如果你有看过上一篇《游戏开发-协议设计-protobuf》，就会了解到prtobuf的what和how，那么这一篇主要分析一下why的问题，protobuf为何解析速度快，占用空间小，以及兼容性好，它是如何做到的，我们将从 占用空间，解析速度，兼容三个问题着手进行分析。

上一篇发出后也有同学留言，说直接二进制read和write比protobuf会节省空间，某种程度上他说的对，但是需要在极端条件下才成立，一般情况下protobuf 还是比二进制序列化节省空间的，具体为何，以下会详细介绍。

占用空间

一条消息数据，用protobuf序列化后的大小是json的10分之一，xml格式的20分之一，是二进制序列化的10分之一（极端情况下，会大于等于直接序列化），总体看来ProtoBuf的优势还是很明显的。那么protobuf是如何做到的，我们主要从以下4个方面进行分析。

1、数据紧凑

相对于json或者xml，protobuf没有定义标签，直接生成的二进制，令消息非常紧凑，这个和我们直接定义消息，然后顺序解析二进制数据相似。期间没有多余的数据。

一个message的信息结构如下:

每个field由一个tag和value组成，每个field之间在字节流中紧密相连，这意味着消息的信息没用冗余，保持最紧凑的样子。

2、剔除无效字段

剔除无值字段一般json和xml这种标签式结构数据在序列化的时候也会处理，同样protobuf也做了处理。我们先看一下一个常规定义的的二进制信息:

此种常规定义，可以对数据顺序写入，然后再顺序读取，也支持数据的序列化。但会带来一个问题，某些字段没有赋值的情况下，不得不传一个默认值。比如field3的值是一个int，占位4个字节。如果client的field2没有赋值，而不写入一个默认值（比如0），那么server解包就会偏移量就会出错，最终整个包的数据读不出。

protobuf 是如何解决这个问题，因为它引入了tag。

我们看下tag的组成。

tag是由:fieldNumber和wireType组成，fieldNumber定义字段的标识位，以此来处理写入和读取顺序，wireType定义字段类型，以此来定义单个field的占用字节大小。

wireType 可以支持的类型如下:

我们看下每个的field解析方式:

读取field的时候，先读取tag，然后基于tag知道value的数据类型，获取value。write也一样，单个field的写入也是先写入tag再写入value。

因为每个field都定义了tag，如若field没有赋值，编码的时候它的tag不会被写入流中，相应也不会有它的value,如此解析期间因为没有此字段的tag，可以直接无视，读取其他field。如此去除无效字段之后，可以有效的节省空间。

比如上述的常规定义的的二进制信息,在field2没有赋值的情况下，protobuf可以如此处理。

3、Varints & Zigzag

Varints

我们在上面的wireType中也看到有一种Varint类型的field定义，这是要说第三个特点。

Varint 是一种紧凑的表示数字的方法。它用一个或多个字节来表示一个数字，值越小的数字使用越少的字节数。这能减少用来表示数字的字节数。我们看下它的算法:

我们知道， int32数据类型 ，一般需要4 个 字节 来表示，采用 Varint编码之后，对于很小的 int32 类型的数字，比如小于127的，则可以用 1 个 字节 来存储，小于255的2个字节来存储，依次类推，最优占用字节的大小。当然这也有不好的一面，采用 Varint 表示法，太大的数字则需要 5 个 byte 来表示。不过一般不会所有的消息中的数字都是大数，而且大数的概率比较低，所以大多数情况下，采用 Varint 后，可以用更少的字节数来表示数字信息。

ZigZag

我们知道有符号的整型数值，因为采用的是补码，所以一个负数会比正数占用的字节多，比如-1,二进制结构是11111111 11111111 11111111 11111111,如果我们还是采用 Varint 表示一个负数，那么需要 5 个 byte。为此 protobuf 定义了 sint32 ，采用 zigzag 编码。

我们看下zigzag的算法:

Zigzag 编码用无符号数来表示有符号数字，正数和负数交错，无论正负都可以采用较少的 byte 来表示。

4、字符串

一般单个字符串的定义，需要两个部分组成：leg+value ,如下图所示：

leg 表示字符串数据的长度，value是字符串真实数据，protobuf里面这个leg 采用Varint定义，一般情况下一个字节足够了。

解析速度

解析速度快，主要归功于protobuf对message 没有动态解析，没有了动态解析的处理序列化速度自然快了。就比如xml ，获取文件之后，还需要解析标签、节点、字段，每一个都需要遍历，而protobuf不需要，直接将field装入流。

我们知道.proto文件定义了整个message的结构，但这只是一个定义的配置文件，结合compiler的使用，单个message的read和write代码已经被生成，无需再基于配置文件解析，直接操作field到二进制流里面，这个速度就好比你直接操作IO一样快，没有其他代价。

我们看下生成的message代码（还是LoginMsg）

write

read

我们看到，read的代码中tag的生成（转换为int）也已经帮你处理，所以都是基于流直接操作。

兼容性

兼容性什么意思，就是说message需要支持向上兼容，不能说单个message的升级，就会导致old message解析出错，这是我们不能忍受的，开发过程中，需求总变，谁都无法保证协议不会有变更。

比如这种场景下：message 需要增加一个字段，如若client没有升级，sever升级了，此时client 请求的message格式必定是old 格式，server 采用的new message来解析，此时会出现找不到新字段的问题，流数据错乱之后，后续的数据都会乱。

那么protobuf是如何处理？这时候fieldNumber就派上用途了，看似可又可无的设计，其实包含很大用处。

fieldNumber 为每个field定义一个编号，其一保证不重复，其二保证其在流中的位置。如若当前数据流中有某个字段，而解析方没有相关的解析代码，解析放会直接skip 吊这个field，而且读数据的position也会后移，保证后续读取不出问题。

如上，线读取tag，某个字段没有被赋值，就没有这个字段的tag，解析方不处理，如若有某个字段，而没有解析方法，就skip了，不影响消息的处理。老数据依然被获取。