一、默认值 

反序列化消息时，如果被反序列化的⼆进制序列中不包含某个字段，反序列化对象中相应字段时，就会设置为该字段的默认值。不同的类型对应的默认值不同：

• 对于字符串，默认值为空字符串

• 对于字节，默认值为空字节

• 对于布尔值，默认值为 false

• 对于数值类型，默认值为 0

• 对于枚举，默认值是第⼀个定义的枚举值， 必须为 0

• 对于消息字段，未设置该字段。它的取值是依赖于语⾔

• 对于设置了 repeated 的字段的默认值是空的（ 通常是相应语⾔的⼀个空列表 ）

• 对于 消息字段 、oneof字段 和 any字段 ，C++ 和 Java 语⾔中都有has_⽅法来检测当前字段是否被设置

场景理解：has方法的作用

如果没有has方法，这里我们反序列化得到的数据，我不知道c数值是默认值还是输入导致的。但是这不是一个很严重的问题，可以兼容这个问题。比如没有银行卡和银行卡没钱，都是想表达没钱。

二、更新消息

2.1 更新规则 

如果现有的消息类型已经不再满⾜我们的需求，例如，需要扩展⼀个字段，在不破坏任何现有代码的情况下更新消息类型⾮常简单。遵循如下规则即可:

• 禁⽌修改任何已有字段的字段编号

• 若是移除⽼字段，要保证不再使⽤移除字段的字段编号。正确的做法是保留字段编号（reserved），以确保该编号将不能被重复使⽤。不建议直接删除或注释掉字段

• int32， uint32，int64， uint64 和 bool是完全兼容的。可以从这些类型中的⼀个改为另⼀个，⽽不破坏前后兼容性。若解析出来的数值与相应的类型不匹配，会采⽤与 C++ ⼀致的处理⽅案（例如，若将 64 位整数当做 32 位进⾏读取，它将被截断为 32 位）

• sint32和sint64相互兼容但不与其他的整型兼容

• string 和 bytes 在合法UTF-8字节前提下也是兼容的

• bytes包含消息编码版本的情况下，嵌套消息与 bytes 也是兼容的。

• fixed32与 sfixed32兼容，fixed64与 sfixed64兼容

• enum 与int32，uint32，int64和 uint64兼容（注意若值不匹配会被截断）。但要注意当反序列化消息时会根据语⾔采⽤不同的处理⽅案：例如，未识别的proto3枚举类型会被保存在消息中，但是当消息反序列化时如何表⽰是依赖于编程语⾔的。整型字段总是会保持其的值

• oneof：

• • 将⼀个单独的值更改为 新oneof类型成员之⼀是安全和⼆进制兼容的

• 若确定没有代码⼀次性设置多个值那么将多个字段移⼊⼀个新oneof类型也是可⾏的

• 将任何字段移⼊已存在的 oneof类型是不安全的。

2.2 保留字段 reserved

如果通过 删除 或 注释掉 字段来更新消息类型，未来的⽤⼾在添加新字段时，有可能会使⽤以前已经存在，但已经被删除或注释掉的字段编号。将来使⽤该 .proto的旧版本时的程序会引发很多问题：数据损坏、隐私错误等等

确保不会发⽣这种情况的⼀种⽅法是：使⽤ reserved 将指定字段的编号或名称设置为保留项 。当我们再使⽤这些编号或名称时，protocol buffer 的编译器将会警告这些编号或名称不可⽤。举个例子

message Message {
// 设置保留项
    reserved 100, 101, 200 to 299;
    reserved "field3", "field4";
// 注意：不要在⼀⾏ reserved 声明中同时声明字段编号和名称。
// reserved 102, "field5";
// 设置保留项之后，下⾯代码会告警
    int32 field1 = 100; //告警：Field 'field1' uses reserved number 100
    int32 field2 = 101; //告警：Field 'field2' uses reserved number 101
    int32 field3 = 102; //告警：Field name 'field3' is reserved
    int32 field4 = 103; //告警：Field name 'field4' is reserved
}

2.3 创建通讯录 3.0 版本---验证 错误删除字段 造成的数据损坏 

现模拟有两个服务，他们各⾃使⽤⼀份通讯录 .proto ⽂件，内容约定好了是⼀模⼀样的。

• 服务1（service）：负责序列化通讯录对象，并写⼊⽂件中

• 服务2（client）：负责读取⽂件中的数据，解析并打印出来

⼀段时间后，service 更新了⾃⼰的.proto ⽂件，更新内容为：删除了某个字段，并新增了⼀个字段，新增的字段使⽤了被删除字段的字段编号。并将新的序列化对象写进了⽂件。

但 client 并没有更新⾃⼰的 .proto ⽂件。根据结论，可能会出现数据损坏的现象，接下来就让我们来验证下这个结论。

新建两个⽬录：service、client。分别存放两个服务的代码。

service⽬录下新增 contacts.proto （通讯录 3.0）

syntax = "proto3";
package s_contacts;
​
//联系人
message PeopleInfo{
    reserver 2,10,11, 100 to 200;
    reserver age;
​
    string name = 1; //姓名
    int32 age = 2;  //年龄
​
    message Phone{
        string number = 1; //电话号码
    }
    repeated Phone phone = 3; //电话
}
​
//通讯录
message Contacts{
    repeated PeopleInfo contacts = 1;
}

client目录下新增 contacts.proto（通讯录 3.0）

syntax = "proto3";
package c_contacts;
​
//联系人
message PeopleInfo{
    string name = 1; //姓名
    int32 age = 2;  //年龄
​
    message Phone{
        string number = 1; //电话号码
    }
    repeated Phone phone = 3; //电话
}
​
//通讯录
message Contacts{
    repeated PeopleInfo contacts = 1;
}
​
​

继续对 service 目录下新增 service.cc （通讯录 3.0），负责向文件中写通讯录消息，内容如下：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"
using namespace std;
using namespace s_contacts;
​
// 新增联系⼈ 
​
void AddPeopleInfo(PeopleInfo *people_info_ptr) {
    cout << "-------------新增联系⼈-------------" << endl;
    cout << "请输⼊联系⼈姓名: ";
    string name;
    getline(cin, name);
    people_info_ptr->set_name(name);
​
    // cout << "请输⼊联系⼈年龄: ";
    // int age;
    // cin >> age;
    // people_info_ptr->set_age(age);
    // cin.ignore(256, '\n'); 
​
    cout << "请输⼊联系⼈生日: ";
    int birthday;
    cin >> birthday;
    people_info_ptr->set_birthday(birthday);
    cin.ignore(256, '\n'); 
​
    for(int i = 1; ; i++) {
        cout << "请输⼊联系⼈电话" << i << "(只输⼊回⻋完成电话新增): ";
        string number;
        getline(cin, number);
        if (number.empty()) {
            break;
        }
​
        PeopleInfo_Phone* phone = people_info_ptr->add_phone();
        phone->set_number(number);
    }
    cout << "-----------添加联系⼈成功-----------" << endl;
}
​
int main(){
    Contacts contacts;
    //先读取已存在的 contacts
    fstream input("../contact.bin", ios::in | ios::binary);
    if (!input) {
        cout << "contacts.bin not found. Creating a new file." << endl;
    } else if (!contacts.ParseFromIstream(&input)) {
        cerr << "Failed to parse contacts." << endl;
        input.close();
        return -1;
    }
​
    //新增一个联系人
    AddpeopleInfo(contact.add_contacts());
​
    //向磁盘文件写入信的contacts
    fstream output("../contacts.bin", ios::out | ios::trunc | ios::binary);
    if (!contacts.SerializeToOstream(&output)) {
        cerr << "Failed to write contacts." << endl;
        input.close();
        output.close();
        return -1;
    }
​
    input.close();
    output.close();
​
    return 0;
}

client 目录下新增 client.cc （通讯录 3.0），负责向读出文件中的通讯录消息，内容如下：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "contacts.pb.h"
using namespace std;
using namespace c_contacts;
using namespace google::protobuf
​
​
// 打印联系⼈列表
​
​
void PrintfContacts(const Contacts& contacts) { 
    for (int i = 0; i < contacts.contacts_size(); ++i) { 
        const PeopleInfo& people = contacts.contacts(i);
        cout << "------------联系⼈" << i+1 << "------------" << endl;
        cout << "联系⼈姓名：" << people.name() << endl;
        cout << "联系⼈年龄：" << people.age() << endl;
        int j = 1;
        for (const PeopleInfo_Phone& phone : people.phone()) {
            cout << "联系⼈电话" << j++ << ": " << phone.number() << endl;
        }
​
        const Reflection* reflection = PeopleInfo::GetReflection();
        const UnknownFieldSet& set = reflection->GetUnknownFields(people);
        for (int j = 0; j < set.field_count(); j++) {
            const UnknownField& unknown_field = set.field(j);
            cout << "未知字段" << j+1 << ":  "
                 << "  编号：" << unknown_field.number();
            switch(unknown_field.type()) {
                case UnknownField::Type::TYPE_VARINT:
                    cout << "  值：" << unknown_field.varint() << endl;
                    break;
                case UnknownField::Type::TYPE_LENGTH_DELIMITED:
                    cout << "  值：" << unknown_field.length_delimited() << endl;
                    break;
                // case ...
            }
        }
    }
}
​
int main(){
    Contacts contacts;
    //先读取已存在的 contacts
    fstream input("../contact.bin", ios::in | ios::binary);
    if(!contacts.ParseFromIstream(&input)){
        cerr << "Failed to parse contacts." << endl;
        input.close();
        return -1;
    }
​
    // 打印 contacts
    PrintfContacts(contacts);
    input.close();
    return 0;
}

2.3.1 验证 "直接删除老字段"问题

我们不能直接已删除一些老字段，如果非要这么做的话，将来在实现我们自己的业务代码的时候，会造成一些意向。

确认无误后，对 service 目录下的contacts.proto 文件进行更新：删除 age字段，新增birthday 字 段，新增的字段使用被删除字段的字段编号。

问题说明：

• 在 Protobuf 中，数据映射依赖“字段编号”而非字段名。反序列化时，只要编号一致，值就会被填充到对应编号的字段上。

• 我们遇到的现象是：移除了“生日（birthdate）”字段后，又复用了它的字段编号给“年龄（age）”，结果旧数据/旧客户端发来的该编号的值在反序列化时被错误地填到了“年龄”字段，造成数据错配。

结论与规范：

• 移除旧字段时，必须确保其字段编号与名称不再被复用。建议采用以下做法：

  • 用 reserved 保留已废弃的字段编号和名称，防止后续误用。

  • 若需“软删除”，保留字段并标记为 deprecated=true（提醒后续开发者该字段已废弃）。

• 不建议直接删除或注释字段定义，因为其他开发者可能不了解字段的历史状态，容易误复用编号。

• 新增字段一律使用全新且从未使用过的编号；切勿更改已发布字段的编号、类型或语义。

• 在团队与工程层面建立约束：通过 lint/CI/代码审查等手段校验 reserved 与编号复用风险，统一管理 schema 变更。

2.3.2 避免"直接删除老字段"问题

reserve关键字，指定一批的字段编号变为保留下设定为保留项。如果我们要使用这个保留的字段，protobuffer编译器就会报警。

设置多个字段编号 to范围 100 to 200

三、未知字段

在通讯录 3.0 版本中，我们向 service 目录下的contacts.proto新增了‘生日’字段，但对于client相关的代码并没有任何改动。验证后发现 新代码序列化的消息（service）也可以被旧代码（client）解析。并且这里要说的是，新增的 ‘生日’字段在旧程序（client）中其实并没有丢失，而是会作为旧程序的未知字段。

• 未知字段：解析结构良好的protocol buffer 已序列化数据中的未识别字段的表示方式。例如，当旧程序解析带有新字段的数据时，这些新字段就会成为旧程序的未知字段

• 本来，proto3在解析消息时总是会丢弃未知字段，但在 3.5 版本中重新引入了对未知字段的保留机 制。所以在3.5或更高版本中，未知字段在反序列化时会被保留，同时也会包含在序列化的结果中

3.1 未知字段从哪获取

了解相关类关系图

MessageLite 类介绍（了解）

• MessageLite从名字看是轻量级的 message，仅仅提供序列化、反序列化功能

• 类定义在 google 提供的 message_lite.h 中

Message 类介绍（了解）

• 我们自定义的message类，都是继承自Message

• Message最重要的两个接口GetDescriptor/GetReflection，可以获取该类型对应Descriptor对象指针和Reflection对象指针

• 类定义在 google 提供的 message.h 中

//google::protobuf::Message 部分代码展示
const Descriptor* GetDescriptor() const;
const Reflection* GetReflection() const;

Descriptor 类介绍（了解）

• Descriptor：是对message类型定义的描述，包括message的名字、所有字段的描述、原始的 proto文件内容等。

• 类定义在 google 提供的descriptor.h 中

// 部分代码展示
class PROTOBUF_EXPORT Descriptor : private internal::SymbolBase {
string& name () const
int field_count() const;
const FieldDescriptor* field(int index) const;
const FieldDescriptor* FindFieldByNumber(int number) const;
const FieldDescriptor* FindFieldByName(const std::string& name) const;
const FieldDescriptor* FindFieldByLowercaseName(
const std::string& lowercase_name) const;
const FieldDescriptor* FindFieldByCamelcaseName(
const std::string& camelcase_name) const;
int enum_type_count() const;
const EnumDescriptor* enum_type(int index) const;
const EnumDescriptor* FindEnumTypeByName(const std::string& name) const;
const EnumValueDescriptor* FindEnumValueByName(const std::string& name)
const;
}

Reflection 类介绍（了解）

• Reflection接口类，主要提供了动态读写消息字段的接口，对消息对象的自动读写主要通过该类完 成。

• 提供方法来动态访问/修改message中的字段，对每种类型，Reflection都提供了一个单独的接口用 于读写字段对应的值。

  • 针对所有不同的field类型FieldDescriptor::TYPE_* ,需要使用不同的Get*()/Set*()/Add*()接口

  • repeated类型需要使用 GetRepeated*()/SetRepeated*() 接口，不可以和非repeated 类型接口混用

  • message对象只可以被由它自身的reflection（message.GetReflection()）来操作

• 类中还包含了访问/修改未知字段的方法。

• 类定义在google 提供的 message.h中。

// 部分代码展示
class PROTOBUF_EXPORT Reflection final {
const UnknownFieldSet& GetUnknownFields(const Message& message) const;
UnknownFieldSet* MutableUnknownFields(Message* message) const;
bool HasField(const Message& message, const FieldDescriptor* field) const;
int FieldSize(const Message& message, const FieldDescriptor* field) const;
void ClearField(Message* message, const FieldDescriptor* field) const;
bool HasOneof(const Message& message,
const OneofDescriptor* oneof_descriptor) const;
void ClearOneof(Message* message,
const OneofDescriptor* oneof_descriptor) const;
const FieldDescriptor* GetOneofFieldDescriptor(
const Message& message, const OneofDescriptor* oneof_descriptor) const;
// Singular field getters ------------------------------------------
// These get the value of a non-repeated field. They return the default
// value for fields that aren't set.
int32_t GetInt32(const Message& message, const FieldDescriptor* field) const;
int64_t GetInt64(const Message& message, const FieldDescriptor* field) const;
uint32_t GetUInt32(const Message& message,
const FieldDescriptor* field) const;

UnknownFieldSet 类介绍（重要）

• UnknownFieldSet包含在分析消息时遇到但未由其类型定义的所有字段。

• 若要将 UnknownFieldSet 附加到任何消息，请调用 Reflection::GetUnknownFields()

• 类定义在 unknown_field_set.h 中

UnknownField 类介绍（重要）

• 表示未知字段集中的一个字段。

• 类定义在 unknown_field_set.h中

3.2 打印未知字段

四、前后兼容性

根据上述的例子可以得出，pb是具有向前兼容的。为了叙述方便，把增加了“生日”属性的service称为“新模块”；未做变动的 client称为 “老模块”。

• 向前兼容：老模块能够正确识别新模块生成或发出的协议。这时新增加的“生日”属性会被当作未 知字段（pb 3.5版本及之后）。

• 向后兼容：新模块也能够正确识别老模块生成或发出的协议。

前后兼容的作用：当我们维护一个很庞大的分布式系统时，由于你无法同时 升级所有 模块，为了保证在升级过程中，整个系统能够尽可能不受影响，就需要尽量保证通讯协议的“向后兼容”或“向前兼容”。

五、option选项

.proto 文件中可以声明许多选项，使用option标注。选项能影响 proto 编译器的某些处理方式。

5.1 选项分类

选项的完整列表在google/protobuf/descriptor.proto中定义。部分代码:

syntax = "proto2";	//descriptor.proto 使用 proto2 语法版本
message FileOptions { ... } // 文件选项 定义在 FileOptions 消息中
message MessageOptions { ... } // 消息类型选项 定义在 MessageOptions 消息中
message FieldOptions { ... } // 消息字段选项 定义在 FieldOptions 消息中
message OneofOptions { ... } // oneof字段选项 定义在 OneofOptions 消息中
message EnumOptions { ... } // 枚举类型选项 定义在 EnumOptions 消息中
message EnumValueOptions { .. } // 枚举值选项 定义在 EnumValueOptions 消息中
message ServiceOptions { ... } // 服务选项 定义在 ServiceOptions 消息中
message MethodOptions { ... } // 服务方法选项 定义在 MethodOptions 消息中
...

由此可见，选项分为文件级、消息级、字段级等等， 但并没有一种选项能作用于所有的类型

5.2 optimize_for（文件级选项）

• 作用：控制 protoc 生成代码的优化侧重点（不影响消息的线格式，跨端/跨语言互通不受影响）。

• 取值与场景

  1. SPEED（默认）

     • 特点：生成的代码运行效率最高

     • 代价：体积相对更大

     • 适用：大多数服务端/性能优先的应用

  2. CODE_SIZE

     • 特点：最小化生成类数量，体积小；大量依赖反射来做序列化/反序列化

     • 代价：运行效率较低

     • 适用：.proto 文件很多、二进制体积敏感且不极致追求速度的应用

  3. LITE_RUNTIME

     • 特点：运行效率高且体积小

     • 代价：去掉反射能力，仅保留编码与序列化能力

     • 适用：资源受限平台（如移动端/嵌入式）；C++ 需链接 libprotobuf-lite 而非 libprotobuf

• 常见误写纠正

  • 错误：option optimize_1 for = LITE_RUNTIME;

  • 正确：option optimize_for = LITE_RUNTIME;

5.3 allow_alias（枚举级选项）

• 作用：允许多个枚举常量拥有相同的数值（枚举“别名”）。

• 不开启时（默认），同值会编译报错；开启后可复用值。

• 使用注意：

  • Proto3 中通常要求枚举的第一个值为 0（例如 UNKNOWN = 0）。

  • 反序列化时，同一数值会映射到第一个定义的枚举名；请谨慎使用并做好文档说明。

5.4 示例（含正确写法）

syntax = "proto3";
package demo;

// 文件级选项：控制生成代码的优化策略
option optimize_for = LITE_RUNTIME;

enum PhoneType {
  // 枚举级选项：允许枚举值别名
  option allow_alias = true;

  MP        = 0;
  TEL       = 1;
  LANDLINE  = 1; // 与 TEL 共享同一数值（别名）
}

【选型建议速览】

• 默认选择：SPEED

• 体积更敏感、.proto 很多：CODE_SIZE

• 移动端/内存受限、无需反射：LITE_RUNTIME（C++ 记得链接 libprotobuf-lite）