Wie man eine Klasse mit komplexen Datenelementen in C serialisiert und deserialisiert

Einführung

Bei der Serialisierung wird der Status eines Objekts in einen Bytestrom übersetzt, der gespeichert und später wieder in ein Objekt mit demselben Status rekonstruiert werden kann. Dieser Artikel bietet Anleitungen zum Serialisieren und Deserialisieren einer Klasse mit Mitgliedern benutzerdefinierter Datentypen in C und bietet Implementierungsvorschläge für optimale Geschwindigkeit, Portabilität und Speichereffizienz.

Definieren der Serialisierungsschnittstelle

Eine ordnungsgemäße Serialisierungsschnittstelle sollte Funktionen sowohl für die Serialisierung (Konvertierung in Bytes) als auch für die Deserialisierung (Rekonstruktion aus Bytes) definieren. Der empfohlene Rückgabetyp für die Serialisierungsfunktion ist ein Byte-Vektor, std::vector. Die Deserialisierungsfunktion sollte einen Span oder einen Stream, der die serialisierten Bytes darstellt, als Eingabe verwenden.

Beispiel für eine Serialisierungsschnittstelle:

std::vector<uint8_t> serialize(Mango const& Man);
Mango deserialize(std::span<uint8_t const> data);

Serialisierung benutzerdefinierter Datentypen

Für benutzerdefinierte Datentypen definieren Sie benutzerdefinierte Serialisierungsfunktionen innerhalb des Namensraums dieser Datentypen. Betrachten Sie beispielsweise einen benutzerdefinierten Datentyp ValType:

namespace MangoLib {
    enum class ValType : uint8_t {
        #define UseValType
        #define Line(NAME, VALUE, STRING) NAME = VALUE
        Line(void_,   0, "void"),
        Line(int_,    1, "int"),
        Line(bool_,   2, "bool"),
        Line(string_, 3, "string"),
        #undef Line
        #undef UseValType
    };
}

Für diesen Typ würden Sie eine Serialisierungsfunktion definieren:

namespace MangoLib {
    template <typename Out>
    Out do_generate(Out out, ValType const& x) {
        using my_serialization_helpers::do_generate;
        return do_generate(out,
                           static_cast<std::underlying_type_t<ValType>>(x));
    }
}

Ähnliche Serialisierungsfunktionen sollten bei Bedarf für andere benutzerdefinierte Datentypen definiert werden.

Implementierung

Die folgenden Implementierungsvorschläge berücksichtigen Geschwindigkeit, Portabilität und Speichereffizienz:

• Byte-Reihenfolge: Stellen Sie eine konsistente Byte-Reihenfolge sicher plattformspezifische Funktionen, falls erforderlich.
• Endian-Neutral: Serialisierung mit einer plattformneutralen Bytereihenfolge implementieren, um Portabilität sicherzustellen.
• Darstellung von Strings: Passen Sie die Serialisierung von Zeichenfolgen an, um Speicher und Geschwindigkeit zu optimieren.
• Containerkapazität: Angeben eine maximal unterstützte Containerkapazität für eine effiziente Serialisierung.

Speichereffizienz

Um die Speichernutzung während der Serialisierung zu optimieren:

• Zeiger vermeiden: Verwenden Sie Werttypen oder Referenzen, um den Overhead von zu vermeiden Zeiger.
• Bitfelder und gepackte Strukturen: Erwägen Sie die Verwendung von Bitfeldern und gepackten Strukturen, um Daten dicht zu packen.
• Containeroptimierungen verwenden: Nutzen Sie Optimierungen wie Kapazitätsreservierungen und Vorbelegungen bei der Nutzung von Containern.

Geschwindigkeit und Portabilität

Für optimale Geschwindigkeit und Portabilität:

• Primitive Datentypen: Verwenden Sie spezielle Serialisierungsfunktionen für primitive Datentypen für eine schnellere Verarbeitung.
• Mehrfache Überladungen: Stellen Sie mehrere Überladungen von Serialisierungsfunktionen bereit, um verschiedene Datentypen zu verarbeiten effizient.
• Nur-Header-Serialisierung: Verwenden Sie Nur-Header-Serialisierungsbibliotheken wie msgpack oder Cereal, um Verknüpfungsabhängigkeiten zu vermeiden.

Zusätzliche Überlegungen

• Speicherformat: Bestimmen Sie das Zielspeicherformat für die serialisierten Daten (Datei, Netzwerk, Speicher).
• Datei-IO: Bietet Serialisierungsfunktionen, die für eine einfachere Speicherung auf Dateistreams angewendet werden.
• Unit-Tests: Testen Sie die Serialisierung und Deserialisierung gründlich auf Genauigkeit und Genauigkeit Korrektheit.

Schlussfolgerung

Dieser Artikel bietet detaillierte Anleitungen und Implementierungsvorschläge für die effiziente Serialisierung und Deserialisierung von Klassen mit komplexen Datenelementen in C. Unter Berücksichtigung von Geschwindigkeit, Portabilität und Speichereffizienz können Sie robuste Serialisierungslösungen entwickeln, die den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung gerecht werden.