。就是从输入字节流中,读取一个字节判断最高位,将真实数据位拼接成最终的数字即可。Hadoop RPC 中使用了 Protoc Buffer 作为数据序列化框架。其中,Hadoop 针对 writeDelimitedTo 方法实现了对 VarInt32 的解码。源码如下:

/**
   * Read a variable length integer in the same format that ProtoBufs encodes.
   * @param in the input stream to read from
   * @return the integer
   * @throws IOException if it is malformed or EOF.
   */
  public static int readRawVarint32(DataInput in) throws IOException {
    byte tmp = in.readByte();
    if (tmp >= 0) {// tmp >= 0 代表最高位是 0 ,否则 tmp < 0 代表最高位是 1 ,需要继续往下读
      return tmp;
    }
    int result = tmp & 0x7f;
    if ((tmp = in.readByte()) >= 0) {
      result |= tmp << 7;
    } else {
      result |= (tmp & 0x7f) << 7;
      if ((tmp = in.readByte()) >= 0) {
        result |= tmp << 14;
      } else {
        result |= (tmp & 0x7f) << 14;
        if ((tmp = in.readByte()) >= 0) {
          result |= tmp << 21;
        } else {
          result |= (tmp & 0x7f) << 21;
          result |= (tmp = in.readByte()) << 28;
          if (tmp < 0) {//我们说 VarInt32 最多 5 个字节表示,当程序执行到这里,tmp < 0,说明,编码格式有问题// Discard upper 32 bits.
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
              if (in.readByte() >= 0) {
                return result;
              }
            }
            throw new IOException("Malformed varint");
          }
        }
      }
    }
    return result;
  }

在 Hadoop 源码中并没有使用循环去解码,而是使用多个 if 条件判断,根据 tmp 的正负号来判断最高位是否是 1。如果读取的该数字用了 5 个字节编码,当读到了第 5 个字节,理论上 tmp 应该大于 0 。但是如果 tmp 小于 0 ,说明编码格式有问题。在 Hadoop 源码中程序会继续往下读,最多再向下读 5 个字节且丢掉最高位仍然 < 0 的字节。如果在该过程某个字节最高位为 0 ,便停止读取直接返回。这个处理逻辑在其他框架源码中也有出现。

看完 Hadoop 的源码,我们在看看 Protoc Buffer 自己提供的解析源码:

  /**
   * Like {@link #readRawVarint32(InputStream)}, but expects that the caller
   * has already read one byte.  This allows the caller to determine if EOF
   * has been reached before attempting to read.
   */
  public static int readRawVarint32(
      final int firstByte, final InputStream input) throws IOException {
    if ((firstByte & 0x80) == 0) {
      return firstByte;
    }

    int result = firstByte & 0x7f;
    int offset = 7;
    for (; offset < 32; offset += 7) {
      final int b = input.read();
      if (b == -1) {
        throw InvalidProtocolBufferException.truncatedMessage();
      }
      result |= (b & 0x7f) << offset;
      if ((b & 0x80) == 0) {
        return result;
      }
    }
    // Keep reading up to 64 bits.
    for (; offset < 64; offset += 7) {
      final int b = input.read();
      if (b == -1) {
        throw InvalidProtocolBufferException.truncatedMessage();
      }
      if ((b & 0x80) == 0) {
        return result;
      }
    }
    throw InvalidProtocolBufferException.malformedVarint();
  }

可以看到 Protoc Buffer 自己提供的解码方式与 Hadoop 是一样的,包括遇到错误的编码时候的异常处理方式也是一样的。

小结

本篇文章主要介绍了 VarInt32 编解码,VarInt32 表示一个整型数字最少用 1 个字节, 最多用 5 个字节。所以在传输数字大部分都比较小的场景下适合使用。当然,我们也可以用 VarInt64 来表示长整型的数字。 在介绍 VarInt32 的同时我们也看到了 ProtoBuf 和 Hadoop 这样的框架在传输数据的优化上不放过任何一个细节,值得我们学习。

公众号「渡码」

作者:渡码