数据序列化格式比较：JSON、Protobuf、MessagePack

序列化是将数据结构转换为可以存储或传输并在之后重建的格式。格式的选择影响性能、负载大小、互操作性和开发者体验。本指南比较了最流行的选项。

格式概览

格式	类型	模式	人类可读	二进制
JSON	文本	可选（JSON Schema）	是	否
Protocol Buffers	二进制	必需（.proto）	否	是
MessagePack	二进制	无	否	是
CBOR	二进制	可选（CDDL）	否	是
Avro	二进制	必需（JSON 模式）	否	是
YAML	文本	可选	是	否
XML	文本	可选（XSD）	是	否

JSON：通用默认选择

JSON 是使用最广泛的序列化格式，在浏览器和几乎所有编程语言中都有原生支持。

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "roles": ["admin", "editor"],
  "active": true
}

优势：通用支持、人类可读、无需模式、调试方便。劣势：冗长、不支持二进制数据、无模式强制、比二进制格式解析更慢。大小：此示例 = 74 字节。

使用我们的 JSON 格式化工具格式化 JSON。

Protocol Buffers (Protobuf)

Google 的二进制序列化格式。需要模式定义：

message User {
  string name = 1;
  int32 age = 2;
  repeated string roles = 3;
  bool active = 4;
}

优势：非常紧凑、非常快速、通过模式实现强类型、向前/向后兼容、代码生成。劣势：不可人类可读、需要模式定义、需要代码生成步骤、调试更困难。大小：相同数据 ≈ 28 字节（比 JSON 小 62%）。

MessagePack

一种结构上等同于 JSON 的二进制格式——相同类型、无需模式：

const msgpack = require('msgpack-lite');
const packed = msgpack.encode({name: "Alice", age: 30, roles: ["admin", "editor"], active: true});
// Result: Buffer of ~45 bytes

优势：JSON 的直接替代品（相同数据模型）、比 JSON 更小、解析更快、无需模式。劣势：不可人类可读、不如 Protobuf 紧凑、无模式验证。大小：相同数据 ≈ 45 字节（比 JSON 小 39%）。

CBOR（简洁二进制对象表示）

IETF 标准（RFC 8949）的二进制数据格式。目标与 MessagePack 类似但功能更丰富：

优势：IETF 标准、支持扩展类型标签（日期、BigInt）、确定性编码、适合受限设备（IoT）。劣势：生态系统不如 MessagePack 丰富、不可人类可读。大小：与 MessagePack 类似。

Apache Avro

在大数据生态系统（Hadoop、Kafka）中大量使用：

优势：模式演进（安全添加/删除字段）、紧凑编码、内置压缩、适合流式数据。劣势：读写都需要模式、不太适合请求-响应式 API。大小：当模式单独共享时非常紧凑。

性能比较

基准测试因实现而异，但典型的相对性能：

格式	序列化速度	反序列化速度	大小
JSON	1x（基准）	1x（基准）	1x（基准）
MessagePack	快 2-4 倍	快 2-4 倍	0.6x
Protobuf	快 3-10 倍	快 3-10 倍	0.3-0.5x
Avro	快 2-5 倍	快 2-5 倍	0.3-0.5x
CBOR	快 2-4 倍	快 2-4 倍	0.6x

实际数字在很大程度上取决于数据结构、语言实现以及模式编译是否被摊销。

选择正确的格式

在以下情况使用 JSON：

构建 Web API（浏览器原生支持）
人类可读性很重要（配置文件、调试）
互操作性是优先项（每种语言都支持 JSON）
需要模式灵活性（可变的文档结构）

在以下情况使用 Protobuf：

性能至关重要（高吞吐量服务）
需要严格类型（强制模式）
你同时控制生产者和消费者
使用 gRPC 进行服务通信

在以下情况使用 MessagePack：

想要更小的负载且无需模式开销
需要 JSON 的直接替代品
使用对 MessagePack 支持良好的语言
Redis 或其他系统原生使用 MessagePack

在以下情况使用 Avro：

处理大数据管道（Kafka、Hadoop）
模式演进很重要
数据长期存储（模式注册表帮助未来读取者）

在文本格式之间转换时，我们的 JSON 转 YAML 转换器处理最常见的转换需求。

常见问题

我可以在 Web 浏览器中使用二进制格式吗？

可以，但有注意事项。MessagePack 和 CBOR 有在浏览器中运行的 JavaScript 库。Protobuf 需要 protobufjs 库。然而，JSON 仍然是 Web API 的默认选择，因为它有原生浏览器支持、可以与 fetch 配合使用，并且可以在浏览器 DevTools 中调试。

我应该将 API 从 JSON 切换到 Protobuf 吗？

只有当你已经测量到 JSON 序列化造成的性能瓶颈时才应这样做。对于大多数 Web 应用，JSON 足够快，开发者体验的好处（可读性、调试、工具）超过了二进制格式的性能提升。Protobuf 在高吞吐量微服务通信中表现出色，而非典型的 Web API。