別再被序列化搞懵了！用人話告訴你 C++ 里 JSON 和 ProtoBuf 到底咋玩

作者：xiaokang1998 2025-06-18 09:29:24

開發(fā)

今天咱們來聊聊一個聽起來很高大上，但其實超級實用的話題——C++序列化。

先別慌，我知道你現(xiàn)在腦子里可能有好幾個問題：

序列化是個啥玩意兒？
JSON不是前端的東西嗎？
ProtoBuf又是什么鬼？
它們倆誰更厲害？

別著急，今天我就用最接地氣的話給你掰扯明白。保證看完之后，你不僅知道這些是什么，還能上手寫代碼！

一、序列化到底是啥？先來個生活化的理解

想象一下，你要給遠方的朋友寄一個玩具汽車。你能直接把汽車扔進郵筒嗎？當然不行！你得先把它拆開，放進盒子里，貼上標簽，這樣郵遞員才能送到朋友那里。朋友收到后，再按照說明書把汽車重新組裝起來。

這個過程就是序列化！

拆車裝盒 = 序列化（把內(nèi)存中的對象轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)母袷剑?/li>
重新組裝 = 反序列化（把傳輸格式還原成內(nèi)存中的對象）

在編程世界里，我們經(jīng)常需要：

把數(shù)據(jù)存到文件里
通過網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)
在不同程序間傳遞信息

這時候就需要序列化了！因為內(nèi)存里的對象就像那個玩具汽車，不能直接"郵寄"。

二、JSON：網(wǎng)紅選手，人見人愛

1. JSON是什么？

JSON全稱是JavaScript Object Notation，但別被名字騙了，它早就不是 JavaScript 的專利了。現(xiàn)在幾乎所有編程語言都支持JSON，因為它有個超大的優(yōu)點：人類看得懂！

看看這個例子：

{
  "name": "張三",
  "age": 25,
  "city": "北京",
  "hobbies": ["游戲", "電影", "音樂"]
}

是不是一眼就看明白了？這就是JSON的魅力，連你奶奶都能看懂（好吧，可能有點夸張）。

22. C++怎么玩JSON？

C++本身不支持JSON，但有很多優(yōu)秀的庫。我推薦用nlohmann/json，因為它用起來就像喝水一樣簡單。

首先，咱們看看怎么把C++對象變成JSON：

#include <nlohmann/json.hpp>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

using json = nlohmann::json;
using namespace std;

// 定義一個人的結(jié)構(gòu)體
struct Person {
    string name;
    int age;
    string city;
    vector<string> hobbies;
};

int main() {
    // 創(chuàng)建一個人
    Person p = {"張三", 25, "北京", {"游戲", "電影", "音樂"}};
    
    // 序列化：把對象變成JSON
    json j;
    j["name"] = p.name;
    j["age"] = p.age;
    j["city"] = p.city;
    j["hobbies"] = p.hobbies;
    
    // 輸出JSON字符串
    cout << "序列化結(jié)果：" << endl;
    cout << j.dump(4) << endl;  // 4表示縮進4個空格，好看一些
    
    return 0;
}

// 編譯命令：g++ -o test test.cpp

運行結(jié)果：

序列化結(jié)果：
{
    "age": 25,
    "city": "北京",
    "hobbies": [
        "游戲",
        "電影",
        "音樂"
    ],
    "name": "張三"
}

再看看反序列化，把JSON變回對象：

#include <nlohmann/json.hpp>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

using json = nlohmann::json;
using namespace std;

struct Person {
    string name;
    int age;
    string city;
    vector<string> hobbies;
    
    // 方便輸出的函數(shù)
    void print() {
        cout << "姓名: " << name << endl;
        cout << "年齡: " << age << endl;
        cout << "城市: " << city << endl;
        cout << "愛好: ";
        for(const auto& hobby : hobbies) {
            cout << hobby << " ";
        }
        cout << endl;
    }
};

int main() {
    // 假設這是從網(wǎng)絡或文件讀取的JSON字符串
    string json_str = R"({
        "name": "李四",
        "age": 30,
        "city": "上海",
        "hobbies": ["讀書", "旅游", "攝影"]
    })";
    
    // 反序列化：把JSON變成對象
    json j = json::parse(json_str);
    
    Person p;
    p.name = j["name"].get<string>();           // 顯式轉(zhuǎn)換為string
    p.age = j["age"].get<int>();               // 顯式轉(zhuǎn)換為int
    p.city = j["city"].get<string>();          // 顯式轉(zhuǎn)換為string
    p.hobbies = j["hobbies"].get<vector<string>>(); // 顯式轉(zhuǎn)換為vector<string>
    
    cout << "反序列化結(jié)果：" << endl;
    p.print();
    
    return 0;
}

// 編譯命令：g++ -o test test.cpp

運行結(jié)果：

反序列化結(jié)果：
姓名: 李四
年齡: 30
城市: 上海
愛好: 讀書 旅游 攝影

3. JSON的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

人類可讀，調(diào)試超方便
支持的語言多，幾乎通用
語法簡單，學習成本低
Web開發(fā)的標配

缺點：

體積比較大（因為要存儲字段名）
解析速度相對較慢
不支持二進制數(shù)據(jù)
沒有數(shù)據(jù)類型驗證

三、ProtoBuf：性能怪獸，Google出品

1. ProtoBuf是個啥？

Protocol Buffers（簡稱ProtoBuf）是Google開發(fā)的序列化協(xié)議。如果說 JSON 是個顏值擔當，那 ProtoBuf 就是個實力派。它的特點就是：快！小！強！

但有個小缺點：人類看不懂。序列化后的數(shù)據(jù)是二進制的，就像這樣：

\x08\x96\x01\x12\x04\xE5\xBC\xA0\xE4\xB8\x89\x1A\x06\xE5\x8C\x97\xE4\xBA\xAC...

看懵了吧？這就是為什么它快的原因——計算機處理二進制比處理文本快多了。

2. ProtoBuf怎么用？

使用ProtoBuf需要先定義一個.proto文件，描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

// person.proto
syntax = "proto3";

message Person {
    string name = 1;
    int32 age = 2;
    string city = 3;
    repeated string hobbies = 4;
}

然后用protoc編譯器生成C++代碼：

protoc --cpp_out=. person.proto

這會生成person.pb.h和person.pb.cc文件。

接下來就能在C++里用了：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include "person.pb.h"

using namespace std;

int main() {
    // 創(chuàng)建Person對象
    Person person;
    person.set_name("王五");
    person.set_age(28);
    person.set_city("深圳");
    person.add_hobbies("編程");
    person.add_hobbies("健身");
    person.add_hobbies("美食");
    
    // 序列化到字符串
    string serialized_data;
    person.SerializeToString(&serialized_data);
    
    cout << "序列化完成，數(shù)據(jù)大小: " << serialized_data.size() << " 字節(jié)" << endl;
    
    // 模擬網(wǎng)絡傳輸或文件存儲...
    
    // 反序列化
    Person new_person;
    new_person.ParseFromString(serialized_data);
    
    cout << "反序列化結(jié)果：" << endl;
    cout << "姓名: " << new_person.name() << endl;
    cout << "年齡: " << new_person.age() << endl;
    cout << "城市: " << new_person.city() << endl;
    cout << "愛好: ";
    for(int i = 0; i < new_person.hobbies_size(); ++i) {
        cout << new_person.hobbies(i) << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

// 編譯命令：g++ -o test test.cpp person.pb.cc -lprotobuf -pthread

運行結(jié)果：

序列化完成，數(shù)據(jù)大小: 31 字節(jié)
反序列化結(jié)果：
姓名: 王五
年齡: 28
城市: 深圳
愛好: 編程 健身 美食

3. ProtoBuf的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

體積超小，壓縮效果好
序列化/反序列化速度飛快
跨語言支持好
有版本兼容性（向前向后兼容）
自動生成代碼，減少出錯

缺點：

人類不可讀，調(diào)試困難
需要預先定義schema
學習成本相對較高
不支持動態(tài)結(jié)構(gòu)

四、性能大PK：數(shù)據(jù)說話

好了，說了這么多，到底誰更強？咱們用實際數(shù)據(jù)說話！

我做了個簡單的測試，用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別用 JSON 和 ProtoBuf 進行 1 萬次序列化和反序列化操作：

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <nlohmann/json.hpp>
#include "person.pb.h"

using namespace std;
using namespace std::chrono;

struct TestResult {
    int serialize_time_ms;
    int deserialize_time_ms;
    size_t single_size;
    size_t total_size;
};

TestResult test_json() {
    const int iterations = 10000;
    TestResult result = {};
    
    // 測試數(shù)據(jù)
    nlohmann::json test_data = {
        {"name", "測試用戶名字比較長一些"},
        {"age", 25},
        {"city", "這是一個比較長的城市名稱"},
        {"hobbies", {"愛好1描述比較長", "愛好2描述比較長", "愛好3描述比較長"}}
    };
    
    // 序列化測試
    auto start = high_resolution_clock::now();
    vector<string> results;
    for(int i = 0; i < iterations; ++i) {
        results.push_back(test_data.dump());
    }
    auto end = high_resolution_clock::now();
    result.serialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
    
    // 計算大小
    result.single_size = results[0].size();
    for(const auto& r : results) result.total_size += r.size();
    
    // 反序列化測試
    start = high_resolution_clock::now();
    for(const auto& data : results) {
        auto j = nlohmann::json::parse(data);
        // 模擬使用數(shù)據(jù)
        string name = j["name"];
    }
    end = high_resolution_clock::now();
    result.deserialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
    
    return result;
}

TestResult test_protobuf() {
    const int iterations = 10000;
    TestResult result = {};
    
    // 序列化測試
    auto start = high_resolution_clock::now();
    vector<string> results;
    for(int i = 0; i < iterations; ++i) {
        Person person;
        person.set_name("測試用戶名字比較長一些");
        person.set_age(25);
        person.set_city("這是一個比較長的城市名稱");
        person.add_hobbies("愛好1描述比較長");
        person.add_hobbies("愛好2描述比較長");
        person.add_hobbies("愛好3描述比較長");
        
        string serialized;
        person.SerializeToString(&serialized);
        results.push_back(serialized);
    }
    auto end = high_resolution_clock::now();
    result.serialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
    
    // 計算大小
    result.single_size = results[0].size();
    for(const auto& r : results) result.total_size += r.size();
    
    // 反序列化測試
    start = high_resolution_clock::now();
    for(const auto& data : results) {
        Person person;
        person.ParseFromString(data);
        // 模擬使用數(shù)據(jù)
        string name = person.name();
    }
    end = high_resolution_clock::now();
    result.deserialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
    
    return result;
}

int main() {
    cout << "=== JSON vs ProtoBuf 性能大PK ===" << endl << endl;
    
    auto json_result = test_json();
    auto pb_result = test_protobuf();
    
    // 直觀對比輸出
    cout << "測試結(jié)果對比 (10000次操作)" << endl;
    cout << "┌──────────────┬─────────────┬─────────────┬──────────────┐" << endl;
    cout << "│    指標      │    JSON     │  ProtoBuf   │   ProtoBuf優(yōu)勢 │" << endl;
    cout << "├──────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────┤" << endl;
    
    printf("│ 序列化耗時   │ %8dms │ %8dms │   快 %.1fx倍   │\n", 
           json_result.serialize_time_ms, pb_result.serialize_time_ms,
           (float)json_result.serialize_time_ms / pb_result.serialize_time_ms);
    
    printf("│ 反序列化耗時 │ %8dms │ %8dms │   快 %.1fx倍   │\n",
           json_result.deserialize_time_ms, pb_result.deserialize_time_ms,
           (float)json_result.deserialize_time_ms / pb_result.deserialize_time_ms);
    
    printf("│ 單個對象大小 │ %8zu字節(jié)│ %8zu字節(jié)│ 小 %4.1f%%    │\n",
           json_result.single_size, pb_result.single_size,
           (float)(json_result.single_size - pb_result.single_size) * 100 / json_result.single_size);
    
    printf("│ 總數(shù)據(jù)大小   │ %7.1fMB │ %7.1fMB │ 小 %4.1f%%    │\n",
           json_result.total_size / 1024.0 / 1024.0,
           pb_result.total_size / 1024.0 / 1024.0,
           (float)(json_result.total_size - pb_result.total_size) * 100 / json_result.total_size);
    
    cout << "└──────────────┴─────────────┴─────────────┴──────────────┘" << endl;
    
    cout << "\n結(jié)論：ProtoBuf在所有指標上都完勝JSON！" << endl;
    cout << "如果傳輸10000個對象，ProtoBuf能節(jié)省 "
         << (json_result.total_size - pb_result.total_size) / 1024.0 / 1024.0
         << "MB 流量" << endl;
    
    return 0;
}

測試結(jié)果（在我的虛擬機上跑的）：

g++ -o test test.cpp person.pb.cc -lprotobuf -pthread

=== JSON vs ProtoBuf 性能大PK ===

測試結(jié)果對比 (10000次操作)
┌──────────────┬─────────────┬─────────────┬──────────────┐
│    指標      │    JSON     │  ProtoBuf   │   ProtoBuf優(yōu)勢 │
├──────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────┤
│ 序列化耗時   │       22ms │        6ms │   快 3.7x倍   │
│ 反序列化耗時 │      135ms │        5ms │   快 27.0x倍   │
│ 單個對象大小 │      186字節(jié)│      147字節(jié)│ 小 21.0%    │
│ 總數(shù)據(jù)大小   │     1.8MB │     1.4MB │ 小 21.0%    │
└──────────────┴─────────────┴─────────────┴──────────────┘

結(jié)論：ProtoBuf在所有指標上都完勝JSON！
如果傳輸10000個對象，ProtoBuf能節(jié)省 0.371933MB 流量

?? 注意：測試結(jié)果跟數(shù)據(jù)大小和數(shù)量有關(guān)，數(shù)據(jù)越大、數(shù)量越多，ProtoBuf優(yōu)勢越明顯。建議用自己項目的真實數(shù)據(jù)測試一下！

五、實際應用場景：該選誰？

選JSON的情況：

Web開發(fā)：前后端通信的標配
配置文件：需要人工編輯的配置
API接口：特別是REST API
調(diào)試頻繁：需要經(jīng)常查看數(shù)據(jù)內(nèi)容
快速原型：開發(fā)初期，快速驗證想法

選ProtoBuf的情況：

高性能要求：游戲、實時系統(tǒng)
網(wǎng)絡帶寬有限：移動端應用
大數(shù)據(jù)傳輸：微服務間通信
短期/臨時存儲：緩存、消息隊列
跨語言通信：不同語言的服務間通信

六、小結(jié)：選擇建議

最后，給你一個選擇建議：

如果你是新手，建議先學JSON：

上手簡單，出錯率低
調(diào)試方便，看得見摸得著
資料多，遇到問題容易解決

如果你追求性能，上ProtoBuf：

速度快，體積小
適合生產(chǎn)環(huán)境的高并發(fā)場景
跨語言支持好

最理想的情況：兩個都會！

不同項目用不同工具，根據(jù)需求選擇
團隊內(nèi)部可以靈活應對各種技術(shù)需求
面試和技術(shù)交流時更有底氣

寫在最后

序列化這個話題，說簡單也簡單，說復雜也復雜。關(guān)鍵是要理解它的本質(zhì)：就是為了讓數(shù)據(jù)能夠"旅行"。

就像你出門旅行要打包行李一樣，程序里的數(shù)據(jù)要"旅行"也需要打包。JSON就像是透明的行李箱，你能看到里面裝了什么；ProtoBuf就像是壓縮袋，體積小但看不見內(nèi)容。

選擇哪個，取決于你的具體需求。不過記住一點：沒有銀彈，只有合適的工具。

希望這篇文章能幫你理清楚序列化這個概念。如果還有不明白的地方，歡迎在評論區(qū)留言，咱們一起討論！

記住：編程路上，我們都是學習者，一起加油！

責任編輯：趙寧寧來源：跟著小康學編程

C++序列化 JSON