Dive into Go Protocol Buffers API v2 with the new reflection features

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Dive into Go Protocol Buffers API v2 With the new reﬂection features Ryoya Sekino @Go Conference 2021 Spring

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2 セッションの背景とゴール背景ゴール ● Go Protocol Buffers API v2が2020年にリリース ● v1のリリースから10年ぶりのメジャーアップデート ● 充実したreﬂection機能が公式に提供されるようになった ● Go Protocol Buffers API v2の概要やリリース背景を理解する ● 新しいreﬂection機能の使い方や使い道を理解する

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Agenda 1. Introduction 2. What’s Protocol Buffers? 3. What’s Go Protocol Buffers API v2? 1. Faults in v1 2. What v2 provides 4. Examples using protoreﬂect 1. Custom regulations for String 2. Random message struct generator 3

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$whoami ● Ryoya Sekino /関野涼也 ● Software Engineer at UPSIDER, inc., leading Card Processing team ● Writing Go for 2 years as a main language ● Loves music, DJ’ing 4 1. Introduction sekino_pii sryoya

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Brieﬂy about UPSIDER ● 成長企業向けの法人カードを提供しているスタートアップです ⭐ ● 金融SaaSとして企業のお金周りの課題を解決することを目指しています 🏢 5 1. Introduction

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成長フェーズにつき、絶賛採用中です！！ ● 成長企業向けの法人カードを提供しているスタートアップです ⭐ ● 金融SaaSとして企業のお金周りの課題を解決することを目指しています 🏢 ● Tech Stacks: Go, Kotlin, k8s, Istio, microservices ● Working Styles: フルリモート、フルフレックス、業務委託可、副業可 6 1. Introduction 問い合わせはこちらまで https://corporatecard.up-sider.jp/career Gopherの原著作者は Renée Frenchさんです。

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8 2.What’s Protocol Buffers? ● IDL (インターフェース定義言語) で構造を定義し、データを Serialize/Deserializeする仕組み ● 高速でシンプルなのが特徴 ● 言語や環境に依存しないで使用できる　メッセージが各言語の形にコンパイルするツールが提供されている ● RPC(gRPC含む)で利用されている Protocol Buffers (a.k.a., protobuf, pb) は構造化データを Serializeする仕組み & そのインターフェース定義言語

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message Person { string name = 1; string phone_number = 2; int32 age = 3; bool is_alive = 4; } このようなデータ形式のものを”.proto”という拡張子のファイルに定義する 9 2.What’s Protocol Buffers? 基本のデータ構造はmessageという単位で表現する右端のタグ番号は、 Serializing用のフィールド識別子

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protobufには、各言語から操作できるようなAPIが用意されている ● protoc コンパイラが各言語の表現形式に変換する https://github.com/protocolbuffers/protobuf ● 対応言語はたくさん Go, C#, C++, Dart, Java, Kotlin, Node, Objective-C, PHP, Python, Ruby ● Goでは、コンパイルすると、pb.goというファイルに変換される 10 2.What’s Protocol Buffers? .proto .pb.go コンパイル

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11 2.What’s Protocol Buffers? Goにコンパイルするとmessageがstructとして表現される message Person { string name = 1; string phone_number = 2; int32 age = 3; bool is_alive = 4; } type Person struct { Name 　　string PhoneNumber string Age 　　　int32 IsAlive bool } コンパイル .pb.go コンパイル .proto

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12 2.What’s Protocol Buffers? protobufをGoの表現形式で操作するAPIが今回のお題 Gopherの原著作者は Renée Frenchさんです。 message Person { string name = 1; string phone_number = 2; int32 age = 3; bool is_alive = 4; }

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13 2.What’s Protocol Buffers? このセッションでのProtocol Buffers関連の言葉の使い方 Protocol Buffers (protobuf, pb) : Serializingフォーマット、またはそのIDLのこと。 (protobufの) Message: protobufのIDLで定義されたメッセージ、またはそれの具体的なデータのこと Proto File: protobufのIDLを定義したファイル(.proto)のこと Note: これらは必ずしも厳密な言葉の定義とは一致しません。

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● Goのreflect packageがGoのデータ形式に従ったreflectionを提供するように、 protobufのデータ形式に沿ったreflectionを提供 ● Interfaceを介して、protobufのデータ操作の手段を共通化・充実化 15 3. What’s Go Protocol Buffers API v2? Go Protocol Buffers API v2は、interfaceの実装を充実させ、protobufのデータ形式の沿ったreflection機能を提供

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1. Messageに対して、protobuf Messageとしてのreﬂectionが実行しづらい 2. Messageのinterfaceが簡素なため、Messageに対する共通の処理を実行しづらい 3. デフォルトのコンパイラ以外で生成した protobufのGoの表現形式も共通の処理ができるようにしたい 17 3-1. What’s Go Protocol Buffers API v2? - Faults in v1 v1には、Messageの情報操作やinterfaceに課題があった

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● Goのreﬂect パッケージはあくまで、GoのTypeとしてしか扱えないので、 protobufのMessageをprotobufの文法に則って扱いたい ● Messageの情報を取得する方法はあるが、簡単に操作するような方法が公式で与えられていない 18 3-1. What’s Go Protocol Buffers API v2? - Faults in v1 v1の課題1/3: Messageに対して、protobuf Messageとしてのreﬂectionが実行しづらい func (*DoResponse) Descriptor() ([]byte, []int) { // ... } Byteで返ってくる

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Messageのinterface自体は特になにもしてない。。。 19 3-1. What’s Go Protocol Buffers API v2? - Faults in v1 v1の課題2/3: Messageのinterfaceが簡素で、Messageに対する共通の処理を実行しづらい生成されたstructでも、特に何もしてない type Message interface { Reset() String() string ProtoMessage() } func (*DoRequest) ProtoMessage() {}

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● protocで生成したメッセージはあくまで、 protobufのGoでの表現形式の一つにすぎないので、独自のcompiler等を使用した独自の表現形式でも reﬂectionをしたい ● CLIなどでGoにコンパイルされたコードが手に入らない状況でも Protocol Buffersのメッセージを扱いたい 20 3-1. What’s Go Protocol Buffers API v2? - Faults in v1 v1の課題3/3: デフォルトのコンパイラ以外で生成した protobufのGoの表現形式も共通の処理ができるようにしたい

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● Messageのinterfaceが、明示的に、reflection用のinterfaceを返すような関数を宣言するようになった ● protoreflect packageがprotobufに対して共通のreflectionを実装している 22 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides v2では、interfaceを充実させて、interfaceに対するreflection を提供することで、v1の課題を解決した

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package “google.golang.org/protobuf/proto” package “google.golang.org/protobuf/reflect/protoreflect” type ProtoMessage interface{ ProtoReflect() Message } 23 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides v2のproto.Message interfaceは明示的にprotoreflectの interfaceを返す関数を宣言しているリフレクション用のinterfaceをを返す type Message = protoreflect.ProtoMessage

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package “google.golang.org/protobuf/proto” package “google.golang.org/protobuf/reflect/protoreflect” func (x *DoRequest) ProtoReflect() protoreflect.Message { // … omitted ... } 24 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides protobufから生成されたmessage structから、reflection用のinterfaceを実装したtypeを取得できる type ProtoMessage interface{ ProtoReflect() Message } type Message = protoreflect.ProtoMessage

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25 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides protoreﬂect.MessageがReﬂection用のメソッドを定義している

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.proto ファイルに定義される情報をDescriptorというinterfaceで抽象的に表現して、共通の動的な操作を可能にしている 26 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides protoreﬂect packageは、Messageに対する共通の reﬂection処理を規定している

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27 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides protoファイルのデータ単位ごとにDescriptorが存在している ● FileDescriptor ● ServiceDescriptor ● MethodDescriptor ● MessageDescriptor ● FieldDescriptor ● OneOfDescriptor ● EnumDescriptor ● EnumValueDescriptor

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28 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides Message DescriptorがMessageに対する操作を提供する

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29 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides Field DescriptorがFieldに対する操作を提供する

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30 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides FileDescriptorがファイル全体に対する操作を提供する

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31 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides 同様にその他のデータ単位のDescriptorがある

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32 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides データ単位同士の関係に則って、Descriptorを行ったり来たりできる File Descriptor Service Descriptor Method Descriptor Message Descriptor Field Descriptor Enum Descriptor OneOf Descriptor Enum Value Descriptor

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33 3-2. What’s Go Protocol Buffers API v2? - What v2 provides GoのMessage Structがあれば、MessageDescriptorを始点にすべてのDescriptorにアクセスできる File Descriptor Service Descriptor Method Descriptor Message Descriptor Field Descriptor Enum Descriptor OneOf Descriptor Enum Value Descriptor Message type Person struct { Name 　　string PhoneNumber string Age 　　　int32 IsAlive bool } Proto Message

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Agenda 1. Introduction 2. What’s Protocol Buffers? 3. What’s Go Protocol Buffers API v2? 4. Examples using protoreﬂect 1. Custom regulations for String 2. Random message struct generator 34

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1. Custom regulations for String protoreflectを使ったデータ構造や値の取り出し方の雰囲気 2. Random message struct generator protoreflectを使ったデータの作成・値の書き込み方法の雰囲気最終形はGitHubに置いてます https://github.com/sryoya/protoreflect-go-examples 35 4. Examples using protoreflect Exampleを通して理解すること

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Agenda 1. Introduction 2. What’s Protocol Buffers? 3. What’s Go Protocol Buffers API v2? 4. Examples using protoreﬂect 1. Custom regulations for String 2. Random message struct generator 36

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概要 ● protobufのStringのフィールドに長さ・形式等の制約をかけられるようにしたい ○ 文字数が6-12文字の値のみ有効なString ○ アルファベットと数字のみ有効な String ● protobufに制約を定義し、具体的なGoのメッセージの値が形式に沿っているかどうかのバリデーション関数を用意する使い道の例 ● gRPC Serverがいちいち(内部のロジック的に)想定外の値に対するバリデーションを書かなくてよくする ● gRPC Clientがサーバー側の内情を知らなくても、送ろうとしているメッセージが正しいか判断できるようにする 37 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 作るもの: Custom regulations for String

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1. Stringのフィールドに長さのルールをOptionで付加する 2. Optionで指定した制約に準拠した値かをバリデーションできる 38 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 使い方のイメージ: String with the custom regulations message UpdateAccountIDRequest { string iD = 1 [ (stroptpb.opts) = {min_len : 6, max_len: 12} ]; } msg = &testproto.UpdateAccountIDRequest{ ID: "12345", } err = stropt.Validate(msg) fmt.Println(err) // Output: Field: ID, invalid length, the value must be longer than or equal to 6, but actual: 5 Optionを指定

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1. Protocol Buffersに共通のField Optionを定義する 2. 関数を作る 1. 関数のIOを定義する 2. Messageの情報を取り出す 3. 各フィールドの情報を取り出す 4. フィールドのOptionをチェックして取り出す 5. フィールドの値をチェックして取り出す 6. 取り出したOptionと値を利用してバリデーションする 39 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String ステップ: Custom regulations for String

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Note: proto3には存在しなかった ”optional”は、Protocol Buffers v.3.12.0で試験的に導入されました 40 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 1. Protocol Buffersに共通のField Optionを定義する extend google.protobuf.FieldOptions { StringOpts opts = 50000; } message StringOpts { optional int32 len = 1; optional int32 max_len = 2; optional int32 min_len = 3; optional string regexp = 4; } message UpdateAccountIDRequest { string iD = 1 [ (stroptpb.opts) = {len : 10} ]; } 定義する実際に埋め込める Optionの識別子は50000-99999でないといけない

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Inputは、protobuf Messageから生成されたStructならどんな値でも投げ込めるようにする 41 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 2-1 関数のIOを定義する Messageから生成されたGoのStructに共通のinterface func Validate(pb proto.Message) error { return validate(pb.ProtoReﬂect()) }

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func Validate(pb proto.Message) error { return validate(pb.ProtoReflect()) } proto.Messageからreflection用のinterfaceを実装した値を取り出す 42 4-1. Examples using protoreflect - Custom regulations for String 2-2 Messageの情報を取り出す reflection用のinterfaceを実装した情報を取り出す

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MessageからField Descriptorを取り出して各フィールドを見ていく func validate(m protoreflect.Message) error { md := m.Descriptor() fds := md.Fields() var errs error for k := 0; k < fds.Len(); k++ { fd := fds.Get(k) // validation for each filed } return errs } 43 4-1. Examples using protoreflect - Custom regulations for String 2-3 各フィールドの情報を取り出すこの中に具体的なvalidationを書いていく MessageDescriptorを取り出す FieldDescriptorsを取り出す

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StrOptsがついているフィールドか確認して、ついていれば Optionの中身を取り出す opts := fd.Options().(*descriptorpb.FieldOptions) so, ok := proto.GetExtension(opts, stroptpb.E_Opts).(*stroptpb.StringOpts) if !ok || so == nil { continue } 44 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 2-4: フィールドのOptionをチェックして取り出す Messageから生成されたStruct

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1. Stringのフィールドか確認 if fd.Kind() != protoreflect.StringKind { continue } 2. protorefect.Messageから具体的な値を取得する (FieldDescriptorはあくまでデータ構造を取得するものなので、具体的なフィールドの値は得られない ) strVal := m.Get(fd).Interface().(string) 45 4-1. Examples using protoreflect - Custom regulations for String 2-5: フィールドの値をチェックして取り出す Proto用の型リストと比較 protoreflect.Message

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func validateValue(fieldName protoreflect.Name, opts *stroptpb.StringOpts, v string) error { err = validateLength(opts, v) If err != nil { // error handling } // other validations... return errs } 46 4-1. Examples using protoreflect - Custom regulations for String 2-6: 取り出したOptionと値を利用してバリデーションする func validateLength(opts *stroptpb.StringOpts, v string) error { } 内容ごとのバリデーションの関数に、 Optionと値を渡す

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● Message: フィールドのtypeがまたMessageだったときに対応させる ● List: StringのListに対応させる ● Map: ValueにStringを持つMapに対応させる 47 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 応用: Composite TypeのFieldに対応させる

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● Message: フィールドのtypeがまたMessageだったときに対応させる -> フィールドの型で判定し、再帰処理を実行する ● List: StringのListに対応させる　　-> 専用のメソッドで判定し、List用のinterfaceに変換して処理する ● Map: ValueにStringを持つMapに対応させる -> 専用のメソッドで判定し、Map用のinterfaceに変換して処理する 48 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String 応用: Composite Typeに対応させる

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フィールドのTypeを見て再帰呼び出しするだけでOK 49 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String Message: フィールドのTypeが別のMessageだったときに対応させる if fd.Kind() == protoreﬂect.MessageKind { errs = appendErr(errs, validate(m.Get(fd).Message())) continue }

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専用のメソッドでListかチェックして、List用のinterfaceに変換した上でfor-loopを回すだけ 50 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String List: StringのListに対応させる if fd.IsList() && fd.Kind() == protoreﬂect.StringKind { strList := m.Get(fd).List() for i := 0; i < strList.Len(); i++ { strVal := strList.Get(i).Interface().(string) errs = appendErr(errs, validateValue(fd.Name(), so, strVal)) } continue } Note: 通常(primitive type)のString用の条件分岐に入らないように注意 ListのTypeは、Listの中に入る値の Typeになる

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基本的にListと同じだけど、Type判定とloopの回し型が違う 51 4-1. Examples using protoreflect - Custom regulations for String Map: ValueにStringを持つMapに対応させる if fd.IsMap() { strMap := m.Get(fd).Map() strMap.Range(func(mk protoreflect.MapKey, mv protoreflect.Value) bool { strVal, ok := mv.Interface().(string) if !ok { // error handling return false } errs = appendErr(errs, validateValue(fd.Name(), so, strVal)) return true }) continue } Note: Map自体はMessage型になるので、Message型用の条件分岐に入らないように注意 ValueのTypeを確認しにいく Rangeでloopできる

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52 4-1. Examples using protoreﬂect - Custom regulations for String Custom regulations for String - Summary このようにProtocol Buffersのデータ定義を読み込んだ処理ができるようになりました最終形はGitHubにあります https://github.com/sryoya/protoreﬂect-go-examples/blob/master/stropt/valid ate.go

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Agenda 1. Introduction 2. What’s Protocol Buffers? 3. What’s Go Protocol Buffers API v2? 4. Examples using protoreﬂect 1. Custom regulations for String 2. Random message struct generator 53

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54 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator 作るもの: Random message struct generator 概要 ● Proto MessageのStructを受け取って、ランダムな値を埋め込んで返す ● Proto MessageのStructならなんでも扱えるようにする使い道の例 Fuzzing, Performance Test

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基本: 元のMessageの値にアクセスして書き換える protoreflect.Message Interfaceは値を直接書き換える共通のメソッドを提供している応用: 別のMessage Structを用意して値を設定し、最後に、元の Structマージする dynamicpbという、proto.Messageのinterfaceを実装した動的なtypeを生成できるパッケージがある。dynamicpbで生成したMessageは、同じproto.Messageのstructとマージして値を書き込むことができる。 55 4-2. Examples using protoreflect - Random message struct generator 要点: protoreflectは、Message Structに値を直接書き込む手段も提供している

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func EmbedValue(msg proto.Message) error { pm := msg.ProtoReflect() fds := pm.Descriptor().Fields() for k := 0; k < fds.Len(); k++ { fd := fds.Get(k) // need handling for List and Map switch fd.Kind() { case protoreflect.StringKind: // write value 　 // other types including recursion default: return fmt.Errorf("unexpected type: %v", fd.Kind()) } } // ... } 56 4-2. Examples using protoreflect - Random message struct generator 読み込みは前の例と同じ要領

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protoreflect.Message interfaceを介して、MessageのStructに書き込める switch fd.Kind() { case protoreflect.Int32Kind: pm.Set(fd, protoreflect.ValueOfInt32(rand.Int31())) // ... default: return fmt.Errorf("unexpected type: %v", fd.Kind()) } 57 4-2. Examples using protoreflect - Random message struct generator 基本: 元のMessageの値にアクセスして値を書き換える Protoreflectの型定義に変換 Fieldに値をセットできる

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switch fd.Kind() { case protoreflect.MessageKind: // generate its child message pm.Set(fd, protoreflect.ValueofMessage(XXX))) default: return fmt.Errorf("unexpected type: %v", fd.Kind()) } 58 4-2. Examples using protoreflect - Random message struct generator ただし、この方法だと再帰処理などで元のMessageに辿ることが面倒な場合がある親のMessageにセットするために、フィールドの Messageの値を用意しないといけない

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● dynamicpbは、DescriptorからProtocol BuffersのMessageのStructを作成するパッケージ https://pkg.go.dev/google.golang.org/protobuf/types/dynamicpb ● dynamicpbで生成した値を、protocコンパイラが生成したMessage Structにマージして値を書き換えることができる 59 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator 応用: dynamicpbを使えば、Messageの情報から、新規 MessageのTypeを生成できる

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● Goのコンパイル時点で具体的なGoのStructが手に入らない状況でも、 Protocol Buffersのメッセージを作成できる ○ ex) Protocol Buffersに対する汎用のCLI, カスタムのCompilerなど ● 再帰処理とかで元のMessageのStructを取り出して書き込むのが面倒なときにも、dynamicpbで具体的な値を作って、元のMessageにマージできる ○ 今回のケース（ただし、dynamicpbを使わなくてもやる方法自体はある ) 60 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator 応用: dynamicpbは、具体的なGoのMessage Structが手に入らない状況でも、Messageの値が用意できる

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1. MessageDescriptorを渡すと、Messageの情報を持ったdynamicなMessage Structが作成できる dm := dynamicpb.NewMessage(m.ProtoReﬂect().Descriptor()) 2. dynamicpbのMessageにも、Proto.Messageと同じように値をセットできる dm.Set(fd, value) 61 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator 応用: dynamicpbに、Messageの情報を渡して、値を生成させる引数にいれる値は下記の通り 1. フィールドの情報(FieldDescriptor) 2. セットする値

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これで具体的な値が対象の Structにセットされる proto.Merge(msg, dm) 62 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator 応用: dynamicpbで生成したStructをProcol Buffersから生成されたMessage Structにマージする引数にいれる値は下記の通り 1. セット先のMessage Struct 2. セット元のMessage Struct(dynamic pbが生成した値)

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最終形はGitHubへ https://github.com/sryoya/protoreﬂect-go-examples/tree/master/protorand 63 4-2. Examples using protoreﬂect - Random message struct generator Random message struct generator - Summary

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● Go Protocol Buffers API v2では、MessageのInterfaceが充実され、 reﬂectionの機能が提供された ● protoreﬂectパッケージを利用して、Protocol Buffersのデータ形式に沿ったデータの読み書きができる 64 まとめ

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65 Appendix - Go Protocol Buffers API v2のimport path ● google.golang.org/protobuf ○ ちなみにv1はgithub.com/golang/protobuf ● versionはv1.20.0から始まる ○ まだ提供されているv1(2021年4月現在でv1.5.2)がv1.20まで到達することはないだろうかららしい

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66 Appendix - v2からのGoコード生成ツールと使用例 ● protobufのGoコード生成 ○ google.golang.org/protobuf/cmd/protoc-gen-go ● gRPCのGoコード生成 ○ google.golang.org/grpc/cmd/protoc-gen-go-grpc ● コマンド例 $ ﬁnd . -name '*.proto' -exec protoc --experimental_allow_proto3_optional -I ./ --go_out . --go_opt paths=source_relative --go-grpc_out . --go-grpc_opt paths=source_relative {}

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67 Appendix - その他関連パッケージ ● protocmp ○ google.golang.org/protobuf/testing/protocmp ○ go-cmpを内包したテスト用のツール ● protojson ○ google.golang.org/protobuf/encoding/protojson ○ Jsonとprotobufの変換(v1の改良版) ● protogen ○ google.golang.org/protobuf/compiler/protogen ○ protobuf compilerの作成用のヘルパーツール

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68 Reference ● The Go Blog A new Go API for Protocol Buffers https://blog.golang.org/protobuf-apiv2 ● protoreflect https://pkg.go.dev/google.golang.org/protobuf/reflect/protoreflect ● dynamicpb https://pkg.go.dev/google.golang.org/protobuf/types/dynamicpb

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EoF Gopherの原著作者は Renée Frenchさんです。 69