【网络】序列化反序列化

一、序列化反序列化

1、概念

在前文《网络编程套接字》中，我们实现了服务器与客户端之间的字符串通信，这是非常简单的通信，在实际使用的过程中，网络需要传输的不仅仅是字符串，更多的是结构化的数据（类似于class ,struct类似的数据）。

那么我们应该怎么发送这些结构化的数据呢？

如果我们直接发送结构化的数据本身，由于内存对齐的规则（默认对齐数）以及操作系统本身的不同等各种原因，就可能导致通信双方对数据的识别是不一致的，从而出现通信错误。

为了解决这种错误，我们就需要定义一种协议，来让双方能够进行正确通信，为此就有了序列化和反序列化。

• 序列化（Serialization)：具体来说，序列化是将对象转换为字节序列的过程，以便在网络上传输或者保存在本地文件中。
• 反序列化（Deserialization） ：是序列化的逆过程，即把字节序列恢复为对象的过程

例如：

我们可以定义结构体来表示需要交互的信息，发送数据时将这个结构体按照一个规则转换成字符串，接收到数据的时候再按照相同的规则把字符串转化回结构体。这个过程就叫做 “序列化” 和 “反序列化”。

根据某种约定，使一端发送时构造的数据，在另一端能够正确的进行解析。这种约定就是应用层协议。

2、序列化作用

• 数据交换：序列化可以将数据转换为跨平台兼容的格式，使得数据可以在不同的系统、编程语言之间进行交换和共享。
• 持久化存储：将对象序列化后，可以将其保存到磁盘、数据库等介质中，实现数据的持久化存储，防止程序退出或计算机宕机导致数据丢失。
• 网络通信：在网络通信中，可以将对象序列化后通过网络发送到其他计算机，接收端再进行反序列化，从而实现数据的传输和共享。
• 缓存优化：序列化后的数据可以被缓存，当需要时直接从缓存中读取，避免了频繁的数据库查询，提高了性能。

总的来说，序列化方便了数据的传输、保存和共享，同时还可以提高程序的性能和响应速度。

3、序列化框架的选择

在选择序列化和反序列化框架的时候，主要从以下两个方面进行考虑：

• 结果数据大小； 原则上来说，序列化后的数据越小，传输效率越高；
  
• 结构复杂程度；结构复杂度会影响序列化和发序列化的效率，结构越复杂，越耗时。
  

根据以上两点，对于性能要求不是太高的服务器程序，可以选择Json文本格式的序列化框架；对于性能要求比较高的程序程序，则应该选择传输效率更高的二进制序列化框架，建议使用Protobuf。

二、Json

1、介绍

Json（JavaScript Object Notation JS对象）是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。

Json 协议是一种文本协议，易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，并能有效地提升网络传输协效率，在JSON中，数据以键值对的方式表示，键是一个字符串，值可以是字符串、数字、布尔值、数组、对象或null。简单的JSON示例如下：

{  
  "name": "张三",  
  "age": 25,  
  "gender": "男"
}

JSON格式具有以下特点：

• 可读性高：JSON使用简洁明了的文本格式，易于人类阅读和理解。
• 轻量级：相较于其他数据交换格式如XML，JSON的数据表示更为紧凑，占用更少的存储空间和传输带宽。
• 平台无关性：JSON格式在不同的编程语言和平台之间具有良好的兼容性，可以方便地进行数据交换和共享。
• 支持多种数据类型：JSON支持包括字符串、数字、布尔值、数组、对象和null在内的多种数据类型。这使得JSON能够灵活地表示各种数据结构和复杂对象。
• 易于解析和生成：绝大多数编程语言都提供了JSON的解析和生成库，使得操作JSON数据变得十分方便和高效。
• 可扩展性：JSON格式支持通过嵌套和组合来表示更复杂的数据结构，可以根据具体需求进行扩展和定制。

2、简单使用

例如在CentOs环境中C++想使用Json需要先安装jsoncpp的第三方库：

sudo yum install -y jsoncpp-devel

jsoncpp的头文件会被安装在系统的 /usr/include/ 路径下。

动静态库被安装在 /lib64/路径下。

在实际使用是，我们只需要包含json.h头文件就行了

#include <jsoncpp/json/json.h>

在编译链接时，我们要链接jsoncpp的动态库

-l jsoncpp

Jsoncpp中的部分成员：

• Value：一种万能对象，能接收任意的kv类型，进行数据映射。
• FastWriter：是用来进行快速序列化，直接把数据序列化为一行字符串。
• StyledWriter：进行风格化的序列化，使字符串具有一定的格式更加美观。
• Reader：用来进行反序列化。

例如我们下面的需求是一个网络版本的计算器，客户端进行发送计算任务，服务端进行计算，我们使用jsoncpp来进行传输数据的序列化和反序列化。

• 客户端有三个数据： _x（左操作数） _y（右操作数 ）_op（操作符）
• 服务端有两个数据： _result(结果)，_code(计算结果的合法性，0表示正确，非零表示各种错误)

// 客户端请求
struct Request
{
    Request()
        :_x(0), _y(0), _op('+')
    {}
    Request(int x, int y, char op)
        :_x(x), _y(y), _op(op)
    {}
    // 序列化 ：struct --> string
    void Serialize(std::string* outstr)
    {
        Json::Value root;   //万能对象，接收任意类型。
        // 构建数据的映射关系
        root["x"] = _x;
        root["y"] = _y;
        root["op"] = _op;
        // 序列化
        Json::FastWriter writer;
        *outstr = writer.write(root);
    }
    // 反序列化 ： string -->struct
    bool Deserialize(const std::string& instr)
    {
        Json::Value root;
        // 反序列化
        Json::Reader reader;
        reader.parse(instr, root);
        // 提取映射的数据
        _x = root["x"].asInt();
        _y = root["y"].asInt();
        _op = root["op"].asInt();
        return true;
    }
public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
};
// 服务端响应
struct Response
{
    Response()
        :_result(0), _code(0)
    {}
    // 序列化 ：struct --> string
    void Serialize(std::string* outstr)
    {
        Json::Value root;
        // 构建数据的映射关系
        root["result"] = _result;
        root["code"] = _code;
        // 序列化
        Json::FastWriter writer;
        *outstr = writer.write(root);
    }
    // 反序列化 ：string -->struct
    bool Deserialize(const std::string& instr)
    {
      // 反序列化
        Json::Value root;
        Json::Reader reader;
        reader.parse(instr, root);
        // 提取映射的数据
        _result = root["result"].asInt();
        _code = root["code"].asInt();
        return true;
    }
public:
    int _result;
    int _code;
};