如何在 C 中序列化和反序列化具有复杂数据成员的类

简介

序列化涉及将对象的状态转换为字节流，该字节流可以存储并稍后重构回具有相同状态的对象。本文提供了有关用 C 语言对具有自定义数据类型成员的类进行序列化和反序列化的指导，并提供了最佳速度、可移植性和内存效率的实现建议。

定义序列化接口

正确的序列化接口应该定义序列化（转换为字节）和反序列化（从字节重建）的函数。建议序列化函数的返回类型是字节向量 std::vector。反序列化函数应采用表示序列化字节的范围或流作为输入。

示例序列化接口：

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

自定义数据类型序列化

对于自定义数据类型，在这些数据类型的命名空间内定义自定义序列化函数数据类型。例如，考虑自定义数据类型 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
    };
}

对于这种类型，您需要定义一个序列化函数：

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));
    }
}

应根据需要为其他自定义数据类型定义类似的序列化函数。

实现

以下实现建议考虑速度、可移植性和内存效率：

• 字节顺序： 通过特定于平台的函数确保字节顺序一致如果需要的话。
• Endian-Neutral: 使用平台中立的字节顺序实现序列化以确保可移植性。
• 字符串的表示： 自定义字符串的序列化以优化内存和速度。
• 容器容量：指定支持的最大容器容量以提高效率序列化。

内存效率

优化序列化期间的内存使用：

• 避免指针：使用值类型或引用来避免指针的开销。
• 位字段和打包结构： 考虑使用位字段和打包结构来紧密打包数据。
• 使用容器优化： 使用容器时利用容量预留和预分配等优化。

速度和便携性

获得最佳速度和可移植性：

• 原始数据类型： 对原始数据类型使用专门的序列化函数以加快处理速度。
• 多重重载： 提供多个重载序列化函数以有效地处理不同的数据类型。
• 仅标头序列化：使用仅标头的序列化库（例如 msgpack 或谷物）以避免链接依赖项。

其他注意事项

• 存储格式： 确定序列化数据的目标存储格式（文件、网络、内存）。
• 文件IO： 提供对文件流进行操作的序列化函数，以便于存储。
• 单元测试： 彻底测试序列化和反序列化的准确性和正确性。

结论

本文为高效地序列化和反序列化复杂的类提供了详细的指导和实现建议C 中的数据成员。通过考虑速度、可移植性和内存效率，您可以开发强大的序列化解决方案来满足您的应用程序的特定要求。