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使用CSharp编写Google Protobuf插件
什么是 Google Protocol Buffer？
Google Protocol Buffer( 简称 Protobuf) 是 Google 公司内部的混合语言数据标准，目前已经正在使用的有超过 48,162 种报文格式定义和超过 12,183 个 .proto 文件。他们用于 RPC 系统和持续数据存储系统。
Protocol Buffers 是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据串行化，或者说序列化。它很适合做数据存储或 RPC 数据交换格式。可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。目前提供了 多种语言的API，包括C++、 C# 、GO、 JAVA、 PYTHON
如果你并不了解Protobuf能做什么，建议结合google搜索关键字，看一下入门级别的文章，或者看一下官方文档中的Developer Guide，或者中文的开发指南 .官方的文档中有各种语言相关的示例，可以结合代码看一下实际的用法。
很多人说为什么不用json（或者xml), 答案很简单，Protobuf更小，更简洁，而且序列化和反序列化更快！
谷歌最新开源的gRpc框架就是默认使用Protobuf作为数据传输格式和服务描述文件。对于gRpc 就不做详细介绍了，有兴趣的可以看一下官网。
言归正传，在实际使用Protobuf过程中，我发现Protobuf不但可以编写描述消息（Message）的内容，同时可以表述其他方法（类似Rpc中的方法），主要是gRpc中看到的。同时在Protobuf 代码生成工具的包中，有一个这样的目录，一致以来都没搞明白是做什么用的，如下图：
在目录中存在大量已经定义好的proto文件，其实这些文件是Protobuf的描述文件，类似元数据。用本身的语法描述本身，同时通过这些文件生成对应的语言的元数据类等代码，比如在C#版本的Google.Protobuf中就能看到上述描述文件生成的类，如下图所示
而这些描述文件中最重要的文件 就是descriptor.proto 这个文件，这个文件是整个proto语法的描述类，描述了实际Protobuf各层次语法的结构，来一起看一下这个文件的一些代码, 上面这个代码描述了proto文件定义的语法定义，如前面两个字段意思是可选的name，可选的package字段，中间是描述可多个message_type（Message），service（Rpc Service) ,enum_type（枚举）等定义，然后一层层分解下去。 基本上就可以了解Protobuf语法的全貌和扩展点了
message FileDescriptorProto {
optional string name = 1; // file name, relative to root of source tree
optional string package = 2; // e.g. "foo", "foo.bar", etc.
// Names of files imported by this file.
repeated string dependency = 3; // Indexes of the public imported files in the dependency list above.
repeated int32 public_dependency = 10; // Indexes of the weak imported files in the dependency list.
// For Google-internal migration only. Do not use.
repeated int32 weak_dependency = 11; // All top-level definitions in this file.
repeated DescriptorProto message_type = 4;
repeated EnumDescriptorProto enum_type = 5;
repeated ServiceDescriptorProto service = 6;
repeated FieldDescriptorProto extension = 7;
optional FileOptions options = 8; // This field contains optional information about the original source code.
// You may safely remove this entire field without harming runtime
// functionality of the descriptors -- the information is needed only by
// development tools.
optional SourceCodeInfo source_code_info = 9; // The syntax of the proto file.
// The supported values are "proto2" and "proto3".
optional string syntax = 12;
}同时在compiler目录下 还有一个plugin的目录，其中的plugin.proto文件很耐人寻味，先来看下这个文件中的内容
syntax = "proto3";package google.protobuf.compiler;option java_package = "com.google.protobuf.compiler";option java_outer_classname = "PluginProtos";option csharp_namespace = "Google.Protobuf.Compiler";option go_package = "plugin_go";import "google/protobuf/descriptor.proto";message CodeGeneratorRequest { repeated string file_to_generate = 1; string parameter = 2; repeated FileDescriptorProto proto_file = 15;
}message CodeGeneratorResponse {
string error = 1;
message File {
string name = 1; string insertion_point = 2; string content = 15;
} repeated File file = 15;
}删除了非必要的注释后，我们可以看到这个文件里面其实只定义了两个类型，一个是代码生成请求，一个是代码生成响应，而在CodeGeneratorRequest中又有之前我们在descriptor.proto中看到的FileDescriptorProto 这个类的信息，用大腿都可以想到这里应该就是代码生成插件获取元数据的入口了，那么怎么做呢？
从gRpc 的代码生成示例中 我们可以看到 其实Protobuf是支持自定义生成代码插件的，如下所示：
%PROTOC% -I../../protos --csharp_out Greeter ../../protos/helloworld.proto --grpc_out Greeter --plugin=protoc-gen-grpc=%PLUGIN%
按理我们可以实现自己的插件来生成我们需要的任意格式，包括各种代码，甚至是文档。但是这个资料却非常少，几乎没有多少相关的文章，后来终于找到一片关于plugin的文章http://www.expobrain.net/2015/09/13/create-a-plugin-for-google-protocol-buffer/ ，大家有兴趣的可以看看，不过文章的重点是这句：
The core part is the interface code to read a request from the
stdin, traverse the AST and write the response on thestdout.
原来插件的接口代码其实是从标准输入中读取流，然后再把你要生成的内容输出到标准输出中。这些终于知道怎么用了。。
撩起袖子开始干，通过protoc命令行生成plugin.proto的代码
protoc-I../../protos --csharp_out test ../../protos/plugin.proto
新建一个控制台项目，把代码copy 到项目中，并在Program.cs代码中添加测试的代码
using Google.Protobuf;using Google.Protobuf.Compiler;using System;namespace DotBPE.ProtobufPlugin{ class Program
{ static void Main(string[] args) {
Console.OutputEncoding = System.Text.Encoding.UTF8; var response = new CodeGeneratorResponse(); try
{
CodeGeneratorRequest request; using (var inStream = Console.OpenStandardInput())
{
request = CodeGeneratorRequest.Parser.ParseFrom(inStream);
}
ParseCode(request, response);
} catch (Exception e)
{
response.Error += e.ToString();
} using (var output = Console.OpenStandardOutput())
{
response.WriteTo(output);
output.Flush();
}
} private static void ParseCode(CodeGeneratorRequest request, CodeGeneratorResponse response) {
DotbpeGen.Generate(request,response);
}
}
}哈哈 开始编译，然而编译不通过！，坑爹啊！ 原来C#版本中 Google.Protobuf已经生成好的类 都是internal访问权限，不能从外部引用。。。但是Google.Protobuf是开源的。。而且我需要用的类 我也可以通过protoc命令自己生成到同一个项目中，或者设置成public访问权限。。方便起见，我直接copy了Google.Protobuf的源码到我们的项目中，这次再次编译 ，代码就完美运行了，接下来的工作 不过是填充DotbpeGen.Generate 的代码了，这不过是体力活。
至于CodeGeneratorRequest和CodeGeneratorResponse 到底有什么方法，其实看proto文件就能知道。以下是我自己在项目中使用的生成代码类 供大家参考
using Google.Protobuf.Compiler;using Google.Protobuf.Reflection;using System;using System.Collections.Generic;using System.IO;using System.Linq;using System.Text;namespace DotBPE.ProtobufPlugin{ public class DotbpeGen
{ public static void Generate(CodeGeneratorRequest request, CodeGeneratorResponse response) { foreach (var protofile in request.ProtoFile)
{ try{
GenerateByProtoFile(protofile, response);
} catch(Exception ex){ using (Stream stream = File.Create("./error.txt"))
{ byte[] err = Encoding.UTF8.GetBytes(ex.Message+ex.StackTrace);
stream.Write(err,0,err.Length);
}
response.Error += ex.Message;
}
}
} private static void GenerateSourceInfo(FileDescriptorProto protofile, CodeGeneratorResponse response) { bool genericDoc;
protofile.Options.CustomOptions.TryGetBool(DotBPEOptions.GENERIC_MARKDOWN_DOC,out genericDoc); if (!genericDoc)
{ return;
}
StringBuilder sb = new StringBuilder(); foreach (var location in protofile.SourceCodeInfo.Location)
{ string path = String.Join(",", location.Path); string span = String.Join(",", location.Span); string leadingDetachedComments = String.Join("\r", location.LeadingDetachedComments); string trailingComments = String.Join("\r", location.TrailingComments);
sb.AppendLine("{\"Path\",\""+path+"\",\"Span\",\""+span+"\",\"LeadingComments\",\""+ location.LeadingComments + "\",\"LeadingDetachedComments\",\""+ leadingDetachedComments + "\",\"TrailingComments\",\""+ trailingComments + "\"}");
} var nfile = new CodeGeneratorResponse.Types.File
{
Name = GetFileName(protofile.Name) + "SI.txt",
Content = sb.ToString()
};
response.File.Add(nfile);
} private static void GenerateByProtoFile(FileDescriptorProto protofile, CodeGeneratorResponse response) {
GenerateSourceInfo(protofile, response);
GenerateServer(protofile, response);
GenerateClient(protofile, response);
} private static void GenerateServer(FileDescriptorProto protofile, CodeGeneratorResponse response) { bool genericServer;
protofile.Options.CustomOptions.TryGetBool(DotBPEOptions.DISABLE_GENERIC_SERVICES_SERVER, out genericServer); if (genericServer)
{ return;
} if (protofile.Service == null || protofile.Service.Count <= 0) return; //生成文件头
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.AppendLine("// Generated by the protocol buffer compiler. DO NOT EDIT!");
sb.AppendLine($"// source: {protofile.Name}"); //还可以生成注释
sb.AppendLine("#region Designer generated code");
sb.AppendLine("");
sb.AppendLine("using System; ");
sb.AppendLine("using System.Threading.Tasks; ");
sb.AppendLine("using DotBPE.Rpc; ");
sb.AppendLine("using DotBPE.Protocol.Amp; ");
sb.AppendLine("using Google.Protobuf; ");
sb.AppendLine(""); string ns = GetFileNamespace(protofile);
sb.AppendLine("namespace " + ns + " {"); //生成代码
foreach (ServiceDescriptorProto t in protofile.Service)
{
t.Options.CustomOptions.TryGetBool(DotBPEOptions.DISABLE_GENERIC_SERVICES_SERVER, out genericServer); if (genericServer)
{ continue;
}
sb.AppendLine("");
sb.AppendLine("//start for class Abstract"+t.Name);
GenerateServiceForServer(t, sb);
sb.AppendLine("//end for class Abstract"+t.Name);
}
sb.AppendLine("}\n");
sb.AppendLine("#endregion\n"); var nfile = new CodeGeneratorResponse.Types.File
{
Name = GetFileName(protofile.Name) + "Server.cs",
Content = sb.ToString()
};
response.File.Add(nfile);
} private static void GenerateClient(FileDescriptorProto protofile, CodeGeneratorResponse response) { bool genericClient;
protofile.Options.CustomOptions.TryGetBool(DotBPEOptions.DISABLE_GENERIC_SERVICES_CLIENT, out genericClient); if (genericClient)
{ return;
} if (protofile.Service == null || protofile.Service.Count <= 0) return; //生成文件头
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.AppendLine("// Generated by the protocol buffer compiler. DO NOT EDIT!");
sb.AppendLine($"// source: {protofile.Name}"); //还可以生成注释
sb.AppendLine("#region Designer generated code");
sb.AppendLine("");
sb.AppendLine("using System; ");
sb.AppendLine("using System.Threading.Tasks; ");
sb.AppendLine("using DotBPE.Rpc; ");
sb.AppendLine("using DotBPE.Protocol.Amp; ");
sb.AppendLine("using DotBPE.Rpc.Exceptions; ");
sb.AppendLine("using Google.Protobuf; ");
sb.AppendLine(""); string ns = GetFileNamespace(protofile);
sb.AppendLine("namespace " + ns + " {"); //生成代码
foreach (ServiceDescriptorProto t in protofile.Service)
{
t.Options.CustomOptions.TryGetBool(DotBPEOptions.DISABLE_GENERIC_SERVICES_CLIENT, out genericClient); if (genericClient)
{ continue;
}
sb.AppendLine("");
sb.AppendLine("//start for class "+t.Name+"Client");
GenerateServiceForClient(t, sb);
sb.AppendLine("//end for class "+t.Name+"Client");
}
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine("#endregion"); //生成文件
var nfile = new CodeGeneratorResponse.Types.File
{
Name = GetFileName(protofile.Name) + "Client.cs",
Content = sb.ToString()
};
response.File.Add(nfile);
} private static void GenerateServiceForClient(ServiceDescriptorProto service, StringBuilder sb) { int serviceId; bool hasServiceId = service.Options.CustomOptions.TryGetInt32(DotBPEOptions.SERVICE_ID, out serviceId); if (!hasServiceId || serviceId <= 0)
{ throw new Exception("Service=" + service.Name + " ServiceId NOT_FOUND");
} if (serviceId >= ushort.MaxValue)
{ throw new Exception("Service=" + service.Name + "ServiceId too large");
}
sb.AppendFormat("public sealed class {0}Client : AmpInvokeClient \n",service.Name);
sb.AppendLine("{"); //构造函数
sb.AppendLine($"public {service.Name}Client(IRpcClient<AmpMessage> client) : base(client)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine("}"); //循环方法
foreach (var method in service.Method)
{ int msgId ; bool hasMsgId= method.Options.CustomOptions.TryGetInt32(DotBPEOptions.MESSAGE_ID,out msgId); if (!hasMsgId || msgId <= 0)
{ throw new Exception("Service" + service.Name + "." + method.Name + " ‘ MessageId NOT_FINDOUT ");
} if (msgId >= ushort.MaxValue)
{ throw new Exception("Service" + service.Name + "." + method.Name + " is too large");
} //异步方法
string outType = GetTypeName(method.OutputType); string inType = GetTypeName(method.InputType);
sb.AppendLine($"public async Task<{outType}> {method.Name}Asnyc({inType} request,int timeOut=3000)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine($"AmpMessage message = AmpMessage.CreateRequestMessage({serviceId}, {msgId});");
sb.AppendLine("message.Data = request.ToByteArray();");
sb.AppendLine("var response = await base.CallInvoker.AsyncCall(message,timeOut);");
sb.AppendLine("if (response != null && response.Data !=null)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine($"return {outType}.Parser.ParseFrom(response.Data);");
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine("throw new RpcException(\"请求出错，请检查!\");");
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine();
sb.AppendLine("//同步方法");
sb.AppendLine($"public {outType} {method.Name}({inType} request)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine($"AmpMessage message = AmpMessage.CreateRequestMessage({serviceId}, {msgId});");
sb.AppendLine("message.Data = request.ToByteArray();");
sb.AppendLine("var response = base.CallInvoker.BlockingCall(message);");
sb.AppendLine("if (response != null && response.Data !=null)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine($"return {outType}.Parser.ParseFrom(response.Data);");
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine("throw new RpcException(\"请求出错，请检查!\");");
sb.AppendLine("}");
} //循环方法end
sb.AppendLine("}"); //类结束
} private static void GenerateServiceForServer(ServiceDescriptorProto service, StringBuilder sb) { int serviceId; bool hasServiceId = service.Options.CustomOptions.TryGetInt32(DotBPEOptions.SERVICE_ID, out serviceId); if(!hasServiceId || serviceId<=0){ throw new Exception("Service="+service.Name+" ServiceId NOT_FOUND");
} if(serviceId>=ushort.MaxValue){ throw new Exception("Service="+service.Name+ "ServiceId too large" );
}
sb.AppendFormat("public abstract class {0}Base : IServiceActor<AmpMessage> \n", service.Name);
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine("public string Id => \""+serviceId+"$0\";");
StringBuilder sbIfState = new StringBuilder(); //循环方法
foreach (var method in service.Method)
{ int msgId ; bool hasMsgId= method.Options.CustomOptions.TryGetInt32(DotBPEOptions.MESSAGE_ID,out msgId); if(!hasMsgId || msgId<=0){ throw new Exception("Service"+service.Name+"."+method.Name+" ‘ MessageId NOT_FINDOUT ");
} if(msgId>=ushort.MaxValue){ throw new Exception("Service" + service.Name+"."+method.Name+" is too large");
} //异步方法
string outType = GetTypeName(method.OutputType); string inType = GetTypeName(method.InputType);
sb.AppendLine("//调用委托");
sb.AppendLine(
$"private async Task Receive{method.Name}Async(IRpcContext<AmpMessage> context, AmpMessage req)");
sb.AppendLine("{");
sb.AppendLine($"var request = {inType}.Parser.ParseFrom(req.Data);");
sb.AppendLine($"var data = await {method.Name}Async(request);");
sb.AppendLine("var response = AmpMessage.CreateResponseMessage(req.ServiceId, req.MessageId);");
sb.AppendLine("response.Sequence = req.Sequence;");
sb.AppendLine("response.Data = data.ToByteArray();");
sb.AppendLine("await context.SendAsync(response);");
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine();
sb.AppendLine("//抽象方法");
sb.AppendLine($"public abstract Task<{outType}> {method.Name}Async({inType} request);"); //拼装if调用语句
sbIfState.AppendFormat("//方法{0}.{1}\n",service.Name,method.Name);
sbIfState.AppendLine("if(req.MessageId == "+msgId+"){return this.Receive"+method.Name+"Async(context, req);}");
} //循环方法end
//生成主调用代码
sb.AppendLine("public Task ReceiveAsync(IRpcContext<AmpMessage> context, AmpMessage req)");
sb.AppendLine("{");
sb.Append(sbIfState);
sb.AppendLine("return Task.CompletedTask;");
sb.AppendLine("}");
sb.AppendLine("}"); //类结束
} private static string GetFileNamespace(FileDescriptorProto protofile) { string ns = protofile.Options.CsharpNamespace; if (string.IsNullOrEmpty(ns))
{ throw new Exception("" + protofile.Name + ".proto did not set csharp_namespace");
} return ConvertCamelCase(ns);
} private static string GetFileName(string fileProto) { string nomalName = fileProto.Split(‘.‘)[0]; return ConvertCamelCase(nomalName);
} private static string ConvertCamelCase(string nomalName) { return String.Join("", nomalName.Split(‘_‘).Select(_ => _.Substring(0, 1).ToUpper() + _.Substring(1)));
} private static string GetTypeName(string typeFullName) { return ConvertCamelCase(typeFullName.Split(‘.‘).Last());
}
}
}然后我们编写一个proto文件测试以下
//benchmark.protosyntax = "proto3";package dotbpe;
option csharp_namespace = "DotBPE.IntegrationTesting";import public "dotbpe_option.proto";
option optimize_for = SPEED;//Benchmark测试服务service BenchmarkTest{
option (service_id)= 50000 ;//设定服务ID
//测试发送Echo消息
rpc Echo (BenchmarkMessage) returns (BenchmarkMessage){
option (message_id)= 1 ;//设定消息ID
};//Echo尾部的注释
// 测试发送退出消息
rpc Quit (Void) returns (Void){
option (message_id)= 10000 ;//设定消息ID
};//Quit尾部的注释}//我是void消息message Void {
}//我是BenchmarkMessage消息message BenchmarkMessage { //字段前的注释
string field1 = 1; //字段后的注释
//字段前的注释 多行
//字段前的字数多行
int32 field2 = 2; //字段后的注释
/**
* 字段前注释特殊格式
* 字段前注释特殊格式多行
*/
int32 field3 = 3; string field4 = 4;
repeated fixed64 field5 = 5; string field9 = 9; string field18 = 18; bool field80 = 80; bool field81 = 81; int32 field280 = 280 ; int32 field6 = 6; int64 field22 = 22 ; bool field59 = 59 ; string field7 = 7; int32 field16 = 16 ; int32 field130 = 130 ; bool field12 = 12 ; bool field17 = 17; bool field13 = 13; bool field14 = 14; int32 field104 = 104 ; int32 field100 = 100 ; int32 field101 = 101 ; string field102 = 102; string field103 = 103; int32 field29 = 29 ; bool field30 = 30 ; int32 field60 = 60 ; int32 field271 = 271 ; int32 field272 = 272; int32 field150 = 150; int32 field23 = 23; bool field24 = 24; int32 field25 = 25 ; bool field78 = 78 ; int32 field67 = 67; int32 field68 = 68 ; int32 field128 = 128 ; string field129 = 129 ; int32 field131 = 131 ;
}// dotbpe_option.proto// [START declaration]syntax = "proto3";package dotbpe;// [END declaration]// [START csharp_declaration]option csharp_namespace = "DotBPE.ProtoBuf";// [END csharp_declaration]import "google/protobuf/descriptor.proto";//扩展服务extend google.protobuf.ServiceOptions { int32 service_id = 51001; bool disable_generic_service_client = 51003; //是否生成客户端代码
bool disable_generic_service_server = 51004; //是否生成服务端代码}
extend google.protobuf.MethodOptions { int32 message_id = 51002;
}
extend google.protobuf.FileOptions { bool disable_generic_services_client = 51003; //是否生成客户端代码
bool disable_generic_services_server = 51004; //是否生成服务端代码
bool generic_markdown_doc = 51005; //是否生成文档}上面的dotbpe_option.proto 我们proto文件进行了自定义的扩展，添加一些自己需要的额外信息，其实所有扩展都是对descriptor.proto中消息的扩展。
然后我们通过命令来生成一下，这里有个特殊的约定，一定要注意当我们设置
protoc-gen-dotbpe=../../tool/ampplugin/dotbpe_amp.exe 插件的名称protoc-gen-dotbpe时，那么输出的目录一定要写成--dotbpe_out ，两个名字一点要匹配哦
set -excd $(dirname $0)/../../test/IntegrationTesting/ PROTOC=protoc PLUGIN=protoc-gen-dotbpe=../../tool/ampplugin/dotbpe_amp.exe IntegrationTesting_DIR=./DotBPE.IntegrationTesting/$PROTOC -I=./protos --csharp_out=$IntegrationTesting_DIR --dotbpe_out=$IntegrationTesting_DIR ./protos/benchmark.proto --plugin=$PLUGIN
差不多就结束了，相关的代码可以在https://github.com/xuanye/dotbpe/tree/develop/src/tool 查看到，这是我最近在写的一个C#的rpc框架，现在完成了基本的功能，还需要进一步完善，有机会再介绍把。
descriptor.proto信息挖掘
我们注意到在descriptor.proto文件中包含有这样的一个message: SourceCodeInfo, 这个消息体里有如下字段
optional string leading_comments = 3; optional string trailing_comments = 4; repeated string leading_detached_comments = 6;
这是非常有意思的定义，意思是可以在运行时获取到proto文件中的注释。这可以帮助我们生成 文档或者代码注释，但是读取逻辑比较复杂，其内部有一个通过Path和Span来定位元素的逻辑。因为在实际的情况中，一般都是要获取Service和Message上的注释，那么就来专门讨论一下如何获取这两个类型的注释吧。
下面是 SourceCodeInfo.Location 中我们需要用到Path示例
* [4, m] - Message的注释 * [4, m, 2, f] - Message 中 字段（field）的注释 * [6, s] - Service的注释 * [6, s, 2, r] - Service中Rpc方法的注释
where:
m- proto文件中Message的索引（就是第几个定义的Message）, 从0开始f- Message中Field字段的索引（就是第几个字段）, 从0开始s- proto文件中Service的索引, 从0开始r- Service中Rpc方法的索引, 从0开始
like this:
// [4, 0] 就是这里的注释 message MyMessage { // [4, 0, 2, 0] 在这里
int32 field1 = 1; // [4, 0, 2, 0] 也在这里}// [4, 0] 就是这里的注释 // [6, 0] 在这里!service MyService { // [6, 0, 2, 0] 在这里!
rpc (MyMessage) returns (MyMessage);
}使用CSharp编写Google Protobuf插件
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