2023 鐵人賽 DAY-03 初探 protobuf、gRPC

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前言

2023 鐵人賽 DAY-03
昨天，我們有提到預計會將整個框架拆分成兩個後端、一個前端
並且後端跟後端之間是採用 gRPC 的方式溝通
應該是目前跨平台所使用的大多數微服務採用的方案
要使用這個技術
那就得先提到 Protobuf、gRPC
但我們會從動機開始談

動機

說到 API 的溝通媒介
我想大家第一時間還是會想起 JSON
作為一個跨 process 的溝通格式，而且也是人類可讀
也被廣泛使用了很長一段時間
優缺點也是很明顯，Protobuf 也強力問世
下面我們來比較一下兩者

JSON

優點：

易於讀寫和理解： JSON 使用人類可讀的格式，易於閱讀和手動編輯。
簡單性： JSON 是一種輕量級的數據交換格式，不需要額外的工具或庫就可以解析和生成。
廣泛支援： JSON 被幾乎所有編程語言支援，可以輕鬆地在不同環境中使用。

缺點：

效能較差： JSON 效能較 Protobuf 差，因為它的文本格式需要解析和序列化的時間較長。
佔用空間大： JSON 使用文本格式，佔用的空間比二進制格式（如 Protobuf）多，導致較大的數據大小。
沒有類型信息： JSON 缺乏類型信息，需要額外的邏輯來處理數據的類型和校驗。

Protobuf

優點：

高效的二進制格式： Protobuf 使用二進制編碼，比 JSON 更節省空間，並且解析/序列化速度更快。
強大的類型系統： Protobuf 定義了嚴格的數據類型和結構，可以提供更好的數據校驗和保護。
自動生成程式碼： Protobuf 可以從定義文件自動生成程式碼，減少了手動編碼的工作量。
跨平台和語言支援： Protobuf 支援多種編程語言，可以在不同平台上使用，並提供了良好的互操作性。

缺點：

不易讀寫： Protobuf 使用二進制編碼，對於人來說不易讀寫，需要工具來解析和編輯。
不易調試： 由於二進制格式，難以手動檢查和調試數據，特別是在測試和除錯時可能較為困難。
版本兼容性： 在數據結構變更時，可能需要複雜的版本處理和升級策略，以確保舊版本和新版本的兼容性。

小小總結一下

效能方面，在程式交易的範疇下，高效的 Protobuf 勝🥇
強類型部分，可以在開發階段少掉很多冤枉路 Protobuf 勝🥇
人類可讀性的部分，以我自己的觀點，只要錯誤處理得當，不可讀並不能算缺點

編譯器

決定使用 Protobuf 後，第一件事就是安裝編譯器
這個編譯器將會負責將同一份 protobuf，編譯成不同的程式語言
這次框架使用到的 Python, Golang, Flutter 全部有被支持

安裝

可以到這個 Github 找到自己平台的 Release 來安裝
這邊提供一份，我常用的安裝腳本

version="24.3"
curl -fSL https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/download/v$version/protoc-$version-osx-aarch_64.zip --output protoc.zip
rm -rf ~/sdk_tools/protoc
mkdir -p ~/sdk_tools/protoc
echo "Unzipping protoc.zip..."
unzip -q protoc.zip -d ~/sdk_tools/protoc
chmod +x ~/sdk_tools/protoc/bin/protoc
rm -rf protoc.zip

然後更新一下環境變數
將以下加入 ~/.bashrc or ~/.zashrc

export PATH="$HOME/sdk_tools/protoc/bin:$PATH"

$protoc --version
libprotoc 24.3

能夠看到版本，就沒有問題

定義 Proto

這邊將會使用最新的 proto3
我先舉一個最基本的例子，在未來的篇幅會依據當時的進度加入新的 proto file

下面用一個期貨單的明細當作範例

syntax            = "proto3";
option go_package = "./pb";
package toc_python_forwarder;

message FutureOrderDetail {
    string code    = 1;
    double price   = 2;
    int64 quantity = 3;
}

來說明一下，上面這段

syntax = "proto3";：這一行指定了使用 Proto3 語法，表明這個文件使用 Proto3 版本的 Protocol Buffers
option go_package = "./pb";：這一行指定了生成的 Golang package 名稱
message FutureOrderDetail：在 Protobuf 中會使用 message 當作宣告一個結構的開頭
string code = 1;、double price = 2;、int64 quantity = 3;：這些行定義了 FutureOrderDetail 消息的字段。每個字段都有一個名稱、類型和唯一的編號。在這個例子中，我們定義了三個：
- code 是一個 string，編號為 1。
- price 是一個 float，編號為 2。
- quantity 是一個 int64，編號為 3。

特別要注意編號在一個結構當中，必須是個唯一值

資料結構

這邊分享一下比較常見的結構，如下圖

.
├── README.md
└── protos
    └── v3
        ├── app
        │   └── app.proto
        └── forwarder
            ├── basic.proto
            ├── entity.proto
            ├── history.proto
            ├── mq.proto
            ├── realtime.proto
            ├── subscribe.proto
            └── trade.proto

編譯

我們把剛剛那個專案資料夾先命名為 trade-protobuf
並且執行位置在這個資料夾的外面一層

Python

剛剛忘記了 Python 這邊，我會使用 Python 的 grpcio-tools 來取代 protoc
原因是到 gRPC 的編譯時，protoc 會缺少一些依賴，所幸我就用 python 原生的編譯器

$pip3 install -U \
  --no-warn-script-location \
  --no-cache-dir \
  grpcio \
  grpcio-tools

$outpath=./src/pb
$python3 -m grpc_tools.protoc \
  --python_out=$outpath \
  --grpc_python_out=$outpath \
  --mypy_out=$outpath \
  --proto_path=./trade-protobuf/protos/v3/app \
  --proto_path=./trade-protobuf/protos/v3/forwarder \
  ./trade-protobuf/protos/v3/*/*.proto

Golang

protoc \
    --go_out=. \
    --go-grpc_out=. \
    --proto_path=./trade-protobuf/protos/v3/app \
    --proto_path=./trade-protobuf/protos/v3/forwarder \
    ./trade-protobuf/protos/v3/*/*.proto

Flutter

protoc \
    --dart_out=./lib/pb \
    --proto_path=./trade-protobuf/protos/v3/app  \
    ./trade-protobuf/protos/v3/app/app.proto

總結

2023 鐵人賽 DAY-03
大略講述了我在 Protobuf 中的了解
以及如何編譯，接下來會繼續來到 gRPC
一步一步進入到核心的邏輯

前言

動機