Creación de mensajes de Protobuf para aplicaciones .NET

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08/05/2024

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Por James Newton-King y Mark Rendle

gRPC usa Protobuf como lenguaje de definición de interfaz (IDL). El IDL de Protobuf es un formato neutro de lenguaje para especificar los mensajes que envían y reciben los servicios gRPC. Los mensajes de Protobuf se definen en archivos .proto. En este documento se explica cómo se relacionan los conceptos de Protobuf con .NET.

Mensajes de Protobuf

Los mensajes son el objeto de transferencia de datos principal en Protobuf. Son conceptualmente similares a las clases .NET.

syntax = "proto3";

option csharp_namespace = "Contoso.Messages";

message Person {
    int32 id = 1;
    string first_name = 2;
    string last_name = 3;
}

La definición de mensaje anterior especifica tres campos como pares de nombre-valor. Al igual que las propiedades de los tipos .NET, cada campo tiene un nombre y un tipo. El tipo de campo puede ser un tipo de valor escalar de Protobuf, por ejemplo int32, u otro mensaje.

En la Guía de estilo de Protobuf se recomienda usar underscore_separated_names para los nombres de campo. Los nuevos mensajes de Protobuf creados para aplicaciones .NET deben seguir las directrices de estilo de Protobuf. Las herramientas de .NET generan automáticamente tipos de .NET que usan los estándares de nomenclatura de .NET. Por ejemplo, un campo first_name de Protobuf genera una propiedad FirstName de .NET.

Además de un nombre, cada campo de la definición del mensaje tiene un número único. Los números del campo se utilizan para identificar los campos cuando el mensaje se serializa en Protobuf. Serializar un número pequeño es más rápido que serializar todo el nombre del campo. Dado que los números del campo identifican un campo, es importante tener cuidado al cambiarlos. Para obtener más información sobre cómo cambiar los mensajes de Protobuf, vea Control de versiones de servicios gRPC.

Cuando se compila una aplicación, las herramientas de Protobuf generan tipos .NET a partir de archivos .proto. El mensaje Person genera una clase .NET:

public class Person
{
    public int Id { get; set; }
    public string FirstName { get; set; }
    public string LastName { get; set; }
}

Para obtener más información sobre los mensajes de Protobuf, vea la Guía del lenguaje de Protobuf.

Tipos de valor escalares

Protobuf admite una gama de tipos de valores escalares nativos. En la tabla siguiente se enumeran todos con su tipo C# equivalente:

Tipo de Protobuf	Tipo de C#
`double`	`double`
`float`	`float`
`int32`	`int`
`int64`	`long`
`uint32`	`uint`
`uint64`	`ulong`
`sint32`	`int`
`sint64`	`long`
`fixed32`	`uint`
`fixed64`	`ulong`
`sfixed32`	`int`
`sfixed64`	`long`
`bool`	`bool`
`string`	`string`
`bytes`	`ByteString`

Los valores escalares siempre tienen un valor predeterminado y no se pueden establecer en null. Esta restricción incluye string y ByteString, que son clases de C#. string se establece de forma predeterminada en un valor de cadena vacía y ByteString, en un valor de bytes vacío. Al intentar establecerlos en null, se produce un error.

Se pueden usar tipos de contenedores que admiten valores NULL para admitir dichos valores.

Fechas y horas

Los tipos escalares nativos no proporcionan valores de fecha y hora, equivalentes a los valores DateTimeOffset, DateTime y TimeSpan de .NET. Estos tipos se pueden especificar mediante el uso de algunas de las extensiones de Tipos conocidos de Protobuf. Estas extensiones proporcionan compatibilidad con el entorno de ejecución y la generación de código para los tipos de campo complejos en las plataformas admitidas.

En la tabla siguiente se muestran los tipos de fecha y hora:

Tipo de .NET	Tipo conocido de Protobuf
`DateTimeOffset`	`google.protobuf.Timestamp`
`DateTime`	`google.protobuf.Timestamp`
`TimeSpan`	`google.protobuf.Duration`

syntax = "proto3";

import "google/protobuf/duration.proto";  
import "google/protobuf/timestamp.proto";

message Meeting {
    string subject = 1;
    google.protobuf.Timestamp start = 2;
    google.protobuf.Duration duration = 3;
}

Las propiedades generadas en la clase C# no son los tipos de fecha y hora de .NET. Las propiedades usan las clases Timestamp y Duration en el espacio de nombres Google.Protobuf.WellKnownTypes. Estas clases proporcionan métodos para realizar conversiones a DateTimeOffset, DateTime y TimeSpan, y desde estas.

// Create Timestamp and Duration from .NET DateTimeOffset and TimeSpan.
var meeting = new Meeting
{
    Time = Timestamp.FromDateTimeOffset(meetingTime), // also FromDateTime()
    Duration = Duration.FromTimeSpan(meetingLength)
};

// Convert Timestamp and Duration to .NET DateTimeOffset and TimeSpan.
var time = meeting.Time.ToDateTimeOffset();
var duration = meeting.Duration?.ToTimeSpan();

Nota

El tipo Timestamp funciona con horas UTC. Los valores DateTimeOffset siempre tienen un desplazamiento de cero, y la propiedad DateTime.Kind siempre es DateTimeKind.Utc.

Tipos que aceptan valores NULL

La generación de código de Protobuf para C# usa los tipos nativos, como int para int32. Por lo tanto, los valores siempre se incluyen y no pueden ser null.

En el caso de los valores que requieren elementos null explícitos, como el uso de int? en el código C#, los Tipos conocidos de Protobuf incluyen contenedores que se compilan en tipos de C# que admiten un valor NULL. Para usarlos, importe wrappers.proto en el archivo .proto, como el código siguiente:

syntax = "proto3";

import "google/protobuf/wrappers.proto";

message Person {
    // ...
    google.protobuf.Int32Value age = 5;
}

Los tipos wrappers.proto no se exponen en las propiedades generadas. Protobuf los asigna automáticamente a los tipos adecuados que aceptan valores NULL de .NET en los mensajes de C#. Por ejemplo, un campo google.protobuf.Int32Value genera una propiedad int?. Las propiedades de tipo de referencia como string y ByteString no se alteran, excepto que se les puede asignar null sin errores.

En la tabla siguiente se muestra la lista completa de tipos de contenedor con su tipo C# equivalente:

Tipo de C#	Contenedor de Tipo conocido
`bool?`	`google.protobuf.BoolValue`
`double?`	`google.protobuf.DoubleValue`
`float?`	`google.protobuf.FloatValue`
`int?`	`google.protobuf.Int32Value`
`long?`	`google.protobuf.Int64Value`
`uint?`	`google.protobuf.UInt32Value`
`ulong?`	`google.protobuf.UInt64Value`
`string`	`google.protobuf.StringValue`
`ByteString`	`google.protobuf.BytesValue`

Bytes

Las cargas binarias se admiten en Protobuf con el tipo de valor escalar bytes. Una propiedad generada en C# usa ByteString como tipo de propiedad.

Use ByteString.CopyFrom(byte[] data) para crear una instancia a partir de una matriz de bytes:

var data = await File.ReadAllBytesAsync(path);

var payload = new PayloadResponse();
payload.Data = ByteString.CopyFrom(data);

El acceso a los datos de ByteString se realiza directamente por medio de ByteString.Span o ByteString.Memory. También se puede llamar a ByteString.ToByteArray() para volver a convertir una instancia en una matriz de bytes:

var payload = await client.GetPayload(new PayloadRequest());

await File.WriteAllBytesAsync(path, payload.Data.ToByteArray());

Decimals

Protobuf no admite de forma nativa el tipo decimal de .NET, solo double y float. Existe un debate en curso en el proyecto Protobuf sobre la posibilidad de agregar un tipo decimal estándar a los Tipos conocidos, con compatibilidad de plataforma para los lenguajes y marcos que lo admitan. Todavía no se ha implementado nada.

Es posible crear una definición de mensaje para representar el tipo decimal que funciona para la serialización segura entre clientes y servidores .NET. Sin embargo, los desarrolladores de otras plataformas tendrían que conocer el formato que se usa e implementar su propio control.

Creación de un tipo decimal personalizado para Protobuf

package CustomTypes;

// Example: 12345.6789 -> { units = 12345, nanos = 678900000 }
message DecimalValue {

    // Whole units part of the amount
    int64 units = 1;

    // Nano units of the amount (10^-9)
    // Must be same sign as units
    sfixed32 nanos = 2;
}

El campo nanos representa los valores de 0.999_999_999 a -0.999_999_999. Por ejemplo, el valor decimal1.5m se representaría como { units = 1, nanos = 500_000_000 }. Este es el motivo por el que el campo nanos de este ejemplo usa el tipo sfixed32, que codifica de forma más eficaz que int32 para los valores más grandes. Si el campo units es negativo, el campo nanos también debe serlo.

Nota

Hay algoritmos adicionales disponibles para codificar valores decimal como cadenas de bytes. El algoritmo que utiliza DecimalValue:

Es fácil de entender.
No se ve afectado por los formatos big-endian o little-endian en plataformas distintas.
Admite números decimales que van de positivo 9,223,372,036,854,775,807.999999999 a negativo 9,223,372,036,854,775,808.999999999 con una precisión máxima de nueve posiciones decimales, que no es el intervalo completo de un elemento decimal.

La conversión entre este tipo y el tipo decimal de BCL podría implementarse en C# de la siguiente manera:

namespace CustomTypes
{
    public partial class DecimalValue
    {
        private const decimal NanoFactor = 1_000_000_000;
        public DecimalValue(long units, int nanos)
        {
            Units = units;
            Nanos = nanos;
        }

        public static implicit operator decimal(CustomTypes.DecimalValue grpcDecimal)
        {
            return grpcDecimal.Units + grpcDecimal.Nanos / NanoFactor;
        }

        public static implicit operator CustomTypes.DecimalValue(decimal value)
        {
            var units = decimal.ToInt64(value);
            var nanos = decimal.ToInt32((value - units) * NanoFactor);
            return new CustomTypes.DecimalValue(units, nanos);
        }
    }
}

El código anterior:

Agrega una clase parcial para DecimalValue. La clase parcial se combina con el valor DecimalValue generado a partir del archivo .proto. La clase generada declara las propiedades Units y Nanos.
Tiene operadores implícitos para convertir entre DecimalValue y el tipo decimal BCL.

Colecciones

Listas

Las listas de Protobuf se especifican mediante el uso de la palabra clave de prefijo repeated en un campo. En el ejemplo siguiente se muestra cómo crear una lista:

message Person {
    // ...
    repeated string roles = 8;
}

En el código generado, los campos repeated se representan mediante el tipo genérico Google.Protobuf.Collections.RepeatedField<T>.

public class Person
{
    // ...
    public RepeatedField<string> Roles { get; }
}

RepeatedField<T> implementa IList<T>. Por lo tanto, puede usar consultas LINQ o convertirlas en una matriz o lista. Las propiedades RepeatedField<T> no tienen un establecedor público. Los elementos deben agregarse a la colección existente.

var person = new Person();

// Add one item.
person.Roles.Add("user");

// Add all items from another collection.
var roles = new [] { "admin", "manager" };
person.Roles.Add(roles);

Diccionarios

El tipo IDictionary<TKey,TValue> de .NET se representa en Protobuf mediante map<key_type, value_type>.

message Person {
    // ...
    map<string, string> attributes = 9;
}

En el código de .NET generado, los campos map se representan mediante el tipo genérico Google.Protobuf.Collections.MapField<TKey, TValue>. MapField<TKey, TValue> implementa IDictionary<TKey,TValue>. Al igual que las propiedades repeated, las propiedades map no tienen un establecedor público. Los elementos deben agregarse a la colección existente.

var person = new Person();

// Add one item.
person.Attributes["created_by"] = "James";

// Add all items from another collection.
var attributes = new Dictionary<string, string>
{
    ["last_modified"] = DateTime.UtcNow.ToString()
};
person.Attributes.Add(attributes);

Mensajes no estructurados y condicionales

Protobuf es un formato de mensajería de contrato primero. Los mensajes de una aplicación, incluidos los campos y los tipos, deben especificarse en archivos .proto cuando se compila la aplicación. El diseño de contrato primero de Protobuf es ideal para aplicar el contenido del mensaje, pero puede resultar limitado en los casos en los que no se requiere un contrato estricto:

Mensajes con cargas desconocidas. Por ejemplo, un mensaje con un campo que podría contener cualquier mensaje.
Mensajes condicionales. Por ejemplo, un mensaje devuelto desde un servicio gRPC podría ser un resultado correcto o un error.
Valores dinámicos. Por ejemplo, un mensaje con un campo que contiene una colección no estructurada de valores, similar a JSON.

Protobuf ofrece tipos y características de lenguaje para admitir estos escenarios.

Any

El tipo Any permite usar mensajes como tipos insertados sin tener su definición de .proto. Para usar el tipo Any, importe any.proto.

import "google/protobuf/any.proto";

message Status {
    string message = 1;
    google.protobuf.Any detail = 2;
}

// Create a status with a Person message set to detail.
var status = new ErrorStatus();
status.Detail = Any.Pack(new Person { FirstName = "James" });

// Read Person message from detail.
if (status.Detail.Is(Person.Descriptor))
{
    var person = status.Detail.Unpack<Person>();
    // ...
}

Oneof

Los campos oneof son una característica de idioma. El compilador controla la palabra clave oneof cuando genera la clase del mensaje. El uso de oneof para especificar un mensaje de respuesta que pueda devolver un elemento Person o Error podría tener un aspecto similar al siguiente:

message Person {
    // ...
}

message Error {
    // ...
}

message ResponseMessage {
  oneof result {
    Error error = 1;
    Person person = 2;
  }
}

Los campos del conjunto de oneof deben tener números de campo únicos en la declaración de mensaje global.

Cuando se usa oneof, el código C# generado incluye una enumeración que especifica cuál de los campos se ha establecido. Puede probar la enumeración para buscar el campo que se establece. Los campos que no se establecen devuelven null o el valor predeterminado, en lugar de generar una excepción.

var response = await client.GetPersonAsync(new RequestMessage());

switch (response.ResultCase)
{
    case ResponseMessage.ResultOneofCase.Person:
        HandlePerson(response.Person);
        break;
    case ResponseMessage.ResultOneofCase.Error:
        HandleError(response.Error);
        break;
    default:
        throw new ArgumentException("Unexpected result.");
}

Value

El tipo Value representa un valor de tipo dinámico. Puede ser null, un número, una cadena, un valor booleano, un diccionario de valores (Struct) o una lista de valores (ValueList). Value es un Tipo conocido de Protobuf que usa la característica de oneof descrita anteriormente. Para usar el tipo Value, importe struct.proto.

import "google/protobuf/struct.proto";

message Status {
    // ...
    google.protobuf.Value data = 3;
}

// Create dynamic values.
var status = new Status();
status.Data = Value.ForStruct(new Struct
{
    Fields =
    {
        ["enabled"] = Value.ForBool(true),
        ["metadata"] = Value.ForList(
            Value.ForString("value1"),
            Value.ForString("value2"))
    }
});

// Read dynamic values.
switch (status.Data.KindCase)
{
    case Value.KindOneofCase.StructValue:
        foreach (var field in status.Data.StructValue.Fields)
        {
            // Read struct fields...
        }
        break;
    // ...
}

El uso de Value de forma directa puede resultar detallado. Una manera alternativa de usar Value es con la compatibilidad integrada de Protobuf para asignar mensajes a JSON. Los tipos JsonFormatter y JsonWriter de Protobuf se pueden usar con cualquier mensaje de Protobuf. Value es especialmente adecuado para convertirse a JSON y desde este.

Este es el equivalente JSON del código anterior:

// Create dynamic values from JSON.
var status = new Status();
status.Data = Value.Parser.ParseJson(@"{
    ""enabled"": true,
    ""metadata"": [ ""value1"", ""value2"" ]
}");

// Convert dynamic values to JSON.
// JSON can be read with a library like System.Text.Json or Newtonsoft.Json
var json = JsonFormatter.Default.Format(status.Data);
var document = JsonDocument.Parse(json);

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