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此文翻译自 Protocol Buffers 官方文档 Developer Guide 部分

翻译为意译，不会照本宣科的字字对照翻译
以下为原文内容翻译

开发者指南

欢迎使用 protocol buffers 的开发者文档， protocol buffers 是一种语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据的方法，它可用于通信协议、数据存储等。

这篇文档面向那些希望在自己的应用程序中使用 protocol buffers 的 Java、C++ 或 Python 开发者们。这篇概论（指南）将介绍 protocol buffers 并且告诉你迈出第一步所需要的工作－你之后可以学习具体的开发教程或更为深入的学习 protocol buffer 编码规则。同时我们为所有三种语言都提供了相应的 API 参考文档，以及编写 .proto 文件的语法和风格指南。

protocol buffers 是什么？

protocol buffers 是一种灵活，高效，自动化机制的结构数据序列化方法－可类比 XML，但是比 XML 更小、更快、更为简单。你可以定义数据的结构，然后使用特殊生成的源代码轻松的在各种数据流中使用各种语言进行编写和读取结构数据。你甚至可以更新数据结构，而不破坏根据旧数据结构编译而成并且已部署的程序。

它是如何工作的？

你可以通过在 .proto 文件中定义 protocol buffer message 类型，来指定你想如何对序列化信息进行结构化。每一个 protocol buffer message 是一个信息的小逻辑记录，包含了一系列的 name-value 对。这里有一个非常基础的 .proto 文件样例，它定义了一个包含 "person" 相关信息的 message：

message Person {
  required string name = 1;
  required int32 id = 2;
  optional string email = 3;

  enum PhoneType {
    MOBILE = 0;
    HOME = 1;
    WORK = 2;
  }

  message PhoneNumber {
    required string number = 1;
    optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
  }

  repeated PhoneNumber phone = 4;
}

正如你所见，message 格式很简单 - 每种 message 类型都有一个或多个具有唯一编号的字段，每个字段都有一个名称和一个值类型，其中值类型可以是数字（整数或浮点数），布尔值，字符串，原始字节，甚至（如上例所示）其它 protocol buffer message 类型，这意味着允许你分层次地构建数据。你可以指定 optional 字段，required 字段和 repeated 字段。你可以在 Protocol Buffer 语言指南中找到有关编写 .proto 文件的更多信息。

译者注：
proto3 已舍弃 required 字段，optional 字段也无法显示使用（因为缺省默认就设置为 optional）

一旦定义了 messages，就可以在 .proto 文件上运行 protocol buffer 编译器来生成指定语言的数据访问类。这些类为每个字段提供了简单的访问器（如 name()和 set_name()），以及将整个结构序列化为原始字节和解析原始字节的方法 - 例如，如果你选择的语言是 C++，则运行编译器上面的例子将生成一个名为 Person 的类。然后，你可以在应用程序中使用此类来填充，序列化和检索 Person 的 messages。于是你可以写一些这样的代码：

Person person;
person.set_name("John Doe");
person.set_id(1234);
person.set_email("[email protected]");
fstream output("myfile", ios::out | ios::binary);
person.SerializeToOstream(&output);

之后，你可以重新读取解析你的 message

fstream input("myfile", ios::in | ios::binary);
Person person;
person.ParseFromIstream(&input);
cout << "Name: " << person.name() << endl;
cout << "E-mail: " << person.email() << endl;

你可以在 message 格式中添加新字段，而不会破坏向后兼容性;旧的二进制文件在解析时只是忽略新字段。因此，如果你的通信协议使用 protocol buffers 作为其数据格式，则可以扩展协议而无需担心破坏现有代码。
你可以在 API 参考部分中找到使用生成的 protocol buffer 代码的完整参考，你可以在协议缓冲区编码中找到更多关于如何对 protocol buffer messages 进行编码的信息。

为什么不使用 XML?

对于序列化结构数据，protocol buffers 比 XML 更具优势。Protocol buffers：

更简单
小 3 ~ 10 倍
快 20 ~ 100 倍
更加清晰明确
自动生成更易于以编程方式使用的数据访问类

例如，假设你想要为具有姓名和电子邮件的人建模。在XML中，你需要：

<person>
    <name>John Doe</name>
    <email>[email protected]</email>
</person>

而相对应的 protocol buffer message（参见 protocol buffer 文本格式）是：

# Textual representation of a protocol buffer.
# This is *not* the binary format used on the wire.
person {
  name: "John Doe"
  email: "[email protected]"
}

当此消息被编码为 protocol buffer 二进制格式时（上面的文本格式只是为了调试和编辑的方便而用人类可读的形式表示），它可能是 28 个字节长，需要大约 100-200 纳秒来解析。如果删除空格，XML版本至少为 69 个字节，并且需要大约 5,000-10,000 纳秒才能解析。
此外，比起 XML，操作 protocol buffer 更为容易：

cout << "Name: " << person.name() << endl;
cout << "E-mail: " << person.email() << endl;

而使用 XML，你必须执行以下操作：

cout << "Name: "
     << person.getElementsByTagName("name")->item(0)->innerText()
     << endl;
cout << "E-mail: "
     << person.getElementsByTagName("email")->item(0)->innerText()
     << endl;

但是，protocol buffers 并不总是比 XML 更好的解决方案 - 例如，protocol buffers 不是使用标记（例如 HTML）对基于文本的文档建模的好方法，因为你无法轻松地将结构与文本交错。此外，XML 是人类可读的和人类可编辑的;protocol buffers，至少它们的原生格式，并不具有这样的特点。XML 在某种程度上也是自我描述的。只有拥有 message 定义（.proto文件）时，protocol buffer 才有意义。

介绍 proto3

我们最新的版本3 release ，它引入了新的语言版本 - Protocol Buffers 语言版本3（又称 proto3），并且添加了现有语言版本（又称 proto2）的一些新功能。Proto3 简化了 Protocol Buffers 语言，既易于使用，又可以在更广泛的编程语言中使用：这个版本允许你使用 Java，C ++，Python，Java Lite，Ruby，JavaScript，Objective-C 和 C# 生成 protocol buffer 代码。此外，你可以使用最新的 Go protoc 插件为 Go 生成 proto3 代码，该插件可从 github 库 golang/protobuf 获得。更多语言正在筹备中。

请注意，两种语言版本的 API 不完全兼容。为避免给现有用户带来不便，我们将继续在新版本的 protocol buffers 中支持以前的语言版本。

你可以在发行说明中看到与当前默认版本的主要差异，并在 Proto3 语法指引中了解proto3 语法）。proto3 的完整文档即将推出!

（如果名称 proto2 和 proto3 看起来有点令人困惑，那是因为当我们最初开源 protocol buffers 时，它实际上是 Google 的第二个语言版本 - 也称为 proto2。这也是为什么我们的开源版本从 v2.0.0 开始）。

一点点历史

Protocol buffers 最初是在 Google 开发的，用于处理索引服务器请求/响应协议。在 protocol buffer 之前，有一种请求和响应的格式，它手动进行编组/解组，并支持许多版本的协议。这导致了一些非常丑陋的代码，例如：

 if (version == 3) {
   ...
 } else if (version > 4) {
   if (version == 5) {
     ...
   }
   ...
 }

明确格式化的协议也使新协议版本的推出变得复杂，因为开发人员必须确保请求的发起者和处理请求的实际服务器之间的所有服务器都能理解新协议，然后才能切换开关以开始使用新协议。

协议缓冲区旨在解决这些问题：

可以轻松引入新字段，中间服务器不需要检查数据，可以简单地解析它并传递数据而无需了解所有字段。
格式更具自我描述性，可以用各种语言处理（C ++，Java 等）

但是，用户仍然需要手写自己的解析代码。

随着系统的发展，它获得了许多其他功能和用途：

自动生成的序列化和反序列化代码避免了手动解析的需要。
除了用于短期 RPC（远程过程调用）请求之外，人们还开始使用 protocol buffers 作为一种方便的自描述格式，用于持久存储数据（例如在 Bigtable 中）。
服务器 RPC 接口开始被声明为协议文件的一部分，protocol 编译器生成存根类，用户可以使用服务器接口的实际实现来覆盖这些类。

Protocol buffers 现在是 Google 的数据通用语言 - 在撰写本文时，Google 代码树中有 12183 个 .proto 文件，其中一共定义了 48162 种不同的 message 类型。它们既可用于 RPC 系统，也可用于各种存储系统中的数据持久存储。

ProtoBuf 官方文档（一）- 开发者指南