Python 使用 Protocol Buffers 教學與範例

這裡介紹在 Python 使用 Protocol Buffers 格式來儲存資料的方式，以及實際應用範例。

Protocol Buffers 是一種高效率、高彈性的結構化資料序列儲存格式，其類似 XML，但更省空間、處理效率更好，而且語法也更簡單。在使用 Protocol Buffers 前，我們會先定義資料的結構規則，再使用 Protocol Buffers 的編譯器產生適用於自己專案的 API 程式碼（例如 C++ 或 Python 程式碼等），然後在程式中呼叫這個 API 來存取 Protocol Buffers 格式的資料。

以下是在 Python 程式中使用 Protocol Buffers 的流程。

Protocol 資料格式

首先建立一個 .proto 檔，定義好自己的 Protocol 資料格式：

/* 這是一個簡單的 Protocol 資料格式示範，
   若要在 .proto 檔案中加入註解，
   可使用 C/C++ 的註解語法。              */

// Protocol 資料格式版本
syntax = "proto2";

// 套件名稱
package tutorial;

// 定義資料格式
message Person {
  // 基本資料 
  required string name = 1;
  required int32 id = 2;
  optional string email = 3;

  // 列舉型別
  enum PhoneType {
    MOBILE = 0;
    HOME = 1;
    WORK = 2;
  }

  // 定義另外一個 message
  message PhoneNumber {
    required string number = 1;
    optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
  }

  // 多筆 PhoneNumber 資料
  repeated PhoneNumber phones = 4;
}

message AddressBook {
  // 多筆 Person 資料
  repeated Person people = 1;
}

.proto 檔的語法相當類似 C++ 或 Java 的類別定義。一開始以 package 所定義的套件名稱是為了避免不同專案之間產生名稱衝突，但在 Python 之中都是以目錄結構來區別套件，所以 package 在 Python 中並沒有太多作用（但是在其他程式語言中就會需要，所以還是建議要加這一行）。

在套件名稱定義之後，接著就是主要的資料格式，這裡的 message 就是打包許多資料的容器，一個 message 裡面可以包含各種的資料，例如布林值（bool）、整數（int32）、單精度浮點數（float）、雙精度浮點數（double）與字串（string），而一個 message 之中也可以包含其他的 message。

在這個例子中，我們定義一個名為 Person 的 message，其除了包含一些基本資料外，還包含多個名為 PhoneNumber 的 message，而最後又定義了一個 AddressBook 的 message，其中包含多筆 Person 的 message。

我們也可以在一個 message 當中又定義另一個 message（就像這裡的PhoneNumber 定義放在 Persion 之中）。

enum 是一種列舉型別，可限制欄位的資料只能是某些預定的值，例如這裡的 PhoneType 的值就只能是 MOBILE、HOME 或 WORK。

在定義欄位時，欄位後方所加上的 = 1 與 = 2 等編號是代表欄位的識別標籤（tag），這些標籤在二進位編碼時會被使用到，標籤 1 到 15 在編碼時會比較省空間，16 以上的標籤在儲存時會多出一個位元組（byte），通常我們會讓重複出現（repeated）的欄位使用 15 以下的標籤，而不常出現的欄位則使用 16 以上的標籤，達到最佳化的的目的。

每一個欄位都必須用以下其中一種 modifier 來標示該欄位的出現次數：

required：必要欄位，不可省略，否則資料解析時就會出錯。
optional：選擇性欄位，若省略則會以預設值作為其值。
repeated：重複性欄位，表示該欄位可重複出現任何次數，或是完全不出現。在 Protocol Buffers 資料中會保留重複出現資料的順序，就類似陣列的概念。

編譯 Protocol Buffers

建立好 .proto 檔案之後，接著就可以用 Protocol Buffers 的編譯器將 .proto 檔案編譯出可用來存取 AddressBook（以及 Persion 與 PhoneNumber）資料的 API 程式碼。

首先從 GitHub 上下載 Protocol Buffers 的編譯器，並安裝起來。若在 Ubuntu Linux 上，可直接使用 apt 安裝：

sudo apt-get install protobuf-compiler

安裝完後，編譯 .proto 檔案：

# 程式碼所在目錄
SRC_DIR=`pwd`

# 輸出目錄
DST_DIR=`pwd`

# 編譯 .proto 檔
protoc -I=$SRC_DIR --python_out=$DST_DIR $SRC_DIR/addressbook.proto

這裡我們要編譯出 Python 的 API，所以使用 --python_out 這個參數指定輸出目錄，若要輸出其他程式語言的 API，可以自行修改（例如 --cpp_out 與 --java_out）。

編譯之後，就會產生一個 addressbook_pb2.py Python 指令稿，其中就包含了存取 AddressBook 用的 API。

寫入 Protocol Buffers 資料

產生了存取 AddressBook 用的 API 之後，就可以在自己的 Python 程式中使用，以下是寫入 Protocol Buffers 資料的範例。

import addressbook_pb2
import sys

# 指定 Protocol Buffer 資料檔
my_pb_file = "my_addr_book.pb"

# 建立 AddressBook
address_book = addressbook_pb2.AddressBook()

# 增加一筆 Person 資料
person = address_book.people.add()

# 設定 Person 基本資料
person.id = 123
person.name = "G. T. Wang"
person.email = "guozhao.wang@gmail.com"

# 新增第一筆電話
phone_number = person.phones.add()
phone_number.number = "0912-345678"
phone_number.type = addressbook_pb2.Person.MOBILE

# 新增第二筆電話
phone_number = person.phones.add()
phone_number.number = "06-1234567"
phone_number.type = addressbook_pb2.Person.WORK

# 寫入 AddressBook
with open(my_pb_file, "wb") as f:
  f.write(address_book.SerializeToString())

此程式執行後，就會產生一個 my_addr_book.pb 二進位檔案，其內容就是這裡建立的 AddressBook。

讀取 Protocol Buffers 資料

以下是讀取 Protocol Buffers 資料的範例。

import addressbook_pb2
import sys

# 指定 Protocol Buffer 資料檔
my_pb_file = "my_addr_book.pb"

# 建立 AddressBook
address_book = addressbook_pb2.AddressBook()

# 寫入 AddressBook
with open(my_pb_file, "rb") as f:
  address_book.ParseFromString(f.read())

# 顯示資料
for person in address_book.people:
  print("Person ID:", person.id)
  print("  Name:", person.name)
  if person.HasField('email'):
    print("  E-mail address:", person.email)

  for phone_number in person.phones:
    if phone_number.type == addressbook_pb2.Person.MOBILE:
      print("  Mobile phone #:", phone_number.number)
    elif phone_number.type == addressbook_pb2.Person.HOME:
      print("  Home phone #:", phone_number.number)
    elif phone_number.type == addressbook_pb2.Person.WORK:
      print("  Work phone #:", phone_number.number)

此程式執行後，就可以列出上面建立好的 AddressBook 內容：

Person ID: 123
  Name: G. T. Wang
  E-mail address: guozhao.wang@gmail.com
  Mobile phone #: 0912-345678
  Work phone #: 06-1234567

參考資料：Google Developers

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