tunm二进制协议在python上的实现

tunm是一种对标JSON的二进制协议, 支持JSON的所有类型的动态组合

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支持的数据类型

基本支持的类型 "u8", "i8", "u16", "i16", "u32", "i32", "u64", "i64", "varint", "float", "string", "raw", "array", "map"

为什么我们需要二进制协议

下图是文本格式JSON与tunm的对比

类型	可读	可编辑	编码速度	解码速度	数据大小	预定义
JSON	✓	✓	慢	慢	大	否
tunm	x	x	快	快	小	否
protobuf	x	x	快	快	小	是

在高性能的场景下, 或者需要流量传输比较敏感的地方, 通常会选择二进制来代替文本协议来做为通讯的, 如RPC, REST, 游戏等情况。
相对于google protobuf, 它需要比较完善的预定义过程, 就比如客户端版本1, 服务端版本2, 就有比较大的可能造成不兼容, 对需求经常变化的就会比较难与同步。
tunm相对于JSON, 若第一版是

{
    "name": "tunm", "version": 1
}

此时第二版需要加入用户的id, 就可以很方便的变成

{
    "name": "tunm", "version": 2, "id": 1
}

而对客户端1来说, 只是多一个id的字段, 不会有任何的破坏, 做到版本升级而无影响

协议的二进制格式

数据协议分为三部分(协议名称, 字符串索引区, 数据区(默认为数组))
如数据协议名为cmd_test_op, 数据为["tunm_proto", {"name": "tunm_proto", "tunm_proto": 1}]

1. 那么数据将先压缩协议名cmd_test_op, 将先写下可变长度(varint)值为11占用1字节, 然后再写入cmd_test_op的utf8的字节数
2. 接下来准备写入字符串索引区, 索引数据用到的字符串为["tunm_proto", "name"]两个字符串, 即将写入可变长度(varint)值为2占用一字节, 然后分别写入字符串tunm_proto和name两个字符串, 这样子字符串相接近有利于压缩, 且如果有相同的字符串可以更好的进行复用
3. 接下来准备写入数据区,
   首先判断为一个数组, 写入类型u8(TYPE_ARR=16), 写入数组长度varint(2), 准备开始写第一个数据, 字符串tunm_proto, 已转成id, 则写入类型u8(TYPE_STR_IDX=14), 查索引号0, 则写入varint(0), 第一个字段写入完毕, 接下来第二个字段是一个map数据, 写入map长度varint(2), 然后进行遍历得到key值为name, 则写入写入类型u8(TYPE_STR_IDX=14),查索引号1, 则写入varint(1), 然后开始写name对应的值tunm_proto, 写入TYPE_STR_IDX类型的0值, 则这组key写入完毕, 依此类推写入第二组数据

协议的实现(小端对齐)

ByteBuffer的实现

ByteBuffer具有组装字节流的功能, 比如写入字符串, 写入int, 还有里面存储字符串索引区

class ByteBuffer(object):
    def __init__(self):
        # 字节缓冲区
        self.buffer = bytearray([00]*1024)
        # 写入的位置索引号
        self.wpos = 0
        # 读出的位置索引号
        self.rpos = 0
        # 大小端格式
        self.endianness = "little"
        # 索引的数组及快速查询的字符串索引号
        self.str_arr = []
        self.str_map = {}

ByteBuffer源码地址

类型的定义

@enum.unique
class TP_DATA_TYPE(IntEnum):
    TYPE_NIL = 0,
    TYPE_BOOL = 1,
    TYPE_U8 = 2,
    TYPE_I8 = 3,
    TYPE_U16 = 4,
    TYPE_I16 = 5,
    TYPE_U32 = 6,
    TYPE_I32 = 7,
    TYPE_U64 = 8,
    TYPE_I64 = 9,
    TYPE_VARINT = 10,
    TYPE_FLOAT = 11,
    TYPE_DOUBLE = 12,
    TYPE_STR = 13,
    TYPE_STR_IDX = 14,
    TYPE_RAW = 15,
    TYPE_ARR = 16,
    TYPE_MAP = 17,

数据的组装

变长的int类型, 用来写入string长度, 数组长度, map长度, 部分数值类型

@staticmethod
def encode_varint(buffer: ByteBuffer, value):
    '''
    如果原数值是正数则将原数值变成value*2
    如果原数值是负数则将原数值变成-(value + 1) * 2 + 1
    相当于0->0, -1->1, 1->2,-2->3,2->4来做处理
    因为小数值是常用的, 所以保证小数值及负数的小数值尽可能的占少位
    '''
    if type(value) == bool:
        value = 1 if value else 0
    real = value * 2
    if value < 0:
        real = -(value + 1) * 2 + 1
    
    for _i in range(12):
        # 每个字节的最高位来表示有没有下一位, 若最高位为0, 则已完毕
        b = real & 0x7F
        real >>= 7
        if real > 0:
            buffer.write_u8(b | 0x80)
        else:
            buffer.write_u8(b)
            break

写入字符串, 把字符串变成索引值, 如果协议里有大量重复的字符串可大大的节约协议的长度

@staticmethod
def encode_str_idx(buffer: ByteBuffer, value):
    '''
    写入字符串索引值, 在数值区里的所有字符串默认会被写成索引值
    如果重复的字符串则会返回相同的索引值(varint)
    '''
    idx = buffer.add_str(value)
    TPPacker.encode_type(buffer, TP_DATA_TYPE.TYPE_STR_IDX)
    TPPacker.encode_varint(buffer, idx)

写入各种对应的类型

@staticmethod        
def encode_field(buffer: ByteBuffer, value, pattern=None):
    '''
    先写入类型的值(u8), 则根据类型写入类型对应的的数据
    '''
    if not pattern:
        pattern = TPPacker.get_type_by_ref(value)
    if pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_NIL:
        return None
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_BOOL:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_bool(buffer, value)
    elif pattern >= TP_DATA_TYPE.TYPE_U8 and pattern <= TP_DATA_TYPE.TYPE_I8:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_number(buffer, value, pattern)
    elif pattern >= TP_DATA_TYPE.TYPE_U16 and pattern <= TP_DATA_TYPE.TYPE_I64:
        TPPacker.encode_type(buffer, TP_DATA_TYPE.TYPE_VARINT)
        TPPacker.encode_varint(buffer, value)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_FLOAT:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_number(buffer, value, pattern)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_DOUBLE:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_number(buffer, value, pattern)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_STR:
        TPPacker.encode_str_idx(buffer, value)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_RAW:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_str_raw(buffer, value)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_ARR:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_arr(buffer, value)
    elif pattern == TP_DATA_TYPE.TYPE_MAP:
        TPPacker.encode_type(buffer, pattern)
        TPPacker.encode_map(buffer, value)
    else:
        raise Exception("unknow type")
        
@staticmethod
def encode_arr(buffer: ByteBuffer, value):
    '''
    写入数组的长度, 再写入各各元素的值
    '''
    TPPacker.encode_varint(buffer, len(value))
    for v in value:
        TPPacker.encode_field(buffer, v)
        
@staticmethod
def encode_map(buffer: ByteBuffer, value):
    '''
    写入map的长度, 再分别写入map各元素的key, value值
    '''
    TPPacker.encode_varint(buffer, len(value))
    for k in value:
        TPPacker.encode_field(buffer, k)
        TPPacker.encode_field(buffer, value[k])

写入一条协议

@staticmethod
def encode_proto(buffer: ByteBuffer, name, infos):
    '''
    写入协议名称, 然后写入字符串索引区(即字符串数组), 然后再写入协议的详细数据
    '''
    sub_buffer = ByteBuffer()
    TPPacker.encode_field(sub_buffer, infos)

    TPPacker.encode_str_raw(buffer, name, TP_DATA_TYPE.TYPE_STR)
    TPPacker.encode_varint(buffer, len(sub_buffer.str_arr))
    for val in sub_buffer.str_arr:
        TPPacker.encode_str_raw(buffer, val, TP_DATA_TYPE.TYPE_STR)

    buffer.write_bytes(sub_buffer.all_bytes())

解码与编码的过程相反, 类似的过程

tunm源码地址

相关连接

协议地址https://github.com/tickbh/TunmProto

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