【Protobuf（三）】Varints 与 Zigzag 编码

在计算机中，整数值通常有两种类型：32位以及64位，在Java中分别对应的是int和long，在C++中分别对应的是int32/uint32和int64/uint64。整型值按照二进制补码的形式存放。而且是定长的。也就是不论数值大小，类型一旦固定，占用的bit位数就是固定的。

那么protobuf协议如何序列化一个整数值？

protobuf使用Varints编码格式来编码整数，这个协议最大的特点是变长编码。怎么理解？也就是一个整数值编码后的字节数是不确定的，数值越小，占用的字节数也越少，比如127以内的数值，只需要一个字节，数值越大占用的字节数也越大。Varints编码需要征用每一个字节的最高位作为标记为，简称MSB，所以一个字节实际上只有7个bit在实际编码数据。那这个MSB位的作用是啥？是用来表示是否还需要读取下一个字节：如果是0，表示不需要，否则表示需要。这个思路有点类似utf-8编码。另外，Varints是小端序，需要将字节翻转。

看几个例子：

7 = 00000111 -> 7，可以在7个bit内表示，共占用一个1字节；

320 = 256 + 64 = 101000000（补码表示） -> 0000010 1000000（7bit分组） -> 00000010 11000000（从右向左标记MSB） -> 11000000 00000010（字节翻转） -> -64 2

所以，我们可以看到7使用了1字节，320会用了2字节。在数值较小时，还是很省空间的。

如果是要表示负数呢？

我们知道负数在补码中首位会是连续的1，也就是任意一个负数，开始都会是连续的1。这样的格式在Varints编码下会是怎样的？

举个例子：

以Java里的int类型为例，-64 = 11111111 11111111 11111111 11000000

虽然绝对值很小，但是补码整整占用了4个字节，在转为Varints编码后需要5个字节才能表示，而且不论负数的数值多大，都稳定占用5个字节。（这里说明一下，实际上在protobuff中，负数会稳定占用10个字节，也就是会按照long来编码，这里为了简化，暂且以5个字节来说明。至于为啥是10个字节，是因为如果将int32改为了int64，仍然可以兼容）。

所以说，在表示负数时，Varints会退化为定长编码，不够高效。为了解决这个问题，引入了Zigzag编码，我们看一下：核心思路是将负数转化为其绝对值再进行Varints编码。怎么转化？0, -1, 1, -2对应为0, 1, 2, 3等等

对应关系如上，类似一个拉链，所以才叫Zigzag。

那如何知道一个字节流使用了Zigzag编码？

protobuff里引入了sint32/sint64类型，只有声明为这两个类型才会对负数先使用Zigzag编码，否则直接使用Varints编码。

接下来看一下几种整数类型的区别（​​https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto?csw=1#scalar​​）：

有符号的：int32/int64、sint32/sint64

无符号：uint32/uint64

在Java里，由于没有无符号整数，所以uint和int是一样的。在C++中会有区别。那这几个类别怎么选择？

​​https://stackoverflow.com/questions/765916/is-there-ever-a-good-time-to-use-int32-instead-of-sint32-in-google-protocol-buff​​

如果确定没有负数，可以选择uint。在Java里，uint和int一样，所以选择两个都可以。

如果有负数，且出现频率较高，可以选择sint。否则选择int，毕竟sint还需要多一次编码。

另外，补码数值在转为字节流时，其实不关心是uint还是int，以及是int32还是int64，之所以需要区分这些类型，是因为需要在反序列时，知道转为对应语言下的哪一个类型。比如一个数值i=6，在int32和int64下序列化时一样的，同一个值需要反序列为int还是long，是根据pb里定义的类型来定的。

关于同一个值下的int32和int64序列化后的字节流一样的例子：

message TestMsg1 {
    int32 a = 1;
    int64 b = 2;
}

@Test
public void test4() {
    MyProto.TestMsg1 msg = MyProto.TestMsg1.newBuilder()
            .setA(4)
            .setB(4L)
            .build();
    printHex(msg.toByteArray());
}

值为：8, 4, 16, 4。所以int的4和long的4，使用Varints序列化后的字节是一样的。int32和int64的却别在于反序列化时表示语言里的数据类型。

 

小结一下：

定长编码：一视同仁，所有数值都是相同空间，通过类型即可确定占用空间大小；变长编码：根据数值大小调整占用的空间，但是需要一个标识空间大小的信息，Varints是通过征用MSB位的方式；

Zigzag编码：Varints在表示负数时会退化为定长编码，引入了Zingzag及sintxxx，对绝对值Varins编码。如果负数较多，最好用sintxxx；

在Java里，intxxx和uintxxx一样，没有无符号整数。如果负数不多，用这俩就行，如果较多，最好用sintxxx；

 

参考链接：

 

​​https://www.jianshu.com/p/73c9ed3a4877​​

​​https://ngtzeyang94.medium.com/go-with-examples-protobuf-encoding-mechanics-54ceff48ebaa​​