Go微服务（二）——Protobuf详细入门

传说之下的花儿

发布于 2023-04-16 15:30:52

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发布于 2023-04-16 15:30:52

Protobuf入门

1. 为什么选择Protobuf

Protobuf是Protocol Buffers的简称，它是Google公司开发的⼀种数据描述语⾔，并于2008年对外开源。Protobuf刚开源时的定位类似于XML、JSON等数据描述语⾔，通过附带⼯具⽣成代码并实现将结构化数据序列化的功能。但是我们更关注的是Protobuf作为接⼝规范的描述语⾔，可以作为设计安全的跨语⾔PRC接⼝的基础⼯具。

什么是Protobuf?
- Protobuf是Protocol Buffers的简称。
- Google 2008年开源的一种数据描述语言。
- 接口规范的描述语言
- 附带工具生成代码并实现将结构化数据序列化的功能。
- 设计安全的跨语言RPC接口的基础工具
Protobuf的优势：
- 编解码效率
- 高压缩比
- 多语言支持

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2. Go 语言Protobuf开发环境搭建

Protobuf 编译器：

Protobuf的编译器叫做：protoc（protobuf compiler）

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Golang安装使用Protobuf：

1. 下载Protobuf的编译器

下载protobuf的编译器，点击前往：

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解压，解压位置看你自己，解压后将/bin/protoc.exe添加到环境变量里

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测试： cmd 输入 protoc --version

2. 安装go protocol buffers的插件 protoc-gen-go

Protobuf核⼼的⼯具集是C++语⾔开发的，在官⽅的protoc编译器中并不⽀持Go语⾔。要想基于 .proto⽂件⽣成相应的Go代码，需要安装相应的插件。

cmd输入：

go install google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go@latest

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这个插件会自动下载到你的go path的bin目录下。（编译器会自动到这里找这个插件）

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3. 实战测试：

创建 myProto.proto 文件

syntax = "proto3";
package main;

option go_package = "./";

message String {
  string name = 1;
  int64  age  = 2;
}

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注意：如果在上面protoc --version成功，而这里提示无法识别protoc命令的话，重启一下goland就好了。

3. Protobuf基本用法

首先看下下面这个proto文件，我们后面的proto基本用法都是基于这个proto进行讲解

syntax = "proto3";
package pkgName;

option go_package = "./";

message mmData {
	optional int32 num = 1;
	optional int32 def_num = 2 [default=10];
	required string str = 3;
	repeated string rep_str = 4;
}

0. 使用protoc 生成go文件

（可看完·3. Protobuf的基本用法·，在来看这部分）

---my_project
   |---06-protocol_buffers
       |---pbrpc
            |---service
                   |---service.proto

pbrpc/service/service.proto:

syntax = "proto3";
package hello;

// go module = MicroServiceStudy01
option go_package = "MicroServiceStudy01/06-protocol_buffers/pbrpc/service";

message Request{
  string value = 1;
}

使用protoc：

cd 06-protocol_buffers/pbrpc/service

protoc -I . --go_out=. hello.proto

如果这样执行的话，他的结果是在你go_out目录（这里是当前目录）存放，并且按照你定义的go_package的名称，在你go_out目录下创建一个目录结构：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6fqwrVSl-1656744527439)(images/image-20220617115756964.png)]

如果你不想让他帮你生成一个go_package的目录结构，那么就需要指定一个前缀：

protoc -I . --go_out=. --go_opt=module="MicroServiceStudy01/06-protocol_buffers/pbrpc/service" hello.proto

这样就没有再根据go_pacakage生成目录结构，而是直接存放在了go_out目录：

我不理解，如果目的是存放在当前目录，为什么不把go_package="./"，如果想存放在当前目录下的子目录，就go_package=“./subpkg “，上面这种做法，我无法理解，暂时就当做学了个参数用法吧，有大佬明白的可以留言。

--go_out=./：proto-gen-go插件编译产物的存放目录，这里是存放到当前目录，注意生成的.pb.go文件的最终位置是你的--go_out=?位置+go_package=?位置，后者是在--go_out位置之后，进一步指定生成的.pb.go文件的存放路径。
-I ../：--proto_path=PATH的缩写表示引入文件的目录路径，这里有坑。（这里如果看不懂，看到下面的import就明白了） -I参数简单来说，就是如果多个proto文件之间有互相依赖，生成某个proto文件时，需要import其他几个proto文件，这时候就要用-I来指定搜索目录。如果没有指定-I参数，则在当前目录进行搜索。（这里的例子命令便是）每个-I参数都引入一个目录，proto文件中引入了几个外部proto文件理论来说就需要多少个-I（同一目录的可以一次性引入），再加上待编译的proto也需要引入，所以上面这里就用了两个-I来引入目录文件。
--go_opt=moudle=....：protoc—gen-go插件的opt参数，采用go moudle模式.
hello.proto：proto文件路径。

1. syntax

表明使用proto3语法；如果你没有指定这个，编译器会使用proto2语法；这个指定语法行必须是文件的非空非注释的第一个行

2. 包（Package）

proto文件使用关键字package指定当前包名，类似于模块，定义proto包名,可以为.proto文件新增一个可选的package声明符作为生成语言的namespace，用来防止不同的消息类型有命名冲突.

3. 选项（Options）

在定义.proto文件时能够标注一系列的options。Options并不改变整个文件声明的含义，但却能够影响特定环境下处理方式。完整的可用选项可以在google/protobuf/descriptor.proto找到。

在消息定义之前，可以通过option来进行配置，常用的option：

option go_package = "path;name";

path 表示生成的go文件的存放地址，会自动生成目录的。
name 表示生成的go文件所属的包名

4. 消息类型（message）

Protobuf中定义一个消息类型是通过关键字message字段指定的，这个关键字可以理解为Go语言的stuct关键字，用protobuf编译器将proto编译成Go代码之后，每个message都会生成一个名字与之对应的stuct结构体。

如上面的，就会生成一个名字为mmData的结构体。

变量（字段）的定义格式为：

[修饰符（可选）][数据类型][变量名（字段名）] = [唯一标识符] ;

其中唯一标识符是用来标识字段的，同一个message中字段的标识符不能相同。

1. 字段规则（字段修饰符）

message中的字段规则有三种。

required: 字段属性为必填字段。若不设置，则会导致编解码异常，导致消息被丢弃。
optional : 字段属性为可选字段。发送方可以选择性根据需要进行设置；对于optional属性的字段，可以通过default关键字为字段设置默认值，即当发送方没有对该字段进行设置的时候，将使用默认值。如果没有对字段设置默认值，就会根据特定的类型给字段赋予特定的默认值。对于bool类型，默认值为false；对于string类型，默认值为空字符串；对于数值类型，默认值为0；对于枚举类型，默认值是枚举类型中的第一个值。
repeated : 字段属性为可重复字段，该字段可以包含[0,n]个元素，字段中的元素顺序被保留。类似于go的切片。

注意:

在proto3版本中，字段规则上移除了required，并把optional字段改名为singular。所有没有指定字段规则的字段默认为optional，对于为什么删除了require规则，参考:为什么 proto3 移除了 required 和 optional？
在proto2版本中，默认配置下，一个optional没有被设置或者被显示的设置为默认值，在序列化二进制格式的时候，这个字段将会被去掉，导致反序列化之后，无法区分当初没有设置还是设置了默认值，即使使用hasXXX()方法，对于设置的默认值的字段，也是返回false。解决方法：区分 Protobuf 中缺失值和默认值

2. 标识号（唯一标识符）

在消息体的定义中，每个字段都必须要有一个唯一的标识号。

这些标识号是用来在消息的二进制格式中识别各个字段的，一旦使用就不能再改变，否则会导致原有消息编解码出现异常。

标识号是[0，2^29 - 1]范围内的一个整数，其中**[19000,19999)之间的标识号在protobuf协议的实现中被预留了**，所以特写注意不要使用这个范围内的标识号，若使用进行编译的时候也会告警：

Field numbers 19000 through 19999 are reserved for the protocol buffer library implementation.

注意： [1,15]内的标识号在编码的时候占用一个字节，[16,2047]之内的标识符占用两个字节，所以尽量为频繁使用的字段分配[1,15]内的标识号，另外预留出来一部分给未来可能频繁使用的字段。

3. 数据类型

3.1 基本数据类型

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关于字段的默认值： string类型的变量，默认值是空字符串 bytes类型的变量，默认值是空byte数组 bool类型的变量，默认值是false 数字类型的变量，默认值是0 枚举类型的变量，默认值是第一个枚举值,而且这个第一个枚举值的数字值必须是0

3.2 枚举类型

字段类型除了上述基本的字段类型之外，也可以是枚举类型。

syntax = "proto3";
package main;

option go_package = "./";

// 定义枚举类型
enum DayName {
  Sun  = 0;
  Mon  = 1;
  Tues = 2;
  Wed  = 3;
  Thur = 4;
  Fri  = 5;
  Sat  = 6;
}

message workDay {
  // 消息类型使用枚举类型
  optional DayName day = 1;
}

protoc --go_out=./ hello.proto生成的go文件里对应为const：

// 定义枚举类型
type DayName int32

const (
	DayName_Sun  DayName = 0
	DayName_Mon  DayName = 1
	DayName_Tues DayName = 2
	DayName_Wed  DayName = 3
	DayName_Thur DayName = 4
	DayName_Fri  DayName = 5
	DayName_Sat  DayName = 6
)
....
type WorkDay struct {
	state         protoimpl.MessageState
	sizeCache     protoimpl.SizeCache
	unknownFields protoimpl.UnknownFields

	// 消息类型使用枚举类型
	Day *DayName `protobuf:"varint,1,opt,name=day,proto3,enum=main.DayName,oneof" json:"day,omitempty"`
}

枚举常量的值必须在32位整数范围内，因为enum值是使用可编码方式存储的，对负数存储不够高效，因此不推荐在enum中使用负数。

枚举类型可以定义在message内，也可以定义在message外，若定义在message内，其他message要使用则需要通过messageType.enumType来进行引用。

默认情况下，枚举类型中的字段值不可重复，但是通过对enum添加option allow_alias = true;来达到对同一个枚举值起一个别名的目的，若不添加allow_alise并且有重复的枚举值编译的时候会报错。

syntax = "proto3";
package pkgName;

option go_package = "./";

// 定义枚举类型
enum DayName {
  // 若不添加该option，会报错:
  // "pkgName.Test" uses the same enum value as "pkgName.Sat".
  // If this is intended, set 'option allow_alias = true;' to the enum definition.
  option allow_alias = true;
  Sun                = 0;
  Mon                = 1;
  Tues               = 2;
  Wed                = 3;
  Thur               = 4;
  Fri                = 5;
  Sat                = 6;
  Test               = 6;  // Test与Sat字段值重名
}

3.3 map数据类型

除了上述类型之外，message还支持map<Type,Type>类型。

syntax = "proto3";
package pkgName;

option go_package = "./";

message TData {
  map<int32, string> data = 1;
}

在生成的go文件对应map类型：

type TData struct {
	state         protoimpl.MessageState
	sizeCache     protoimpl.SizeCache
	unknownFields protoimpl.UnknownFields

	Data map[int32]string `protobuf:"bytes,1,rep,name=data,proto3" json:"data,omitempty" protobuf_key:"varint,1,opt,name=key,proto3" protobuf_val:"bytes,2,opt,name=value,proto3"`
}

注意:

protobuf中的map实质上是无序的
proto中map类型不能用optional/required/repeated任何类型修饰。

3.4 message类型

protobuf允许将其他消息类型用作字段类型。

如下面userData中存在一个workDay类型的数据：

syntax = "proto3";
package pkgName;

option go_package = "./";
message workDay {
        int day = 1;
}

message userData {
        workDay userDays = 1;
}

3.5 嵌套消息类型

message可以无限嵌套

syntax = "proto3";
package pkgName;
option go_package = "./";

message OuterData1 {
  // 嵌套消息定义
  message TData {
    int32 a = 1;
  }

  // 引用嵌套消息
  TData            data1 = 1;
  OuterData2.TData data2 = 2;
}

message OuterData2 {
  // 嵌套消息定义
  message TData {
    int32 a = 1;
  }
}

在生成的hello.pb.go中对应：

type OuterData1 struct {
	state         protoimpl.MessageState
	sizeCache     protoimpl.SizeCache
	unknownFields protoimpl.UnknownFields

	// 引用嵌套消息
	Data1 *OuterData1_TData `protobuf:"bytes,1,opt,name=data1,proto3" json:"data1,omitempty"`
	Data2 *OuterData2_TData `protobuf:"bytes,2,opt,name=data2,proto3" json:"data2,omitempty"`
}

....

type OuterData2 struct {
	state         protoimpl.MessageState
	sizeCache     protoimpl.SizeCache
	unknownFields protoimpl.UnknownFields
}

3.6 Any字段(没看懂)

syntax = "proto3";

import "google/protobuf/any.proto";

package pkgName;

option go_package = "./";

message ErrorStatus {
  string                       message = 1;
  repeated google.protobuf.Any details = 21;
}

3.7 oneof 字段

如果你的 message 包含许多可选字段，并且最多只能同时设置其中一个字段，则可以使用 oneof 功能强制执行此行为并节省内存。

Oneof 共享内存中的所有字段，并且最多只能同时设置一个字段。设置 oneof 的任何成员会自动清除所有其他成员。你可以使用特殊的 case() 或 WhichOneof() 方法检查 oneof 字段中当前是哪个值（如果有）被设置，具体方法取决于你选择的语言。

使用案例：

要在 .proto 中定义 oneof，请使用 oneof 关键字，后跟你的 oneof 名称，在本例中为 test_oneof：

syntax = "proto3";

import "google/protobuf/any.proto";

package pkgName;

option go_package = "./";

message SampleMessage {
  oneof test_oneof {
    string name      = 1;
    string nike_name = 2;
  }
}

然后，将 oneof 字段添加到test_oneof的定义中。

你可以在test_oneof添加任何类型的字段，但不能使用 required，optional 或 repeated 关键字。如果需要向 oneof 添加重复字段，可以使用包含重复字段的 message。

在生成的代码中，oneof 字段与常规 optional 方法具有相同的 getter 和 setter。你还可以使用特殊方法检查 oneof 中的值（如果有）。

在生成的hello.pb.go中为：

type SampleMessage struct {
	state         protoimpl.MessageState
	sizeCache     protoimpl.SizeCache
	unknownFields protoimpl.UnknownFields

	// Types that are assignable to TestOneof:
	//	*SampleMessage_Name
	//	*SampleMessage_NikeName
	TestOneof isSampleMessage_TestOneof `protobuf_oneof:"test_oneof"`
}
....
type SampleMessage_Name struct {
	Name string `protobuf:"bytes,1,opt,name=name,proto3,oneof"`
}

type SampleMessage_NikeName struct {
	NikeName string `protobuf:"bytes,2,opt,name=nike_name,json=nikeName,proto3,oneof"`
}
....

5. 定义服务（service）

如果要将 message 类型与 RPC（远程过程调用）系统一起使用，则可以在 .proto 文件中定义 RPC 服务接口，protocol buffer 编译器将以你选择的语言生成服务接口和stub（桩）。

因此，例如，如果要定义一个 RPC 服务，其中包含一个根据 SearchRequest 返回 SearchResponse 的方法，可以在 .proto 文件中定义它，如下所示：

syntax = "proto3";
package pkgName;

option go_package = "./";
message SearchRequest {
  string query = 1;
  int32 page_number = 2;
  int32 result_per_page = 3;
}

message SearchResponse {
  string result = 1;
}

service SearchService {
  rpc Search (SearchRequest) returns (SearchResponse);
}

与 ProtoBuf 直接搭配使用的 RPC 系统是 gRPC :一个 Google 开发的平台无关语言无关的开源 RPC 系统。gRPC 和 ProtoBuf 能够非常完美的配合，你可以使用专门的 ProtoBuf 编译插件直接从.proto 文件生成相关 RPC 代码。

6. import导入其他proto文件

import

我们可以通过import导入其他proto文件，并使用该proto文件中的定义的消息类型。

---my_project
   |---protocol
       |---aaa
       |   |---aaa.proto
       |---bbb
           |---bbb.proto

aaa/aaa.proto

syntax = "proto3";
package aaa;
option go_package = "./";

message Something {
  string msg = 1;
}

bbb/bbb.proto

syntax = "proto3";
package bbb;
option go_package = "./";
import "aaa/aaa.proto";

message Something2 {
  aaa.Something something = 1;
}

虽然会报红但是不用管，生成 pb.go 的时候，假设当前在 my_project/protocol/bbb 目录下，则执行：

protoc -I ../ -I ./ --go_out=./ bbb.proto
# -I ../ : 在上一层目录中寻找引入的proto文件
# -I ./ : 在本层文件中找待编译的proto文件（顺序无所谓）

protoc有一个参数-I，表示引入文件的目录路径，这里有坑。 -I参数简单来说，就是如果多个proto文件之间有互相依赖，生成某个proto文件时，需要import其他几个proto文件，这时候就要用-I来指定搜索目录。如果没有指定-I参数，则在当前目录进行搜索。每个-I参数都引入一个目录，proto文件中引入了几个外部proto文件理论来说就需要多少个-I（同一目录的可以一次性引入），再加上待编译的proto也需要引入，所以上面这里就用了两个-I来引入目录文件。

这样 protoc 可以在 -I path + import path => “./…/aaa/aaa.proto” 路径下找到 aaa.proto 这个文件。

# 当然也可以 import “aaa.proto”，-I=./…/aaa，同样可以执行成功。
protoc -I ../aaa -I ./ --go_out=./ bbb.proto

import public

默认情况下，proto只允许引用直接import的文件中定义的数据类型。

如b.proto中导入了a.proto,c.proto中导入了b.proto；默认情况下，c.proto中只能引用b.proto中定义的数据类型，而引用不到a.proto中的数据类型。若c.proto要使用a.proto中定义的数据类型，则b.proto引用a.proto的时候要使用import public。

---my_project
   |---protocol
       |---aaa
       |   |---aaa.proto
       |---bbb
           |---bbb.proto
       |---ccc
       	   |---ccc.proto

aaa/aaa.proto

syntax = "proto3";
package aaa;
option go_package = "./";

message Something {
  string msg = 1;
}

bbb/bbb.proto

syntax = "proto3";
package bbb;
option go_package = "./";

// import "aaa/aaa.proto"; 不加会报错
import public "aaa/aaa.proto";

message Something2 {
  aaa.Something something = 1;
}

ccc/ccc.proto

syntax = "proto3";
package ccc;
option go_package = "./";

import "bbb/bbb.proto";

message Something3 {
  aaa.Something something = 1;
}

执行：

protoc -I ../ -I ../ -I ./ --go_out=./ ccc.proto

这种用法在迁移proto文件到新的位置的时候十分有用，如Message类要从old.proto迁移到new.proto文件中，这个时候如果要在不修改对old.proto的文件的情况下，直接将Message移动到new.proto中，然后在old.proto中import public new.proto即可。

7. 更新Message消息类型原则

为了达到前后消息类型兼容的目的，扩展Message消息类型的时候需要注意一下几点：

不要更改任何已有的字段的数值标识。
所添加的字段属性必须是optional 或者repeated类型，如果扩展required类型，会导致旧的消息解析异常
非required字段可以移除。要保证它们的标示在新的消息类型中不再使用
一个非required的字段可以转换为一个扩展，反之亦然——只要它的类型和标识号保持不变。
int32, uint32, int64, uint64,和bool是全部兼容的，这意味着可以将这些类型中的一个转换为另外一个，而不会破坏向前、向后的兼容性。如果解析出来的数字与对应的类型不相符，那么结果就像在C++中对它进行了强制类型转换一样（例如，如果把一个64位数字当作int32来读取，那么它就会被截断为32位的数字）。
sint32和sint64是互相兼容的，但是它们与其他整数类型不兼容。
string和bytes是兼容的——只要bytes是有效的UTF-8编码。
嵌套消息与bytes是兼容的——只要bytes包含该消息的一个编码过的版本。
fixed32与sfixed32是兼容的，fixed64与sfixed64是兼容的。

4. 基于Protobuf的RPC(可跳过这部分)

对于没有⽤过Protobuf的读者，建议先从官⽹了解下基本⽤法。这⾥我们尝试将Protobuf和RPC结合在⼀起使⽤，通过Protobuf来最终保证RPC的接⼝规范和安全。Protobuf中最基本的数据单元是 message，是类似Go语⾔中结构体的存在。在message中可以嵌套message或其它的基础数据类型的成员。

定义RPC数据结构：

07-pbrpc/service/service.proto

syntax = "proto3";

package hello;

// go module = MicroServiceStudy01
option go_package = "MicroServiceStudy01/07-pbrpc/service";

message Request{
  string value = 1;
}

message Response{
  string value = 1;
}

生成go语言结构：

$ cd 07-pbrpc

$ protoc -I ./service --go_out=./service --go_opt=module="MicroServiceStudy01/07-pbrpc/service" service/service.prot
o

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1cWI68AM-1656744527441)(images/image-20220629163518076.png)]

定义RPC接口：

基于生成的数据结构，定义接口：

07-pbrpc/service/interface.go

package service

const HelloServiceName = "HelloService"

type HelloService interface {
	// Hello
	// 这里的 Request 和  Response 是基于protobuf生成的service.pb.go里的结构
	Hello(request *Request, response *Response) error
}

这个接口时为了约束参数，详见2.更安全的RPC接口

向之前没有联合protobuf使用的时候，我们这里的接口方法的参数类型是我们自己写的结构体类型，而使用了protobuf之后，这里的参数类型就需要引用我们通过protobuf生成的.pb.go文件里的结构体类型。

我们定义的接口要放在一个独立的文件里类似于当前的service包，他就相当于一个契约包，用来约束服务端server（提供RPC服务）和我们的客户端client（调用RPC服务）。

定义服务端：

07-pbrpc/server/server.go

type HelloService struct{}

func (hs *HelloService) Hello(req *service.Request, resp *service.Response) error {
	resp.Value = "hello:" + req.Value
	return nil
}

// 通过接口约束 Server 端
var _ service.HelloService = (*HelloService)(nil)

func main() {
	rpc.RegisterName(service.HelloServiceName, new(HelloService))
	listen, err := net.Listen("tcp", ":1234")
	if err != nil {
		log.Fatal("Listen TCP err:", err)
	}
	for {
		conn, err := listen.Accept()
		if err != nil {
			log.Fatal("Accept err:", err)
		}
        // 这里使用的还是json，先忽略 往下看
		go rpc.ServeCodec(jsonrpc.NewServerCodec(conn))
	}
}

定义客户端：

07-pbrpc/client/client.go

type HelloServiceClient struct {
	*rpc.Client
}

func (hsc HelloServiceClient) Hello(req *service.Request, resp *service.Response) error {
	return hsc.Client.Call(service.HelloServiceName+".Hello", req, resp)
}

// 通过接口约束 Client 端
var _ service.HelloService = (*HelloServiceClient)(nil)

func DialHelloService(network, address string) (*HelloServiceClient, error) {
	conn, err := net.Dial(network, address)
	if err != nil {
		log.Fatal("net.Dail err: ", err)
	}
	client := rpc.NewClientWithCodec(jsonrpc.NewClientCodec(conn))
	return &HelloServiceClient{client}, nil
}

func main() {
	client, err := DialHelloService("tcp", "localhost:1234")
	if err != nil {
		log.Fatal("Dial err: ", err)
	}
	resp := &service.Response{}
	err = client.Hello(&service.Request{Value: "world"}, resp)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Println(resp)
}

此时我们只是Hello方法的参数使用的是protobuf生成的service.pb.go中的结构体，但是其他逻辑依然没有改变，使用的还是json-rpc，所以这里会发现，我们这次虽然定义了相关的protobuf，但是我们和protobuf还没有半毛钱关系，只是用到了他为我们生成的结构体；

那么我们如何将json编码换成protobuf编码呢？

将07-pbrpc/server/server.go里的go rpc.ServeCodec(jsonrpc.NewServerCodec(conn))修改成go rpc.ServeCodec(server.NewServerCodec(conn))即可。

这是我们4.基于Protobuf的RPC的重点，官方的net/rpc包里是没有protoc的插件

我看的视频的发布者仿照net/rpc/jsonrpc自己写了个关于Proto Codec 编解码的包，但是视频中没有放出来，而这里的NewServerCodec就用到了那个包里的方法，大家不用深究，逻辑就是这么个逻辑，重在理解。

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