使用 Protocol Buffers 代替 JSON 的五个原因

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在Ruby和Rails开发者中，面向服务(Service-Oriented)架构有一个当之无愧的名声，它是一个缓解程序规模恶性增长的一个强有力的途径，可在大量应用程序中提取关注点。这些新生小巧的服务通常继续使用Rails或Sinatra,并使用JSON在HTTP上通信。尽管JSON作为一个数据相互交换格式，有很多优点：人类可读、可理解，并通常表现出色。

浏览器和JS并不直接处理数据--尤其是遇到内部服务时。我的观点是，结构化格式，例如谷歌的Protocol Buffers，是一个比JSON在编码方面更好的选择。如果你从来没有使用过Protocol Buffers，你可以参看这里。不要担心，在说明为什么要选择Protocol Buffers而不是JSON之前，本文会简介如何使用在Ruby上使用它。

Protocal Buffers的简短介绍

首先，什么是Protocol Buffers？文档中说：

“Protocol Buffers是一种以有效并可扩展的格式编码结构化数据的方式。”

Google开发了Protocol Buffers使用于内部的服务。它是一种二进制格式允许你使用规范的语言定义一个模式，例如：

message Person {

required int32 id = 1;

required string name = 2;

optional string email = 3;

}

你能在命名空间中封装他们或者用上面的方式在顶层声明他们。这个片段定义了Person数据类型的模式，有三个字段：id, name和email。除了命名字段，你能提供一个类型决定数据怎样编码和在线上发送，在上面我们看到有int32类型和string类型。还提供了关键字进行验证和结构化（required 和optional ）。字段被编号，这有助于向后兼容，我将在以后详细的介绍。

Protocol Buffers规范已被多种语言实现：Java,C,Go等。如果你四处找找最现代的语言都有实现的方式。Ruby也不例外，有几个不同的Gems使用Protocol Buffers编码和解码数据。这就意味着，这个规范可以在不同语言实现的系统间传递数据。

例如，Ruby Gem安装被称为ruby-protoc的二进制可以和主Protocol Buffers库组合使用（在OSX中brew install protobuf），自动的产生桩类文件用于编码和解码数据。正在运行的二进制proto文件产生以下的Ruby类：

#!/usr/bin/env ruby

# Generated by the protocol buffer compiler. DO NOT EDIT!

require 'protocol_buffers'

# forward declarations

class Person < ::ProtocolBuffers::Message; end

class Person < ::ProtocolBuffers::Message

set_fully_qualified_name "Person"

required :int32, :id, 1

required :string, :name, 2

optional :string, :email, 3

end

正如你所见，通过支持这种模式（Protocol Buffer格式），用来编码和解码信息，我们就能自动得到一个类（查看代码ProtocolBuffers::Message的基类在Gem中有更多细节的介绍）。我们已经看到了一些信息，那么就让我们再来仔细看看这些特征点，让我尝试说服你考虑Protocol Buffers——这里有5个理由。

原因 #1: 模式本身很不错

有一种痛苦的讽刺指向一个事实，我们小心谨慎地在我们的数据库里面编写数据模型，维护各个层次的代码，保持这些数据模型处于控制之中，当我们想要发送数据连接到另一个服务的时候，要求所有的疑虑都要被考虑到。然而，我们往往依靠的是在边界上与我们的系统之间不一致的代码，我们的系统不能强制结构化我们的数据组件，这是如此的重要，编码的语义是你曾经的业务对象，在proto格式中，它足以帮助并保证应用程序之间的信号不会丢失，而界限就在你所创建并执行的业务规则。

原因 #2: 无偿地向后兼容

被编号的字段在proto的定义中排除了所需的版本检查，这是其中一个被明确表述的动机（为什么这样设计和实现Protocol Buffers）。如同开发者文档中声明的那样，协议被设计成能在一定程度上避免出现像下面这样的“丑陋的代码”，下面的代码用来检测协议的版本:

if (version == 3) {

...

} else if (version > 4) {

if (version == 5) {

...

}

...

}

同编号字段一样, 你必须改变编码习惯，朝着能向老版本维护和向后兼容的方向改变。正如在文档中的声明那样，曾经 Protocol Buffers 是这样被介绍的：

“新的字段可以很容易被引入，并且不需要中间服务去检查数据就能被解析，通过数据不必知道所有的字段。”

已经部署各种JSON的服务器已经遭受各种与发展模式以及向后兼容的相关问题。我现在深信编号字段能防止错误，并且能在新功能和服务的推出上做到简化。

原因 #3: 更少的样本代码

除了显式的版本检查和缺乏后续的兼容性，JSON终端在HTTP上的基础服务通常依赖专门的手写样板代码去处理Ruby对象的编码和解码。解析和反解析类常常包含隐藏的业务逻辑，它暴露了手动解析每个新的数据类型的缺陷，当一个类通过Protocol Buffers产生（你一般就不会再去触碰它），它能提供大量相似的方法，还避免了大量头痛的事情。随着模式的发展，你将会用proto产生类（应当承认，一旦你更新他们），你可以把更多的空间留给你所关注的挑战（保持你的应用运行和持续构建产品）。

原因 #4: 验证和可扩展性

required，optional 和 repeated关键字在Protocol Buffers中的定义是非常强大的。它们允许你去编码，在模式级别，形象化你的数据结构和去实现类怎样工作（每种编程语言处理）的细节。Ruby的protocol_buffers库将会提升异常，例如：如果一个对象实例没有填写必填的字段，你试着去对这样一个对象实例编码，就会提升异常。通过简单地编辑一个新的编号字段的值，你可以把一个字段从required变成optional或者反之亦然。有了这种灵活编码的语义序列化格式，大大增强了其功能。

因为你还可以嵌入proto，定义内部的其他成员，你也可以拥有通用的Request和Response结构，它还允许其他数据结构的传输并确保传输连接上，它为服务器间通讯实现真正的灵活性和安全的数据传输提供了机会。类似Riak的数据库系统使用Protocol Buffers有巨大的效果——因为有了一些启示，我建议重新审视那些接口。

原因#5：建议的语言互操作性

因为Protocol Buffers已经被多种语言实现，在你的架构中多语言混合的应用程序之间的互操作性变得更简单。如果你引入了一个新的服务在JAVA或者GO中，甚至和用Node或者Clojure或者Scala实现的后端通讯，你只需简单的把proto文件交给目标语言编写的代码生成器，你将在这些架构之间获得较好的安全和互操作性。平台特定数据类型的细节被目标语言处理，你将更多的关注你的问题的困难部分，而不是匹配字段和数据类型在JSON的编码和解码方案中。

什么时候更适合使用JSON?

有些时候JSON比Protocol Buffers更适合，包括如下的场景：

你需要或者想让数据对人是可读的
来自于服务的数据是直接发送到web浏览器
你的服务端应用程序是用javaScript编写的
你不准备把数据模型绑定到模式上
你没有带宽添加另外一个工具到你的军火库
运行不同类型的网络服务的运营负担过大

可能还有更多的情况。最后，总之，这是很重要的在心里权衡和不要盲目的选择一项技术

结论

Protocol Buffers提供了几种相对JSON在内部服务之间在线传输数据的引人注目的优势。并没有完全的替换JSON，特别是服务和web浏览器直接通讯的情况，Protocol Buffers提供了真正的优势不仅在上面概述的方法，也编解码的速度和数据大小上有更多的优势。

你可以从你的应用程序中提取出哪些服务？如果你今天不得不做出选择，你会选择JSON还是Protocol Buffers？让我们讨论讨论-我们愿意在下面的评论中听到更多关于你在使用JSON和Protocol Buffers上的经验。