Protobuf简单类型直接反序列化方法

我有一个想法,有一个能够进行跨平台的高性能数据协议规范,能够让数据在两个不同的程序之间进行读取,最好能够支持直接将object序列化,那就完美了。

目标

  1. 支持任意Object序列化
  2. 支持从类似System.String的字符串中获取类的信息并进行反序列化
  3. 支持简单对象的直接序列化与反序列化

方案

Xml序列化

说到序列化,.NET自带的XML序列化就很好用了,无奈有很多类型不支持,典型的比如Dictionary<>,而且这个东西虽然强大,但是xml的标签机制导致多余的内容比较多,空间占用会比较大。

Binary序列化

支持任意object序列化,.NET还提供了BinaryFormatter

// code from https://stackoverflow.com/questions/7442164/c-sharp-and-net-how-to-serialize-a-structure-into-a-byte-array-using-binary
MyObject obj = new MyObject();
byte[] bytes;
IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
using (MemoryStream stream = new MemoryStream())
{
   formatter.Serialize(stream, obj);
   bytes = stream.ToArray();
}

这种方式支持任意的object进行序列化,不过有一个问题,它和Type模型严格绑定,只支持同一个程序集版本的消息交互,也不支持其他语言编写的程序。
我之前用过这种方式,用于单个程序内的数据快速保存与读取。这种情况下,只是单纯在为了保存object的状态,操作非常便捷,我认为非常合适。

Protobuf

这个东西就是grpc中的数据格式,可以跨平台,支持多种语言,数据是二进制的,压缩率也很高。好吧,就是它了。

如果要在.NET中使用Protobuf协议,经常用的两个类库,一个是Google.Protobuf,另外一个是protobuf.net。详细的区别我就不赘述了,有一篇文章有多个对比。由于我比较喜欢直接使用C#的类型系统,所以我还是听从文章建议,直接使用protobuf.net了。

protobuf-net

对于通信双方都是.NET程序的情况下,使用protobuf不需要直接编写proto文件,可以直接共享数据类的引用。如果是需要与非.NET程序进行通信的话,也可以通过工具生成,直接从proto中读取信息并生成类。回顾一下目标,一条条处理。

  1. 支持任意对象的序列化

protobuf通过定义实体类来进行序列化,所以也是支持任意对象的。这里我就不再详细说明了,可以在官网查看详细使用方法。

  1. 支持从类似System.String的字符串中获取类的信息并进行反序列化

一直有一个痛点,能否从序列化后的内容中还原一般对象,就是对象类型在编译的时候未知的那种。通过保存类型的string名称,在需要反序列化的时候,通过类型名称加载类型,将内容反序列化为指定类型。这个多多少少要用到反射了吧。

static void Main(string[] args)
{
    var ps = new  List<string> { "1346dfg" , "31461sfghj", "24576sth"} ;
    var name = ps.GetType().FullName;
    using (FileStream ms = new FileStream("d:\\a.txt", FileMode.Create))
    {
        Serializer.Serialize(ms, ps);
    }
    using (FileStream ms = new FileStream("d:\\a.txt", FileMode.Open))
    {
      //data已经转换为List<string>对象,不过返回的类型还是object,可以强制转换。
        dynamic data = Serializer.Deserialize(Type.GetType(name), ms);
        Console.WriteLine(data[1]);
    }
}

这里使用到了一个Type类型的FullName属性,对于内置类型对象,假设ps的类型是String的话,那个FullNameSystem.String,返回的内容很简单。但在这个例子中,FullNameSystem.Collections.Generic.List`1[[System.String, System.Private.CoreLib, Version=5.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=7cec85d7bea7798e]],感觉一下子复杂了很多,而且要命的是,这里明确指明了CoreLib的引用,还有版本声明。如果需要在.NET Core3.1中反序列化,肯定是无法实现。

尝试解决一下,这个System.String不光在.NET 5中有,在其他.NET平台应该都可以支持,所以得想办法去掉System.String的尾巴。

可以试着对FullName下手,但是这个东西有点太长了,而且直接处理字符串我不是很喜欢;试着从Type类型下手。

var ty = Type.GetType(name);
Console.WriteLine(ty.Name);
Console.WriteLine(ty.Namespace);
Console.WriteLine(ty.GenericTypeArguments[0].Name);
Console.WriteLine(ty.GenericTypeArguments[0].Namespace);
//组合相关的代码
dynamic data = Serializer.Deserialize(Type.GetType($"{ty.Namespace}.{ty.Name}" +
    $"[{ty.GenericTypeArguments[0].Namespace}.{ty.GenericTypeArguments[0].Name}]"), ms);

Console.WriteLine(data[1]);

稍微修改一下,通过手动连接Namespace与Name属性就可以达到我们的目的了。

List`1这个代表这个泛型里面只有一个参数,我这边就硬编码了,对于其他泛型,可能有多个参数,需要进行鉴别,并调整构造Type名称的代码。

我按照这个思路,完整的代码如下:

static void Main(string[] args)
{
    var ps = new List<string> { "1346dfg", "31461sfghj", "24576sth" };
    var ty = ps.GetType();
    //保存Type名称
    var name = $"{ty.Namespace}.{ty.Name}" +
            $"[{ty.GenericTypeArguments[0].Namespace}.{ty.GenericTypeArguments[0].Name}]";
    //实际的程序不涉及文件操作,这里展示MemoryStream的用法。
    using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
    {
        Serializer.Serialize(ms, ps);
        //重置指针,从头开始读
        ms.Position = 0;
        //使用Type名称反序列化
        dynamic data = Serializer.Deserialize(Type.GetType(name), ms);
        Console.WriteLine(data[1]);
    }
}
  1. 支持简单对象的直接序列化与反序列化
    我说的简单对象,就是系统定义的泛型集合与直接有TypeCode,并且不是object的对象。补充一下,我常用的几种。

内置类型

定义在System命名空间下的类型,包括DateTime,Int32之类的,都是直接System.类型名称的形式。

注意,int和float这种是不行的,需要使用Int32和Single。

泛型集合+内置类型

泛型集合定义在System.Collections.Generic这个命名空间,所以组合起来为System.Collections.Generic.泛型名称`参数数量[System.类型名称]。举两个例子:

List<string>的是System.Collections.Generic.List`1[System.String]

Dictionary<int,string>的是System.Collections.Generic.Dictionary`2[[System.Int32],[System.String]]

内置类型数组

直接在名称后添加[]即可,形式为System.类型名称[]

补充

序列化操作不要求序列化的类型和反序列化的类型完全一致,比如说Array可以与List,IEnumerable进行互换。因此,一些单独定义的、结构比较简单的类型,可以通过内置类型进行反序列化,就没有必要在反序列化的时候加载原始的类了,简化了操作。

[ProtoContract]
public class Message
{
    [ProtoMember(1)]
    public List<string> values { get; set; }
}

static void Main(string[] args)
{
    var ps = new Message { values = new List<string> { "1346dfg", "31461sfghj", "24576sth" } };

    using (FileStream ms = new FileStream("d:\\a.txt", FileMode.Create))
    {
        Serializer.Serialize(ms, ps);
    }

    using (FileStream ms = new FileStream("d:\\a.txt", FileMode.Open))
    {
        //List<string>反序列化,而无需使用Message类。这里Message的FullName是"ConsoleApp6.Program+Message"
        dynamic data = Serializer.Deserialize(Type.GetType("System.Collections.Generic.List`1[System.String]"), ms);
        Console.WriteLine(data[1]);
    }
}

另外,对于上面的dynamic,由于编译的时候不检查,怕操作错误的同学可以进行类型转换。分享一个代码段,可能能有点帮助。

//转换对象为某一种类型
public static T ConvertTo<T>(object value)
{
    return (T)Convert.ChangeType(value, typeof(T));
}

如果是限定的几种类型,可以使用switch语句进行判断,并将对象转成T,以进行类型安全的操作。如果不是的话,推荐使用接口来定义类的通用行为,这个回答中提供了一些建议,推荐看看。

参考资料

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