MessagePack簡析

一、MessagePack是什麼

先看官方的定義：MessagePack是一種高效的二進制序列化格式。它允許您像JSON一樣在多個語言之間交換數據。但是，它更快並且更小。

 

從官方定義中，可以有如下的結論：

1. MessagePack是一個二進制序列化格式，因而它序列化的結果可以在多個語言間進行數據的交換。

2. 從性能上講，它要比json的序列化格式要好。

3. 從結果大小上講，它要比json的序列化結果要小。

 

但是官方並沒有提MessagePack和google pb的對比，實際上從空間和時間兩個方面對比，pb均要優於MessagePack，但pb相對MessagePack 的缺點是支持的語言種類比較少，需要編寫專門的 .proto文件，使用上沒有MessagePack方便。

 

二、MessagePack的主要概念

 

2.1 type system

類型體系是MessagePack的基礎，也是MessagePack在序列化後比json佔用空間小的關鍵。當前包含的type有如下幾類：

• Integer represents an integer
• Nil represents nil
• Boolean represents true or false
• Float represents a IEEE 754 double precision floating point number including NaN and Infinity
• Raw
  • String extending Raw type represents a UTF-8 string
  • Binary extending Raw type represents a byte array
• Array represents a sequence of objects
• Map represents key-value pairs of objects
• Extension represents a tuple of type information and a byte array where type information is an integer whose meaning is defined by applications or MessagePack specification
  • Timestamp represents an instantaneous point on the time-line in the world that is independent from time zones or calendars. Maximum precision is nanoseconds.

 

這個類型體系將我們在代碼開發中用到的數據格式進行了映射，並且通過Extension這個類型給使用者留出了自由擴充的空間，但由於表示形式的限制，當前Extension最多有127個。

 

每一種類型能夠表示的範圍可以查看MessagePack規範中的Limitation部分和Extension types部分。

 

2.2 formats

在MessagePack中一個value的組成格式是這樣的：類型[長度][data]。下面列出幾個示例，詳細完整的描述請看附錄中的MessagePack規範。

 

2.2.1常量型

比如對於null、true、false這三個值，在MessagePack會被固定的映射爲如下的值。

format name	first byte (in binary)	first byte (in hex)
nil	11000000	0xc0
false	11000010	0xc2
true	11000011	0xc3

2.2.2 int型（包含有符號整數和無符號整數）

 

示例如下

 

• 0xcc表示當前的值的類型是無符號整數並且長度不超過8個bit，具體的值內容需要通過後續8個bit位的內容來計算
• 0xcd表示當前的值的類型是無符號整數並且長度不超過16個bit，具體的值內容需要通過後續16個bit位的內容來計算
• 0xd0表示當前的值的類型是有符號整數並且長度不超過8個bit，具體的值內容需要通過後續8個bit位的內容來計算
• 0xd1表示當前的值的類型是有符號整數並且長度不超過16個bit，具體的值內容需要通過後續16個bit位的內容來計算

 

uint 8 stores a 8-bit unsigned integer  
+--------+--------+
|  0xcc  |ZZZZZZZZ|
+--------+--------+

uint 16 stores a 16-bit big-endian unsigned integer
+--------+--------+--------+
|  0xcd  |ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|
+--------+--------+--------+

int 8 stores a 8-bit signed integer
+--------+--------+
|  0xd0  |ZZZZZZZZ|
+--------+--------+

int 16 stores a 16-bit big-endian signed integer
+--------+--------+--------+
|  0xd1  |ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|
+--------+--------+--------+

 

2.2.3 字符串

 

• 0xd9表示當前的值的類型是字符串並且長度不超過(2^8)-1個bytes ，具體的長度需要通過後續8個bit位的內容來計算，字符串的具體內容是後續長度的byte所表示的內容
• 0xda表示當前的值的類型是字符串並且長度不超過(2^16)-1個bytes ，具體的長度需要通過後續16個bit位的內容來計算，字符串的具體內容是後續長度的byte所表示的內容

 

str 8 stores a byte array whose length is upto (2^8)-1 bytes:
+--------+--------+========+
|  0xd9  |YYYYYYYY|  data  |
+--------+--------+========+

str 16 stores a byte array whose length is upto (2^16)-1 bytes:
+--------+--------+--------+========+
|  0xda  |ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|  data  |
+--------+--------+--------+========+
 

　　

2.2.4 數組

 

• 0xdc表示當前的值的類型是數組並且長度不超過(2^16)-1個元素 ，具體的長度需要通過後續16個bit位（兩個byte）的內容來計算，計算出來的值就是數組元素的個數
• 0xdd表示當前的值的類型是數組並且長度不超過(2^32)-1個元素 ，具體的長度需要通過後續32個bit位（4個byte）的內容來計算，計算出來的值就是數組元素的個數

 

array 16 stores an array whose length is upto (2^16)-1 elements:
+--------+--------+--------+~~~~~~~~~~~~~~~~~+
|  0xdc  |YYYYYYYY|YYYYYYYY|    N objects    |
+--------+--------+--------+~~~~~~~~~~~~~~~~~+

array 32 stores an array whose length is upto (2^32)-1 elements:
+--------+--------+--------+--------+--------+~~~~~~~~~~~~~~~~~+
|  0xdd  |ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|ZZZZZZZZ|    N objects    |
+--------+--------+--------+--------+--------+~~~~~~~~~~~~~~~~~+

　　

 

2.2.5 小結

 

 

 

2.3 Serialization：type to format conversion

 

source types	output format
Integer	int format family (positive fixint, negative fixint, int 8/16/32/64 or uint 8/16/32/64)
Nil	nil
Boolean	bool format family (false or true)
Float	float format family (float 32/64)
String	str format family (fixstr or str 8/16/32)
Binary	bin format family (bin 8/16/32)
Array	array format family (fixarray or array 16/32)
Map	map format family (fixmap or map 16/32)
Extension	ext format family (fixext or ext 8/16/32)

 

If an object can be represented in multiple possible output formats, serializers SHOULD use the format which represents the data in the smallest number of bytes.

 

2.4 Deserialization: format to type conversion

source formats	output type
positive fixint, negative fixint, int 8/16/32/64 and uint 8/16/32/64	Integer
nil	Nil
false and true	Boolean
float 32/64	Float
fixstr and str 8/16/32	String
bin 8/16/32	Binary
fixarray and array 16/32	Array
fixmap map 16/32	Map
fixext and ext 8/16/32	Extension

 

三、爲什麼MessagePack比json序列化使用的字節流更少

 

3.1 直觀對比

可以通過下圖的兩張圖簡單進行下對比，第一張圖是同一個數據類型的內容用json和messagepack序列化的結果。

 

 

 

從第二張圖可以明顯看到messagepack要比json佔用的空間更少。

 

3.2 序列化結果只有value且value進行了專屬映射

 

這張圖是MessagePack官網上的，用來進行json和MessagePack序列化結果的對比，實際情況是否確實如此呢？

我本地使用的msgpack-0.6.12版本。

代碼如下：

 

public class MessagePackSerializationCompareJson {

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage {
        // public fields are serialized.
        public boolean compact;
        public int schema;
        
        public  String toString() {
            return "compact:"+compact+";schema:"+schema;
        }

    }
    /**
     * 
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
      //初始化一個對象
        MyMessage src = new MyMessage();
        src.compact = true;
        src.schema=0;
        
      //利用MessagePack進行序列化
        MessagePack msgpack = new MessagePack();
        // Serialize
        byte[] bytes = msgpack.write(src);
        System.out.println("msgpack result length:"+bytes.length);
        
        //利用json進行序列化
        String jsonResult = JSONObject.toJSON(src).toString();
        System.out.println("json result length:"+jsonResult.getBytes().length);
        
    }

}

　　

 

運行結果如下：

 

json result length:27
msgpack result length:3

　　

 

json序列化的結果是27，和官網圖片中的結果相同。但MessagePack的序列化結果是3，要比官網中的數字小很多。

按照上面圖片的解釋應當是：

• 第一個byte是82，表示序列化後的結果有兩個元素
• 第二個byte是c3，表示第一個元素的值是true
• 第三個byte是00，表示第二個元素的值是0

 

爲了驗證我們的推測，我們可以在MyMessage類中再添加一個boolean類型的屬性，但不給這個屬性賦值，按照java的規範，這個屬性的值就是false，按照MessagePack的規範，就會被轉爲一個byte的c2，這樣msgpack序列化後的長度值就是4.  而json序列化的增加值要增加不少，是屬性名稱的長度+5（false的長度）+4（要增加兩個雙引號，一個逗號，一個冒號），如果屬性名稱長度是4，則一共會增加13個byte，總長度就是40.

public class MessagePackSerializationCompareJson {

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage {
        // public fields are serialized.
        public boolean compact;
        public int schema;
        public boolean link;
        
        
        public  String toString() {
            return "compact:"+compact+";schema:"+schema+";link:"+link;
        }

    }
    /**
     * 
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
      //初始化一個對象
        MyMessage src = new MyMessage();
        src.compact = true;
        src.schema=0;
        
      //利用json進行序列化
        String jsonResult = JSONObject.toJSON(src).toString();
        System.out.println("json result length:"+jsonResult.getBytes().length);
        
      //利用MessagePack進行序列化
        MessagePack msgpack = new MessagePack();
        // Serialize
        byte[] bytes = msgpack.write(src);
        System.out.println("msgpack result length:"+bytes.length);
        
        
        
    }

}

　　

上面代碼的執行的結果也符合猜測：

 

json result length:40
msgpack result length:4

　　

 

從這個數字上看，MessagePack明顯優於json，特別是在屬性多的情況下差距會更大。即使json中把key去掉，序列化後的結果也要比MessagePack佔用的空間大。

 

3.2 序列化對象的屬性順序不能變動

3.1分析了MessagePack序列化的結果中只包含了value，而不包含key。因而在進行反序列化需要保證類中屬性的順序必須保證完全一致，否則就會出錯：

如果兩個屬性的類型一致，可以反序列化，但是值發生錯亂。

如果兩個屬性的類型不一致，會拋出類型不匹配異常。

 

3.2.1 順序不同，類型相同

 

public class SimpleMessagePackPractice {

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage {
        // public fields are serialized.
        public boolean compact;
        public boolean link;

        public String toString() {
            return "link:" + link + ";compact:" + compact;
        }
    }

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage2 {
        // public fields are serialized.
        public boolean link;
        public boolean compact;

        public String toString() {
            return "link:" + link + ";compact:" + compact;
        }
    }

    /**
     * 
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //初始化一個對象
        MyMessage src = new MyMessage();
        src.compact = true;
        src.link = false;

        //利用MessagePack進行序列化
        MessagePack msgpack = new MessagePack();
        // Serialize
        byte[] bytes = msgpack.write(src);

        //利用MessagePack進行反序列化
        MyMessage2 dst = msgpack.read(bytes, MyMessage2.class);
        System.out.println("msgpack 原始數據:" + src);
        System.out.println("msgpack 反序列化:" + dst);
        
        
    }

}

　　

 

上述代碼的執行結果如下：

msgpack 原始數據:link:false;compact:true
msgpack 反序列化:link:true;compact:false

 

3.2.1 順序不同，類型不同

 

public class SimpleMessagePackPractice {

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage {
        // public fields are serialized.
        public boolean compact;
        public String link;

        public String toString() {
            return "link:" + link + ";compact:" + compact;
        }
    }

    @Message // Annotation
    public static class MyMessage2 {
        // public fields are serialized.
        public String link;
        public boolean compact;

        public String toString() {
            return "link:" + link + ";compact:" + compact;
        }
    }

    /**
     * 
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //初始化一個對象
        MyMessage src = new MyMessage();
        src.compact = true;
        src.link = "www.baidu.com";

        //利用MessagePack進行序列化
        MessagePack msgpack = new MessagePack();
        // Serialize
        byte[] bytes = msgpack.write(src);

        //利用MessagePack進行反序列化
        MyMessage2 dst = msgpack.read(bytes, MyMessage2.class);
        System.out.println("msgpack 原始數據:" + src);
        System.out.println("msgpack 反序列化:" + dst);
        
        
    }

}

　　

執行結果：

 

Exception in thread "main" org.msgpack.MessageTypeException: Expected raw value, but got boolean
	at org.msgpack.unpacker.Accept.acceptBoolean(Accept.java:33)
	at org.msgpack.unpacker.MessagePackUnpacker.readOneWithoutStackLarge(MessagePackUnpacker.java:154)
	at org.msgpack.unpacker.MessagePackUnpacker.readOneWithoutStack(MessagePackUnpacker.java:139)
	at org.msgpack.unpacker.MessagePackUnpacker.readOne(MessagePackUnpacker.java:73)
	at org.msgpack.unpacker.MessagePackUnpacker.readString(MessagePackUnpacker.java:502)
	at org.msgpack.template.StringTemplate.read(StringTemplate.java:46)
	at org.msgpack.template.StringTemplate.read(StringTemplate.java:25)
	at org.msgpack.template.AbstractTemplate.read(AbstractTemplate.java:31)
	at com.my.msgpack.SimpleMessagePackPractice$MyMessage2_$$_Template_1305193908_1.read(SimpleMessagePackPractice$MyMessage2_$$_Template_1305193908_1.java)
	at org.msgpack.template.AbstractTemplate.read(AbstractTemplate.java:31)
	at org.msgpack.MessagePack.read(MessagePack.java:388)
	at org.msgpack.MessagePack.read(MessagePack.java:371)
	at com.my.msgpack.SimpleMessagePackPractice.main(SimpleMessagePackPractice.java:61)

　　

 

參考資料

1. MessagePack specification https://github.com/msgpack/msgpack/blob/master/spec.md#type-system
2. https://www.jianshu.com/p/8c24bef40e2f
3. http://jimmee.iteye.com/blog/2042420
4. http://blog.csdn.net/weiyuefei/article/details/52208186

5.