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基于 protobuf 協議實現高性能的 IM 客戶端

ssshooter / 2811人閱讀

摘要：涉及到計算機基礎知識，例如字節緩沖大小端等。是指用多少位表示的整數，例如就是用位即一個字節表示的整數，二進制范圍是，對應的十進制就是。開發時通訊雙方或者多方終端都遵循協議。

這里記錄了使用 protobuf 協議與服務端數據交互的相關內容和知識。
涉及到計算機基礎知識，例如字節、buffer 緩沖、大小端等。
字節 / Byte

1 字節代表了 8 位（bit）二進制，1 位就是 0 或 1，也是計算機最小單位。

Uint 與 Int

Int 是帶正負號的整數，Uint 是從 0 開始計的整數。

Uintx 是指用多少位表示的整數，例如 Uint8 就是用 8位（即一個字節） 表示的整數，二進制范圍是 00000000 ~ 11111111，對應的十進制就是 0 ~ 255。

但是人類的數學里面負數，所以 Int8 就描述了包含負數在內的整數范圍，即十進制的 -128 ~ 127

更多描述如下所示

Uint8 -- (0 to 2^8 - 1)
Int8 -- (-2^7 to +2^7 - 1)

Uint16 -- (0 to 2^16 - 1)
Int16 -- (-2^15 to +2^15 - 1)

Uint32 -- (0 to 2^32 - 1)
Int32 -- (-2^31 to +2^31)

Uint64 -- (0 to 2^64 - 1)
Int64 -- (-2^63 to +2^63 - 1)
ArrayBuffer

ArrayBuffer?對象用來表示通用的、固定長度的原始二進制數據緩沖區。參考MDN

// 以下為創建 12 個字節的 buffer 的例子

const buffer = new ArrayBuffer(12);

上面的操作代表向操作系統申請了 12 字節的二進制緩沖，大概如下分布

| 00000000 | 00000000 | 00000000 | 00000000 | ...(還有8字節)

ArrayBuffer 對象并不能直接被操作，需要通過 TypedArray 對象實例或者 DataView 實例作為橋梁來操作。

// Uint8Array 的單位為一字節與 ArrayBuffer 的基本單位吻合
const uint8 = new Uint8Array(buffer);

console.log(uint0) // 輸出 [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

uint8[0] = 12; // 此時 buffer 變成 [12, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

TypedArray 對象一覽 MDN

類型 大?。ㄗ止潌挝唬?/th> 描述 Web IDL type
Int8Array 1 8位二進制帶符號整數 -2^7~(2^7) - 1 byte
Uint8Array 1 8位無符號整數 0~(2^8) - 1 octet
Int16Array 2 16位二進制帶符號整數 -2^15~(2^15)-1 short
Uint16Array 2 16位無符號整數 0~(2^16) - 1 unsigned short
Int32Array 4 32位二進制帶符號整數 -2^31~(2^31)-1 long
Uint32Array 4 32位無符號整數 0~(2^32) - 1 unsigned int
Float32Array 4 32位IEEE浮點數 unrestricted float
Float64Array 8 64位IEEE浮點數 unrestricted double

除了 TypedArray，還可以通過 DataView 來做更細致的操作

例如我們需要在特定字節段內寫入對應的數據

| DataLen 4 個字節 | SessionID 8 個字節 | ...

const view = new DataView(buffer);

const DataLen = 100; // buffer 數據總長度
const SessionID = 123456789; // SessionID

// 最后的參數為大小端排序
view.setUint32(0, DataLen, true);
view.setBigUint64(4, BigInt(SessionID), true);

讀取內容

const view = new DataView(buffer);

// 讀取小端字符順序
const DataLen = view.getUint32(0, true);
const SessionID = view.getBigUint64(4, true);
什么是大小端

Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

更多詳情參考維基百科的字節順序

JS 的大數處理

JS 并不能處理 Int64 精度的數，所以在 stage 3 引入了 BigInt API，解決大數精度問題，Chrome 和 Firefox 已經支持，但是 Safari 并不支持，需要用另外的辦法處理。

兼容方式參考 這里

Protobuf 應用

Google Protocol Buffers 是一種輕便高效的結構化數據存儲格式，可以用于結構化數據串行化，或者說序列化。

開發時通訊雙方或者多方終端都遵循 proto 協議。

然后看看前端如何使用 protobuf

Google 官方的庫對 JS 支持不是太友好，這里我們使用 protobuf.js 庫

創建一個 sdk.proto 文件

syntax = "proto3";

package yourPackage;

message LoginReq {
  string UserName = 1;
  string Password = 2;
}
yarn add protobufjs -D

# 使用 protobufjs 提供的 Command line
pbjs ./sdk.proto -t static-module > ./sdk.js

# 生成 ts 聲明文件
pbts -o ./sdk.d.ts ./sdk.js

生成好文件即可使用

import SDK from "./sdk";

const { LoginReq } = SDK.yourPackage;

const payload = {
  UserName: "alex",
  Password: "123"
}

const message = LoginReq.create(payload); // or use .fromObject if conversion is necessary

// encode 信息
const protoBuffer = LoginReq.encode(message).finish();

// 把 protobuf buffer 寫入到上面的 SessionID buffer 信息中

const uint8 = new Uint8Array(buffer);
uint8.set(protoBuffer, offset)

// 使用 websocket 發送 arrayBuffer 數據
const socket = new WebSocket(host)
socket.onopen = () => {
  socket.send(protoBuffer)
}
socket.onmessage = () => {
  // decode operator
}
總結

這里只是簡單的記錄過程，如果想要更多細節的信息，可以參考 little-chat 的源碼

參考

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