Protocol Buffers 与 JSON 选择指南

1. 概述

Protocol Buffers（Protobuf）和 JSON 是两种主流的数据序列化格式，但在可读性、性能、效率和数据大小方面存在显著差异。

本文将深入对比这两种格式，分析各自的优缺点，帮助你在不同场景下做出合理的技术选型。

2. 可读性与模式要求

Protobuf 强制要求预定义模式（schema）来描述数据结构，这是硬性要求，没有模式文件就无法解析二进制数据。

来看一个典型的 schema.proto 文件示例：

syntax = "proto3";

message User {
  string name = 1;
  int32 age = 2;
  string email = 3;
}

message UserList {
  repeated User users = 1;
}

如果查看 Base64 编码的 Protobuf 消息示例，你会发现它完全不具备人类可读性：

ChwKBUFsaWNlEB4aEWFsaWNlQGV4YW1wbGUuY29tChgKA0JvYhAZGg9ib2JAZXhhbXBsZS5jb20=

应用程序必须结合模式文件才能解析这些数据。

相比之下，JSON 格式表示相同数据时无需严格模式：

{
  "users": [
    {
      "name": "Alice",
      "age": 30,
      "email": "alice@example.com"
    },
    {
      "name": "Bob",
      "age": 25,
      "email": "bob@example.com"
    }
  ]
}

而且编码后的数据完全人类可读。

⚠️ 如果项目需要严格验证 JSON 数据，可以使用 JSON Schema，但这属于可选功能，并非强制要求。

3. 模式演进

Protobuf 通过严格模式保证数据完整性，而 JSON 支持“读时模式”（schema-on-read）。两种格式对数据模式演进的支持方式截然不同：

3.1. 消费者的向后兼容性

向后兼容指新代码能解析旧代码序列化的数据。要求新版本能正确反序列化旧版本模式生成的数据。

实现 JSON 的向后兼容需：

✅ 反序列化时忽略未知字段
✅ 为未设置字段提供默认值

Protobuf 的处理更简单粗暴：

✅ 直接在模式中定义默认值
✅ 模式变更必须遵循最佳实践：
- 新字段必须使用唯一编号
- 废弃字段需保留编号

虽然两者都支持向后兼容，但 Protobuf 的机制更严格规范。

3.2. 消费者的向前兼容性

向前兼容指旧代码能解析新代码序列化的数据。要求旧版本能正确反序列化新版本模式生成的数据。

实现向前兼容的关键是：

✅ 旧代码必须忽略未知字段
❌ 绝对不能删除必填字段（会破坏兼容性）

JSON 实现方式：

✅ 大多数解析器默认忽略未知字段

Protobuf 天生支持：

✅ 自动忽略未知字段
✅ 提供字段废弃机制

⚠️ 踩坑提醒：删除必填字段会同时破坏两种格式的兼容性，正确做法是逐步废弃而非直接删除。

4. 序列化/反序列化与性能

JSON 序列化将对象转换为文本格式，而 Protobuf 将对象转换为紧凑的二进制格式（需符合 .proto 模式定义）。

关键差异点：

Protobuf 通过模式文件识别字段名，序列化时无需保存字段名
JSON 必须保存完整字段名

Protobuf 在性能和效率上天生优于 JSON：

✅ 占用更少存储空间
✅ 序列化/反序列化速度更快（通常快 5-100 倍）

5. 何时使用 JSON

JSON 是 Web API（尤其是 RESTful 服务）的事实标准，主要优势在于：

✅ 成熟的生态系统：拥有丰富的工具链和库
✅ JavaScript 原生支持：前后端无缝对接
✅ 文本格式易调试：开发阶段排查问题更直观

适用场景：

Web API 交互：RESTful 接口的首选格式
配置文件：人类可读可编辑的特性使其成为理想选择
日志系统：无模式特性便于收集多源异构日志
原型开发：无需特殊客户端，变更成本低

⚠️ 注意：JSON 在高并发场景可能成为性能瓶颈。

6. 何时使用 Protocol Buffers

Protobuf 在存储和网络传输中效率极高，并通过模式定义强制数据完整性。

✅ 极致性能：序列化速度快，体积小
✅ 严格类型约束：避免运行时类型错误
✅ 跨语言支持：官方支持多种编程语言

适用场景：

实时系统：游戏、金融交易等对延迟敏感的场景
微服务通信：内部服务间高性能数据传输
分布式存储：数据库元数据编码（如 HBase/Cassandra）
IoT 设备：资源受限环境下的数据交换

⚠️ 踩坑提醒：使用前需确保团队具备模式管理能力，模式变更需严格遵循兼容性规则。

7. 结论

本文深入分析了 JSON 和 Protobuf 的核心差异，帮助你在制定数据编码策略时做出明智决策。

JSON 的优势场景：

✅ 需要人类可读性的场景（API/配置/日志）
✅ 快速原型开发
✅ JavaScript 生态集成

Protobuf 的优势场景：

✅ 性能敏感型系统（实时/金融/游戏）
✅ 严格数据完整性要求
✅ 高吞吐量分布式系统

技术选型没有银弹，建议根据具体场景的优先级（性能 vs 灵活性）做出权衡选择。

Persistence

REST

Security