Protobuf有没有比JSON快5倍？用代码来击破pb性能神话

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2017-04-26 07:58 程序设计 /58 /技术

导读：Google 的 Protocol Buffers 在数据编码的效率上似乎被神化了，一直流传性能是 JSON 等本文格式 5 倍以上，本文通过代码测试来比较 JSON 与 PB 具体的性能差别到底是多少。作者陶文，转载请注明来自高可用架构「ArchNotes」

陶文，技术极简主义者。认为好的技术是应该是对开发者友好的。一直致力于用技术改进研发效率和开发者体验。jsoniter [4] 作者，jsoniter 就来自于要不要用 Thrift 替代 JSON 的思考。我认为通过引入 IDL 和高效率的编解码库，可以让 HTTP + JSON 这样对开发者体验有好处的技术长久地生存下去。

拿 JSON 衬托 Protobuf 的文章真的太多了，经常可以看到文章中写道：“快来用 Protobuf 吧，JSON 太慢啦”。但是 Protobuf 真的有那么牛么？我想从 JSON 切换到 Protobuf 怎么也得快一倍吧，要不然对不起付出的切换成本？

然而，DSL-JSON 居然声称在 Java 语言里， JSON 可以和那些二进制的编解码格式性能不相上下 [1]！

这太让人惊讶了！虽然你可能会说，咱们能不用苹果和梨来做比较了么，两个东西根本用途完全不一样，用 Protobuf 是冲着跨语言无歧义的 IDL 的去的，才不仅仅是因为性能！这个我同意，但是仍然有那么多人盲目相信 Protobuf 一定会快很多，因此我觉得还是有必要通过本文彻底终结一下这个关于速度的传说。

DSL-JSON 的博客里只给了他们的测试结论，但是没有给出任何原因，以及优化的细节。这很难让人信服数据是真实的。你要说 JSON 比二进制格式更快，真的是很反直觉的事情。稍微琢磨一下这个问题，就可以列出好几个 Protobuf 应该更快的理由：

• 更容容易绑定值到对象的字段上。JSON 的字段是用字符串指定的，相比之下字符串比对应该比基于数字的字段 tag 更耗时。

• JSON 是文本的格式，整数和浮点数应该更占空间而且更费时。

• Protobuf 在正文前有一个大小或者长度的标记，而 JSON 必须全文扫描无法跳过不需要的字段。

但是仅凭这几点是不是就可以盖棺定论了呢？未必，也有相反的观点：

• 如果字段大部分是字符串，占到决定性因素的因素可能是字符串拷贝的速度，而不是解析的速度。在这个评测 [2] 中，我们看到不少库的性能是非常接近的。这是因为测试数据中大部分是由字符串构成的。

• 影响解析速度的决定性因素是分支的数量。因为分支的存在，解析仍然是一个本质上串行的过程。虽然 Protobuf 里没有 [] 或者 {}，但是仍然有类似的分支代码的存在。如果没有这些分支的存在，解析不过就是一个 memcpy 的操作而已。只有 Parabix 这样的技术才有革命性的意义，而 Protobuf 相比 JSON 只是改良而非革命。

• 也许 Protobuf 是一个理论上更快的格式，但是实现它的库并不一定就更快。这取决于优化做得好不好，如果有不必要的内存分配或者重复读取，实际的速度未必就快。

有多个 benchmark 都把 DSL-JSON 列到前三名里，有时甚至比其他的二进制编码更快。经过我仔细分析，原因出在了这些 benchmark 对于测试数据的构成选择上。因为构造测试数据很麻烦，所以一般评测只会对相同的测试数据，去测不同的库的实现。这样就使得结果是严重倾向于某种类型输入的。比如 [3]选择的测试数据的结构是这样的

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无论怎么去构造 small/medium/large 的输入，benchmark 仍然是存在特定倾向性的。而且这种倾向性是不明确的。比如 medium 的输入，到底说明了什么？medium 对于不同的人来说，可能意味着完全不同的东西。所以，在这里我想改变一下游戏的规则。不去选择一个所谓的最现实的配比，而是构造一些极端的情况。这样，我们可以一目了然的知道，JSON 的强项和弱点都是什么。通过把这些缺陷放大出来，我们也就可以对最坏的情况有一个清晰的预期。具体在你的场景下性能差距是怎样的一个区间内，也可以大概预估出来。

好了，废话不多说了。JMH 撸起来。benchmark 的对象有以下几个：

• Jackson：Java 程序里用的最多的 JSON 解析器。benchmark 中开启了 AfterBurner 的加速特性。

• DSL-JSON：世界上最快的 Java JSON 实现

• Jsoniter： 我抄袭 DSL-JSON 写的实现。特别申明：我是 Jsoniter 的作者。这里提到的所有关于Jsoniter 的评测数据都不应该被盲目相信。大部分的性能优化技巧是从 DSL-JSON 中直接抄来的。

• Fastjson：在中国很流行的 JSON 解析器

• Protobuf：在 RPC （远程方法调用）里非常流行的二进制编解码格式

• Thrift：另外一个很流行的 RPC 编解码格式。这里 benchmark 的是 TCompactProtocol

Decode Integer

先从一个简单的场景入手。毫无疑问，Protobuf 非常擅长于处理整数

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	8.20	22124.431
Thrift	6.6	27232.761
Jsoniter	6.45	28131.009
DSL-JSON	4.48	40472.032
Fastjson	2.1	86555.965
Jackson	1	181357.349

从结果上看，似乎优势非常明显。但是因为只有 1 个整数字段，所以可能整数解析的成本没有占到大头。所以，我们把测试调整对象调整为 10 个整数字段。再比比看

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库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	8.51	71067.990
Thrift	2.98	202921.616
Jsoniter	3.22	187654.012
DSL-JSON	1.43	422839.151
Fastjson	1.4	432494.654
Jackson	1	604894.752

这下优势就非常明显了。毫无疑问，Protobuf 解析整数的速度是非常快的，能够达到 Jackson 的 8 倍。

DSL-JSON 比 Jackson 快很多，它的优化代码在这里

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整数是直接从输入的字节里计算出来的，公式是 value = (value << 3) + (value << 1) + ind; 相比读出字符串，然后调用 Integer.valueOf ，这个实现只遍历了一遍输入，同时也避免了内存分配。

在这个基础上做了循环展开

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Encode Integer

编码方面情况如何呢？和编码一样的测试数据，测试结果如下：

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	2.9	121027.285
Thrift	0.17	2128221.323
Jsoniter	2.02	173912.732
DSL-JSON	2.18	161038.645
Fastjson	0.81	431348.853
Jackson	1	351430.048

不知道为啥，Thrift 的序列化特别慢。而且别的 benchmark 里 Thrift 的序列化都是算慢的。我猜测应该是实现里有不够优化的地方吧，格式应该没问题。整数编码方面，Protobuf 是 Jackson 的 3 倍。但是和 DSL-JSON 比起来，好像没有快很多。

这是因为 DSL-JSON 使用了自己的优化方式，和 JDK 的官方实现不一样

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这段代码的意思是比较令人费解的。不知道哪里就做了数字到字符串的转换了。过程是这样的，假设输入了19823，会被分解为 19 和 823 两部分。然后有一个 `DIGITS` 的查找表，根据这个表把 19 翻译为 "19"，把 823 翻译为 "823"。其中 "823" 并不是三个byte分开来存的，而是把 bit 放到了一个integer里，然后在 writeBuf 的时候通过位移把对应的三个byte解开的

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这个实现比 JDK 自带的 Integer.toString 更快。因为查找表预先计算好了，节省了运行时的计算成本。

Decode Double

解析 JSON 的 Double 就更慢了。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	13.75	92447.958
Thrift	7.30	174052.307
Jsoniter	4.2	302453.323
Jsoniter ()	3.25	390812.895
DSL-JSON	2.53	502287.602
Fastjson	1.2	1055454.855
Jackson	1	1271311.735

Protobuf 解析 double 是 Jackson 的 13 倍。毫无疑问，JSON 真的不适合存浮点数。

DSL-Json 中对 Double 也是做了特别优化的

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浮点数被去掉了点，存成了 long 类型，然后再除以对应的 10 的倍数。如果输入是 3.1415，则会变成 31415/10000。

Encode Double

把 double 编码为文本格式就更困难了。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	12.71	143346.157
Thrift	0.87	2093533.015
Jsoniter (6 digits)	6.5	280252.226
Jsoniter ()	6.68	272843.205
DSL-JSON	1.23	1483965.621
Fastjson	1.06	1722392.219
Jackson	1	1822478.053

解码 double 的时候，Protobuf 是 Jackson 的 13 倍。如果你愿意牺牲精度的话，可以选择只保留 6 位小数。在这个取舍下，可以好一些，但是 Protobuf 仍然是 的两倍。

保留 6 位小数的代码是这样写的。把 double 的处理变成了长整数的处理。

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到目前来看，我们可以说 JSON 不是为数字设计的。如果你使用的是 Jackson，切换到 Protobuf 的话可以把数字的处理速度提高 10 倍。然而 DSL-Json 做的优化可以把这个性能差距大幅缩小，解码在 3x ~ 4x 之间，编码在 1.3x ~ 2x 之间（前提是牺牲 double 的编码精度）。

因为 JSON 处理 double 非常慢。所以 提供了一种把 double 的 IEEE 754 的二进制表示（64个bit）用 编码之后保存的方案。如果希望提高速度，但是又要保持精度，可以使用 FloatSupport.enableEncodersAndDecoders();

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对于 0.123456789 就变成了 "OWNfmt03P78"

Decode Object

我们已经看到了 JSON 在处理数字方面的笨拙丑态了。在处理对象绑定方面，是不是也一样不堪？前面的 benchmark 结果那么差和按字段做绑定是不是有关系？毕竟我们有 10 个字段要处理那。这就来看看在处理字段方面的效率问题。

为了让比较起来公平一些，我们使用很短的 ascii 编码的字符串作为字段的值。这样字符串拷贝的成本大家都差不到哪里去。所以性能上要有差距，必然是和按字段绑定值有关系。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	2.52	68666.658
Thrift	2.74	63139.324
Jsoniter	5.78	29887.361
DSL-JSON	5.32	32458.030
Fastjson	1.71	101107.721
Jackson	1	172747.146

如果只有一个字段，Protobuf 是 Jackson 的 2.5 倍。但是比 DSL-JSON 要慢。

我们再把同样的实验重复几次，分别对应 5 个字段，10个字段的情况。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.3	276972.857
Thrift	1.44	250016.572
Jsoniter	2.5	143807.401
DSL-JSON	2.41	149261.728
Fastjson	1.39	259296.397
Jackson	1	359868.351

在有 5 个字段的情况下，Protobuf 仅仅是 Jackson 的 1.3x 倍。如果你认为 JSON 对象绑定很慢，而且会决定 JSON 解析的整体性能。对不起，你错了。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.22	462167.920
Thrift	1.12	503725.605
Jsoniter	2.04	277531.128
DSL-JSON	1.84	307569.103
Fastjson	1.18	477492.445
Jackson	1	564942.726

把字段数量加到了 10 个之后，Protobuf 仅仅是 Jackson 的 1.22 倍了。看到这里，你应该懂了吧。

Protobuf 在处理字段绑定的时候，用的是 switch case：

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这个实现比 Hashmap 来说，仅仅是稍微略快而已。DSL-JSON 的实现是先 hash，然后也是类似的分发的方式：

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使用的 hash 算法是 FNV-1a。

是 hash 就会碰撞，所以用起来需要小心。如果输入很有可能包含未知的字段，则需要放弃速度选择匹配之后再查一下字段是不是严格相等的。有一个解码模式

DYNAMIC_MODE_AND_MATCH_FIELD_STRICTLY，它可以产生下面这样的严格匹配的代码：

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即便是严格匹配，速度上也是有保证的。DSL-JSON 也有选项，可以在 hash 匹配之后额外加一次字符串 equals 检查。

库	相比 Jackson	ns/op
Jsoniter (hash mode)	2.13	274949.346
Jsoniter (strict mode)	1.95	300524.989
DSL-JSON (hash mode)	1.91	305812.208
DSL-JSON (strict mode)	1.71	343203.344
Jackson	1	585421.314

关于对象绑定来说，只要字段名不长，基于数字的 tag 分发并不会比 JSON 具有明显优势，即便是相比最慢的 Jackson 来说也是如此。

Encode Object

废话不多说了，直接比较一下三种字段数量情况下，编码的速度

只有 1 个字段

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.22	57502.775
Thrift	0.86	137094.627
Jsoniter	2.06	57081.756
DSL-JSON	2.46	47890.664
Fastjson	0.92	127421.715
Jackson	1	117604.479

有 5 个字段

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.68	127933.179
Thrift	0.46	467818.566
Jsoniter	2.54	84702.001
DSL-JSON	2.68	80211.517
Fastjson	0.98	219373.346
Jackson	1	214802.686

有 10 个字段

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.72	194371.476
Thrift	0.38	888230.783
Jsoniter	2.59	129305.086
DSL-JSON	2.56	130379.967
Fastjson	1.06	315267.365
Jackson	1	334297.953

对象编码方面，Protobuf 是 Jackson 的 1.7 倍。但是速度其实比 DSL-Json 还要慢。

优化对象编码的方式是，一次性尽可能多的把控制类的字节写出去。

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可以看到我们把 "field1": 作为一个整体写出去了。如果我们知道字段是非空的，则可以进一步的把字符串的双引号也一起合并写出去。

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从对象的编解码的 benchmark 结果可以看出，Protobuf 在这个方面仅仅比 Jackson 略微强一些，而比 DSL-Json 要慢。

Decode Integer List

Protobuf 对于整数列表有特别的支持，可以打包存储

设置 [packed=true]

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	2.92	249888.105
Thrift	3.63	201439.691
Jsoniter	2.97	245837.298
DSL-JSON	1.97	370897.998
Fastjson	0.89	820099.921
Jackson	1	730450.607

对于整数列表的解码，Protobuf 是 Jackson 的 3 倍。然而比 DSL-Json 的优势并不明显。

在 里，解码的循环被展开了：

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对于成员比较少的情况，这样搞可以避免数组的扩容带来的内存拷贝。

Encode Integer List

Protobuf 在编码数组的时候应该有优势，不用写那么多逗号出来嘛。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.35	159337.360
Thrift	0.45	472555.572
Jsoniter	1.9	112770.811
DSL-JSON	2.19	97998.250
Fastjson	0.66	323194.122
Jackson	1	214409.223

Protobuf 在编码整数列表的时候，仅仅是 Jackson 的 1.35 倍。虽然 Protobuf 在处理对象的整数字段的时候优势明显，但是在处理整数的列表时却不是如此。在这个方面，DSL-Json 没有特殊的优化，性能的提高纯粹只是因为单个数字的编码速度提高了。

Decode Object List

列表经常用做对象的容器。测试这种两种容器组合嵌套的场景，也很有代表意义。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.26	1118704.310
Thrift	1.3	1078278.555
Jsoniter	2.91	483304.365
DSL-JSON	2.22	635179.183
Fastjson	1.12	1260390.104
Jackson	1	1407116.476

Protobuf 处理对象列表是 Jackson 的 1.3 倍。但是不及 DSL-JSON。

Encode Object List

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	2.22	328219.768
Thrift	0.38	1885052.964
Jsoniter	3.63	200420.923
DSL-JSON	3.87	187964.594
Fastjson	0.85	857771.520
Jackson	1	727582.950

Protobuf 处理对象列表的编码速度是 Jackson 的 2 倍。但是 DSL-JSON 仍然比 Protobuf 更快。似乎 Protobuf 在处理列表的编码解码方面优势不明显。

Decode Double Array

Java 的数组有点特殊，double[]是比 List<Double>更高效的。使用 double 数组来代表时间点上的值或者坐标是非常常见的做法。然而，Protobuf 的 Java 库没有提供 double[]的支持，repeated 总是使用 List<Double>。我们可以预期 JSON 库在这里有一定的优势。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	5.18	207503.316
Thrift	6.12	175678.703
Jsoniter	4.83	222818.772
Jsoniter ()	3.63	296262.142
DSL-JSON	2.8	383549.289
Fastjson	0.58	1866460.535
Jackson	1	1075423.265

Protobuf 在处理 double 数组方面，Jackson 与之的差距被缩小为 5 倍。Protobuf 与 DSL-JSON 相比，优势已经不明显了。所以如果你有很多的 double 数值需要处理，这些数值必须是在对象的字段上，才会引起性能的巨大差别，对于数组里的 double，优势差距被缩小。

在 里，处理数组的循环也是被展开的。

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这避免了数组扩容的开销。

Encode Double Array

再来看看 double 数组的编码

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	15.63	107760.788
Thrift	0.54	3125678.472
Jsoniter (6 digits)	6.74	249945.866
Jsoniter ()	7.11	236991.658
DSL-JSON	1.14	1478332.248
Fastjson	1.08	1562377.465
Jackson	1	1684935.837

Protobuf 可以飞快地对 double 数组进行编码，是 Jackson 的 15 倍。在牺牲精度的情况下，Protobuf 只是 的 2.3 倍。所以，再次证明了，JSON 处理 double 非常慢。如果用 编码 double，则可以保持精度，速度和牺牲精度时一样。

Decode String

JSON 字符串包含了转义字符的支持。Protobuf 解码字符串仅仅是一个内存拷贝。理应更快才对。被测试的字符串长度是 160 个字节的 ascii。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	1.85	173680.548
Thrift	2.29	140635.170
Jsoniter	2.4	134067.924
DSL-JSON	2.27	141419.108
Fastjson	1.14	281061.212
Jackson	1	321406.155

Protobuf 解码长字符串是 Jackson 的 1.85 倍。然而，DSL-Json 比 Protobuf 更快。这就有点奇怪了，JSON 的处理负担更重，为什么会更快呢？

先尝试捷径

DSL-JSON 给 ascii 实现了一个捷径：

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这个捷径里规避了处理转义字符和utf8字符串的成本。

JVM 的动态编译做了特殊优化

在 JDK9 之前，java.lang.String 都是基于 `char[]` 的。而输入都是 byte[]并且是 utf-8 编码的。所以这使得，我们不能直接用 memcpy 的方式来处理字符串的解码问题。

但是在 JDK9 里，java.lang.String 已经改成了基于`byte[]`的了。从 JDK9 的源代码里可以看出：

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使用这个虽然被废弃，但是还没有被删除的构造函数，我们可以使用 Arrays.copyOfRange 来直接构造 java.lang.String 了。然而，在测试之后，发现这个实现方式并没有比 DSL-JSON 的实现更快。

似乎 JVM 的 Hotspot 动态编译时对这段循环的代码做了模式匹配，识别出了更高效的实现方式。即便是在 JDK9 使用 +UseCompactStrings 的前提下，理论上来说本应该更慢的 byte[] => char[] => byte[] 并没有使得这段代码变慢，DSL-JSON 的实现还是最快的。

如果输入大部分是字符串，这个优化就变得至关重要了。Java 里的解析艺术，还不如说是字节拷贝的艺术。JVM 的 java.lang.String 设计实在是太愚蠢了。在现代一点的语言中，比如 Go，字符串都是基于 utf-8 byte[]的。

Encode String

类似的问题，因为需要把 char[] 转换为 byte[]，所以没法直接内存拷贝。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	0.96	262077.921
Thrift	0.99	252140.935
Jsoniter	1.5	166381.978
DSL-JSON	1.38	181008.120
Fastjson	0.74	339919.707
Jackson	1	250431.354

Protobuf 在编码长字符串时，比 Jackson 略微快一点点。一切都归咎于 char[]。

跳过数据结构

JSON 是一个没有 header 的格式。因为没有 header，JSON 需要扫描每个字节才可以定位到所需的字段上。中间可能要扫过很多不需要处理的字段。

消息用 PbTestWriteObject 来编码，然后用 PbTestReadObject 来解码。field1 和 field2 的内容应该被跳过。

库	相比 Jackson	ns/op
Protobuf	5.05	152194.483
Thrift	5.43	141467.209
Jsoniter	3.75	204704.100
DSL-JSON	2.51	305784.845
Fastjson	0.4	1949277.734
Jackson	1	768840.597

Protobuf 在跳过数据结构方面，是 Jackson 的 5 倍。但是如果跳过长的字符串，JSON 的成本是和字符串长度线性相关的，而 Protobuf 则是一个常量操作。

总结

最后，我们把所有的战果汇总到一起。

场景	Protobuf V.S. Jackson	Protobuf V.S. Jsoniter	Jsoniter V.S Jackson
Decode Integer	8.51	2.64	3.22
Encode Integer	2.9	1.44	2.02
Decode Double	13.75	3.27	4.2
Encode Double	12.71	1.96 (只保留小数点后6位)	6.5
Decode Object	1.22	0.6	2.04
Encode Object	1.72	0.67	2.59
Decode Integer List	2.92	0.98	2.97
Encode Integer List	1.35	0.71	1.9
Decode Object List	1.26	0.43	2.91
Encode Object List	2.22	0.61	3.63
Decode Double Array	5.18	1.47	4.83
Encode Double Array	15.63	2.32 (只保留小数点后6位)	6.74
Decode String	1.85	0.77	2.4
Encode String	0.96	0.63	1.5
Skip Structure	5.05	1.35	3.75

编解码数字的时候，JSON 仍然是非常慢的。把这个差距从 10 倍缩小到了 3 倍多一些。

JSON 最差的情况是下面几种：

• 跳过非常长的字符串：和字符串长度线性相关。

• 解码 double 字段：Protobuf 优势明显，是 的 3.27 倍，是 Jackson 的 13.75 倍。

• 编码 double 字段：如果不能接受只保留 6 位小数，Protobuf 是 Jackson 的 12.71 倍。如果接受精度损失，Protobuf 是 的 1.96 倍。

• 解码整数：Protobuf 是 的 2.64 倍，是 Jackson 的 8.51 倍。

如果你的生产环境中的 JSON 没有那么多的 double 字段，都是字符串占大头，那么基本上来说替换成 Protobuf 也就是仅仅比 提高一点点，肯定在 2 倍之内。如果不幸的话，没准 Protobuf 还要更慢一点。