Skip to main content

Protobuf

Protobuf（Protocol Buffers）是Google开发的一种二进制数据序列化协议，专为高效传输和存储设计。相比JSON/XML，它具有更小的数据体积（减少50%-90%）和更快的解析速度（快20-100倍）。

img

核心​

  • .proto文件：定义数据结构（如消息类型、字段）。
  • protoc编译器：将.proto文件生成多语言代码（如C#、Java）。
  • 运行时库：实现序列化/反序列化功能。

适用场景​

  • 网络通信（如游戏同步、RPC）
  • 数据存储（存档、配置表）
  • 跨平台数据交换（如Unity与服务器通信）。

img

Unity中如何使用Protobuf？​

1. 安装与配置​

步骤1：下载Protobuf库

  • 从GitHub获取protoc编译器和C#运行时库（如Google.Protobuf.dll）。

步骤2：导入Unity

  • 将Google.Protobuf.dll放入Assets/Plugins文件夹。

2. 定义数据结构​

示例.proto文件（Player.proto）：

syntax = "proto3";
message Player {
    string name = 1;
    int32 hp = 2;
    repeated string skills = 3; // 重复字段
}

3. 生成C#代码​

命令行编译：

protoc --csharp_out=. Player.proto

生成Player.cs文件，导入Unity项目。

4. 序列化与反序列化​

using Google.Protobuf;

// 序列化
Player player = new Player { Name = "Hero", Hp = 100, Skills = { "Fireball", "Shield" } };
byte[] data = player.ToByteArray();

// 反序列化
Player parsedPlayer = Player.Parser.ParseFrom(data);
Debug.Log(parsedPlayer.Name); // 输出: Hero

面试题​

1. 和 JSON、XML 相比，Protobuf 有什么优势？为什么游戏开发中常用它进行网络传输？​

Protobuf（Protocol Buffers）是一种语言无关、平台无关的可扩展机制，用于序列化结构化数据。

它与 JSON、XML 相比，主要优势在于

  • 更高的序列化/反序列化速度：采用二进制编码，解析效率远高于文本格式的 JSON 和 XML。
  • 更小的数据体积：二进制格式和高效的编码方式（如 Varint 编码）能显著减少传输数据量，节省带宽，这对网络游戏至关重要。
  • 更强的跨语言支持：通过 .proto 文件定义数据结构，可轻松生成多种编程语言的代码，保证了不同语言间数据交换的一致性。
  • 更好的向前/向后兼容性：采用 [ProtoMember(N)] 的字段编号方式，扩展新字段而无需破坏旧版程序。

加分点：可以提及 Protobuf 的编码机制，例如 Varint 编码对于整数的压缩，以及 T-L-V (Tag-Length-Value) 的数据组织方式

2. Protobuf为什么不适合存储人类可读的配置？​

  • 二进制不可读：调试需额外工具转换，而JSON/XML可直接编辑。

3. 如何优化Protobuf的GC压力？​

  • 复用对象：避免频繁创建消息实例，使用对象池（如PlayerMove对象复用）。
  • 流式处理：对大消息使用WriteTo(Stream)而非ToByteArray()。

4. Protobuf在帧同步游戏中的应用？​

  • 关键点：

  • 序列化玩家输入（如按键、操作时间戳），保证二进制数据最小化。

  • 结合UDP+Protobuf降低延迟（如MOBA游戏技能同步）。

5. Protobuf与FlatBuffers的对比​

  • FlatBuffers优势：

  • 无需反序列化即可访问数据（适合只读场景）。

  • 更擅长处理复杂嵌套结构（如技能树）。

  • Protobuf优势：

  • 序列化体积更小，适合高频小数据包（如位置同步）。

6. 如何实现Protobuf热更新？​

  • 动态加载.proto文件：
  1. 将.proto文件放在AssetBundle中。
  2. 运行时解析并生成C#代码（需集成protoc运行时编译）。

Protobuf 是 Unity 游戏开发中高频使用的序列化工具，也是面试的重点考察领域。下面我为你梳理一些核心的高频面试题和解答思路，并用一个表格帮你快速了解不同 Protobuf 库的特点，助你更好地准备。

特性维度Google.Protobuf (官方库)protobuf-net (社区库)
GC友好度相对较高，需注重优化更优，GC分配更少
性能特点功能全面，兼容性好性能更优，支持流式反序列化
使用便利性需预编译.proto文件生成代码支持运行时序列化，可使用C#属性标记
推荐场景跨语言协作严格、需要官方标准支持的项目Unity项目首选，对C#和Unity环境集成更友好

7. 在 Unity 中如何使用 Protobuf？如何定义一条消息并进行序列化和反序列化？​

在 Unity 中，通常使用 protobuf-net 这个库（社区版），因为它对 C# 和 Unity 环境更友好，性能通常也优于官方库。

  1. 定义消息：有两种主要方式。
  • 使用 .proto 文件定义：这是标准方式，需要用到 protogen 工具来生成 C# 类。
syntax = "proto3";
message PlayerData {
    int32 playerId = 1;
    string playerName = 2;
    repeated int32 items = 3;
}
  • 使用 C# 特性（Attribute）（protobuf-net 支持）：直接在 C# 类上标记 [ProtoContract] 和 [ProtoMember]。
[ProtoContract]
public class PlayerData {
    [ProtoMember(1)]
    public int PlayerId { get; set; }
    [ProtoMember(2)]
    public string PlayerName { get; set; }
    [ProtoMember(3)]
    public List<int> Items { get; set; }
}
  1. 序列化与反序列化：
using ProtoBuf;
using (var memoryStream = new MemoryStream()) {
    // 序列化
    Serializer.Serialize(memoryStream, playerDataInstance);
    byte[] serializedData = memoryStream.ToArray();
    // 发送 serializedData...
}

// 接收数据后反序列化
using (var memoryStream = new MemoryStream(receivedData)) {
    PlayerData parsedData = Serializer.Deserialize<PlayerData>(memoryStream);
}

8. 频繁使用 Protobuf 进行序列化/反序列化可能会引起 GC（垃圾回收）问题，Unity 中如何优化​

Protobuf 在反序列化时会频繁分配临时对象（如 List、String、Message 实例等），反复分配和回收这些对象会增加 GC 压力，可能导致帧率抖动。优化策略主要包括：

  • 对象池（Object Pool）：对于频繁创建和销毁的 Protobuf 消息对象，使用对象池进行复用，避免频繁的 new 和 GC。

  • 伪代码示例 ```var msg = MessagePool<MyMessage>.Get(); // 从池中获取``

  • 反序列化或重置数据 MessagePool<MyMessage>.Release(msg); // 放回池中

  • 复用字节缓冲区：使用 ArrayPool<byte>.Shared 来租用和归还字节数组，避免每次序列化/反序列化都分配新的 byte[]。

  • 避免装箱（Boxing）：尽量避免使用 object 或接口类型来传递 Protobuf 消息，直接使用具体类型以减少装箱操作。

  • 优化字符串处理：对于高频出现的字符串，考虑使用数字 ID 进行映射，减少重复的字符串分配。

9. 如何保证使用 Protobuf 时，客户端和服务器之间的版本兼容性（向前/向后兼容）？​

Protobuf 的兼容性规则是其强大之处之一。关键在于：

  • 不要修改已有字段的标签号（Tag Number）：这是字段的唯一标识。
  • 添加新字段时：应使用新的、从未使用过的标签号。这样，旧版本的代码在解析新数据时会忽略未知的新字段；新版本的代码在解析旧数据时，新字段会采用默认值。
  • 避免移除字段：通常建议将不再使用的字段标记为 reserved 或使用 [Obsolete]（在 protobuf-net 中），而不是直接删除，以防止 tag 被意外重用。
  • 谨慎修改字段类型：修改字段类型可能导致解析错误或数据损坏，需要特别注意。

10. 在网络游戏中，如何将 Protobuf 序列化的数据通过 Socket 进行传输？如何处理粘包和拆包问题？​

Protobuf 负责将结构化数据序列化成二进制字节流，但网络传输需要自己处理 TCP 的粘包和拆包问题。常见的解决方案是定义网络消息格式：

  1. 消息头（Header）：通常包含消息长度（例如 2 字节或 4 字节的整数）和协议号/消息ID（用于标识消息类型，决定用哪个 Protobuf 消息类型来反序列化）。
  2. 消息体（Body）：即 Protobuf 序列化后的字节数据。

发送时：先序列化 Protobuf 消息得到 Body，计算其长度填入 Header，然后将 Header 和 Body 拼接成一个完整的网络包发送。 接收时：先读取固定长度的 Header，解析出消息体长度，再读取指定长度的字节数据得到完整的 Body，最后根据协议号找到对应的 Protobuf 类型进行反序列化。

11. 除了 protobuf-net，你还了解其他序列化方案吗？如何在 Protobuf 和其他方案（如 MessagePack）间做选择？​

  • MessagePack：也是一种高效的二进制序列化格式。它类似于 JSON，但更小更快。MessagePack 是自描述的，但通常数据体积比 Protobuf 稍大。如果对极致的序列化速度和简单的使用方式有要求，可以考虑 MessagePack。

  • 选择依据：

  • Protobuf：更适合需要严格 schema 约束、卓越的跨语言能力和强大版本控制的场景，尤其是在多人协作和长期项目中。

  • MessagePack：更适合同构系统（如纯 C# 项目）、对性能有极致要求且希望 schema 更灵活的场景。