模仿protobuf的对象序列化系统

下面都用C#语言举例。其他语言可以参考。 protobuf的优势以及缺点protocolbuffer(以下简称PB)是google 的一种数据交换的格式，它独立于语言，独立于平台。源代码开源。优点1. 速度快，数据小。相同的对象，使用PB比其他类似json，xml等，数据量更小。2. 兼容性。PB格式有前向与后向兼容性。数据存储之后，如果数据协议更改了，老

是梦是醒

956人浏览 · 2017-05-02 19:24:19

是梦是醒 · 2017-05-02 19:24:19 发布

下面都用C#语言举例。其他语言可以参考。

protobuf的优势以及缺点

protocolbuffer(以下简称PB)是google 的一种数据交换的格式，它独立于语言，独立于平台。源代码开源。

优点

1. 速度快，数据小。相同的对象，使用PB比其他类似json，xml等，数据量更小。

2. 兼容性。PB格式有前向与后向兼容性。数据存储之后，如果数据协议更改了，老的数据依然可以读取。而老的协议，也可以读取新的协议产生的数据。这一点上，json与xml都可以达到目的，而二进制格式就不行了。但是二进制格式序列化速度更快，数据更小。但是兼容性差很致命。protobuf就相当于二进制格式的改进版。解决了二进制格式兼容性问题。

缺点

目前来看，protobuf能满足大多数需求，但是某些情况下，protobuf不能满足需求。

1.继承类。

2.循环引用。

这两点都是protobuf不能完成的。

设计的目标：

接近protobuf的性能，同时弥补不足。

设计实现：

1.Tag,WireType

这两个字段标记都与protobuf的功能类似。但是，会有一点更改。

1.Tag标记除了在字段上标记，同时需要在类上标记，因为类也需要一个Tag，一个类与其所有父类的Tag必须不同。这样在反序列化的时候，可以直到一个Field所属哪个类。

2. WireType表示数据类型。设计WireType的宗旨是，获取WireType就知道后面数据的长度。

这里命名为TypeIndex

public enum TypeIndex

{

None, //错误的类型

List, //数组

Object, //对象，包含子对象。

RefObject, //引用对象

Map, //Dictionary

//Variant,

String, //字符串

Fixed8, //8位数值

Fixed32, //32位数值

Fixed64, //64位数值

Custom //自定义数据

}

看一下SkillField方法，从这里可以看出每个WireType的格式。

object SkipField()

{

TypeIndex typeIndex;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out typeIndex);

switch (typeIndex)

{

case TypeIndex.Fixed32:

ms.Position += 4;

break;

case TypeIndex.Fixed64:

ms.Position += 8;

break;

case TypeIndex.Fixed8:

ms.Position += 1;

break;

case TypeIndex.RefObject:

DeserializeRefObject();

break;

case TypeIndex.String:

ReadString();

break;

case TypeIndex.List:

{

int count = reader.ReadInt32();

for (int i = 0; i < count; i++)

{

SkipField();

}

break;

case TypeIndex.Map:

{

int count = reader.ReadInt32();

for (int i = 0; i < count; i++)

{

SkipField();

}

break;

case TypeIndex.Object:

{

int count = reader.ReadInt32();

for (int i = 0; i < count; i++)

{

SkipField();

}

break;

case TypeIndex.Custom:

{

int size = reader.ReadInt32();

ms.Position += size;

}

break;

}

return null;

}

序列化子类的方法：

一个对象，从基类开始到当前对象的真实类结束，依次序列化每个类的数据。

也同时把类的类型，当最自定义字段（Custom），写入到对象数据中。这样在反序列化这个类的时候，就可以反序列化类的运行时类型。

序列化循环引用的方法：

保持一个已经序列化的对象的列表，如果当前正在序列化的对象已经被序列化过了，则此对象当做一个引用类型（RefObject）进行序列化，写入对象在列表的索引。返序列化的时候，这个索引就可以获取真实对象。

关键代码：

(序列化)

protected virtual void SerializeObject(object value, TagType tag)

{

//null值

if(value == null)

{

WriteFieldHeader(TypeIndex.Object, tag);

writer.Write(-1);

return;

}

//引用类型值

if (IsReferenceType(value.GetType()))

{

if (AsReference(value) || Objects.Contains(value))

{

WriteFieldHeader(TypeIndex.RefObject, tag);

SerializeRefObject(value);

return;

}

//添加此引用

Objects.Add(value);

}

List<Type> Types = new List<Type>();

List<TagType> Tags = new List<TagType>();

Type baseType = value.GetType();

while(baseType!=null)

{

ContractAttribute ca = CompatibleAPI.GetCustomAttribute<ContractAttribute>(baseType);

if(ca!=null)

{

Types.Add(baseType);

Tags.Add(ca.Tag);

baseType = baseType.BaseType;

}

else

{

break;

}

if(Types.Count == 0)

{

throw new Exception(string.Format("要序列化的类型 {0} 没有标记序列化属性Contract", value.GetType().Name));

}

WriteFieldHeader(TypeIndex.Object, tag);

writer.Write(Types.Count+2); //多二个域写入类型

//对象类型

WriteFieldHeader(TypeIndex.Custom, object_type_tag);

SaveType(value.GetType());

//自定义数据

WriteFieldHeader(TypeIndex.Custom, object_custom_tag);

WriteObjectCustomData(value);

for (int i=0;i<Types.Count;i++)

{

SerializeObjectTyped(value, Tags[i], Types[i]);

}

void SerializeObjectTyped(object value, TagType tag,Type type)

{

Dictionary<TagType, FieldInfo> fieldDic = new Dictionary<TagType, FieldInfo>();

FieldInfo[] fi = type.GetFields(System.Reflection.BindingFlags.Instance | System.Reflection.BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic);

foreach (var v in fi)

{

if(v.DeclaringType == type)

{

MemberAttribute attr = CompatibleAPI.GetCustomAttribute<MemberAttribute>(v);

if (attr != null && IsSupportedField(v,attr))

{

fieldDic.Add(attr.Tag, v);

}

WriteFieldHeader(TypeIndex.Object, tag);

writer.Write(fieldDic.Count);

foreach (var v in fieldDic)

{

SerializeCore(v.Value.GetValue(value), v.Value.FieldType, v.Key);

}

//value type 不能同时为null

void SerializeCore(object value,Type type, TagType tag)

{

if(value!=null)

{

type = value.GetType();

}

if(type == null)

{

throw new ArgumentException("type == null");

}

TypeCode tc = Type.GetTypeCode(type);

TypeIndex ti = GetWireTypeIndex(type);

if (type.IsEnum)

{

//int32

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((int)value);

return;

}

switch (tc)

{

case TypeCode.Boolean:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((byte)(((bool)value)?1:0));

break;

case TypeCode.Byte:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((byte)value);

break;

case TypeCode.SByte:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((sbyte)value);

break;

case TypeCode.Char:

case TypeCode.Int16:

case TypeCode.UInt16:

case TypeCode.Int32:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((Int32)value);

break;

case TypeCode.UInt32:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((UInt32)value);

break;

case TypeCode.Int64:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((Int64)value);

break;

case TypeCode.UInt64:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((UInt64)value);

break;

case TypeCode.Double:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((double)value);

break;

case TypeCode.Single:

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((float)value);

break;

case TypeCode.String:

WriteFieldHeader(ti, tag);

WriteString((string)value);

break;

case TypeCode.Object:

{

if (type.IsGenericType)

{

if (type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(List<>) || type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(LinkedList<>))

{

WriteFieldHeader(ti, tag);

if (value == null)

{

writer.Write((int)-1);

}

else

{

int count = (int)value.GetType().GetProperty("Count").GetValue(value, null);

Type elementType = value.GetType().GetGenericArguments()[0];

writer.Write(count);

System.Collections.IEnumerable enumerable = value as System.Collections.IEnumerable;

foreach (object o in enumerable)

{

SerializeCore(o, elementType,tag);

}

else if (type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(Dictionary<,>) || type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(SortedDictionary<,>))

{

WriteFieldHeader(ti, tag);

if (value != null)

{

int count = (int)value.GetType().GetProperty("Count").GetValue(value, null);

Type elementKeyType = value.GetType().GetGenericArguments()[0];

Type elementValueType = value.GetType().GetGenericArguments()[1];

writer.Write(count);

System.Collections.IEnumerable enumerable = value as System.Collections.IEnumerable;

foreach (object o in enumerable)

{

var itemKey = o.GetType().GetProperty("Key").GetValue(o, null);

var itemValue = o.GetType().GetProperty("Value").GetValue(o, null);

SerializeCore(itemKey, elementKeyType,1);

SerializeCore(itemValue,elementValueType, 2);

}

else

{

writer.Write(-1);

}

else if (type.IsArray)

{

WriteFieldHeader(ti, tag);

if (value==null)

{

writer.Write((int)-1);

}

else

{

Array array = (Array)value;

writer.Write(array.Length);

//Core.Logger.LogInfo("save array:" + array.Length);

for (int i = 0; i < array.Length; i++)

SerializeCore(array.GetValue(i), type.GetElementType(),tag);

}

else if (type.IsEnum)

{

//int32

WriteFieldHeader(ti, tag);

writer.Write((int)value);

}

else if ((type.IsValueType && !type.IsPrimitive) || type.IsClass)

{

SerializeObject(value, tag);

}

break;

default:

break;

}

(反序列化)

protected virtual object DeserializeObject(object value, Type type, TagType tag)

{

TypeIndex obj_ti;

TagType obj_tag;

ReadFieldHeader(out obj_tag, out obj_ti);

//引用对象

Asset(TypeIndex.RefObject == obj_ti || TypeIndex.Object == obj_ti);

if (obj_ti == TypeIndex.RefObject)

{

return DeserializeRefObject();

}

int count = reader.ReadInt32();

if(count == -1)

{

return null;

}

if(count == 0)

{

throw new Exception(string.Format("{0} 对象序列化格式错误 count==0 缺失类型", value.GetType().Name));

}

//类型

{

TypeIndex field_ti;

TagType field_tag;

ReadFieldHeader(out field_tag, out field_ti);

Asset(field_ti == TypeIndex.Custom);

type = ReadType(type);

}

//自定义数据

{

TypeIndex field_ti;

TagType field_tag;

ReadFieldHeader(out field_tag, out field_ti);

Asset(field_ti == TypeIndex.Custom);

ReadObjectCustomData(ref value,type,tag);

}

if (value == null)

{

value = Activator.CreateInstance(type);

}

//对象保存

if(IsReferenceType(type))

Objects.Add(value);

Dictionary<int,Type> Types = new Dictionary<int, Type>();

Type baseType = value.GetType();

while (baseType != null)

{

ContractAttribute ca = CompatibleAPI.GetCustomAttribute<ContractAttribute>(baseType);

if (ca != null)

{

Types.Add(ca.Tag,baseType);

baseType = baseType.BaseType;

}

else

{

break;

}

if (Types.Count == 0)

{

throw new Exception(string.Format("要序列化的类型 {0} 没有标记序列化属性Contract", value.GetType().Name));

}

for (int i=0;i<count-2;i++)

{

TypeIndex field_ti;

TagType field_tag;

LookFieldHeader(out field_tag, out field_ti);

if(Types.ContainsKey(field_tag))

{

DeserializeObjectTyped(value, Types[field_tag], field_tag);

}

else

{

SkipField();

}

return value;

}

object DeserializeObjectTyped(object obj, Type type, int tag)

{

TypeIndex obj_ti;

TagType obj_tag;

ReadFieldHeader(out obj_tag, out obj_ti);

int count = reader.ReadInt32();

Dictionary<int, FieldInfo> fieldDic = new Dictionary<int, FieldInfo>();

FieldInfo[] fi = type.GetFields(System.Reflection.BindingFlags.Instance | System.Reflection.BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic);

foreach (var v in fi)

{

if(v.DeclaringType == type)

{

MemberAttribute attr = CompatibleAPI.GetCustomAttribute<MemberAttribute>(v);

if (attr != null && IsSupportedField(v, attr))

{

fieldDic.Add(attr.Tag, v);

}

for (int i = 0; i < count; i++)

{

TypeIndex field_ti;

TagType field_tag;

LookFieldHeader(out field_tag, out field_ti);

FieldInfo fieldInfo = null;

if (fieldDic.TryGetValue(field_tag, out fieldInfo))

{

fieldInfo.SetValue(obj, DeserializeCore(fieldInfo.FieldType, field_tag));

}

else

{

SkipField();

}

return obj;

}

void Asset(bool trueValue)

{

if(!trueValue)

{

throw new ArgumentException("Asset");

}

object DeserializeCore(Type type, TagType fieldNumber)

{

TypeCode tc = Type.GetTypeCode(type);

if (type.IsEnum)

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

int v = reader.ReadInt32();

return Enum.Parse(type, v.ToString());

}

switch (tc)

{

case TypeCode.Boolean:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadByte()!=0?true:false;

}

case TypeCode.Byte:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadByte();

}

case TypeCode.SByte:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadSByte();

}

case TypeCode.Char:

case TypeCode.Int16:

case TypeCode.UInt16:

case TypeCode.Int32:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return Convert.ChangeType( reader.ReadInt32(),type);

}

case TypeCode.UInt32:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadUInt32();

}

case TypeCode.Int64:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadInt64();

}

case TypeCode.UInt64:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadUInt64();

}

case TypeCode.Double:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadDouble();

}

case TypeCode.Single:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return reader.ReadSingle();

}

case TypeCode.String:

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return ReadString();

}

case TypeCode.Object:

{

if (type.IsGenericType)

{

if (type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(List<>) || type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(LinkedList<>))

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

int count = reader.ReadInt32();

if (count == -1)

return null;

Type elementType = type.GetGenericArguments()[0];

MethodInfo method = null;

if (type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(List<>))

method = type.GetMethod("Add", new Type[] { elementType });

else

method = type.GetMethod("AddLast", new Type[] { elementType });

object f = Activator.CreateInstance(type);

for (int i = 0; i < count; i++)

{

object v = DeserializeCore(elementType, tag);

method.Invoke(f, new object[] { v });

}

return f;

}

else if (type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(Dictionary<,>) || type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(SortedDictionary<,>))

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

int count = reader.ReadInt32();

if (count == -1)

return null;

object f = Activator.CreateInstance(type);

Type elementKeyType = f.GetType().GetGenericArguments()[0];

Type elementValueType = f.GetType().GetGenericArguments()[1];

for (int i = 0; i < count; i++)

{

object key = DeserializeCore(elementKeyType, 1);

object value = DeserializeCore(elementValueType, 2);

f.GetType().GetMethod("Add").Invoke(f, new object[] { key, value });

}

return f;

}

else if (type.IsArray)

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

int count = reader.ReadInt32();

if (count == -1)

return null;

Type elementType = type.GetElementType();

Array v = Array.CreateInstance(elementType, count);

//Core.Logger.LogInfo("read array:" + count);

for (int i=0;i<count;i++)

{

v.SetValue(DeserializeCore(elementType,tag), i);

}

return v;

}

else if (type.IsEnum)

{

TypeIndex ti;

TagType tag;

ReadFieldHeader(out tag, out ti);

Asset(GetWireTypeIndex(type) == ti);

return Convert.ChangeType( reader.ReadInt32(),type);

}

else if ((type.IsValueType && !type.IsPrimitive) || type.IsClass)

{

return DeserializeObject(null, type, fieldNumber);

}

break;

default:

break;

}

return SkipField();

}

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