NanoPB: Como lidar com tipos string em C

Veja também: Versão C++: Como lidar com tipos string em C++

NanoPB é uma implementação de Protocol Buffers otimizada para tamanho de código, voltada para sistemas embarcados. Este post mostra como lidar com tipos string em C com NanoPB.

Definição Proto

Primeiro, crie um arquivo .proto com campos string:

strings.proto

syntax = "proto3";

package example;

message StringMessage {
  string name = 1;
  string description = 2;
}

syntax = "proto3";

package example;

message StringMessage {
  string name = 1;
  string description = 2;
}

Gerar código NanoPB

Gere o código NanoPB com um arquivo .options para especificar os tamanhos dos buffers de string:

Crie strings.options:

strings.options

example.StringMessage.name max_size:64
example.StringMessage.description max_size:256

example.StringMessage.name max_size:64
example.StringMessage.description max_size:256

Depois gere:

generate_nanopb_strings.sh

protoc --nanopb_out=. strings.proto

protoc --nanopb_out=. strings.proto

Isso irá gerar strings.pb.h e strings.pb.c.

Exemplo em C com buffers de tamanho fixo

Aqui está um exemplo completo em C usando buffers de tamanho fixo:

strings_example.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "strings.pb.h"
#include "pb_encode.h"
#include "pb_decode.h"

int main() {
    // Buffer para mensagem codificada
    uint8_t buffer[256];
    size_t message_length;
    
    // --- CODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage message = example_StringMessage_init_zero;
    
    // Definir valores de string (devem caber no tamanho do buffer)
    const char* name = "NanoPB";
    const char* description = "Protocol Buffers for embedded systems";
    
    strncpy(message.name, name, sizeof(message.name) - 1);
    strncpy(message.description, description, sizeof(message.description) - 1);
    
    // Criar stream para codificação
    pb_ostream_t ostream = pb_ostream_from_buffer(buffer, sizeof(buffer));
    
    // Codificar a mensagem
    if (!pb_encode(&ostream, example_StringMessage_fields, &message)) {
        printf("Encoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&ostream));
        return 1;
    }
    
    message_length = ostream.bytes_written;
    printf("Encoded %zu bytes\n", message_length);
    
    // Imprimir hex dump dos dados codificados
    printf("Encoded data: ");
    for (size_t i = 0; i < message_length; i++) {
        printf("%02x ", buffer[i]);
    }
    printf("\n");
    
    // --- DECODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage decoded = example_StringMessage_init_zero;
    
    // Criar stream para decodificação
    pb_istream_t istream = pb_istream_from_buffer(buffer, message_length);
    
    // Decodificar a mensagem
    if (!pb_decode(&istream, example_StringMessage_fields, &decoded)) {
        printf("Decoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&istream));
        return 1;
    }
    
    // Imprimir valores decodificados
    printf("Decoded values:\n");
    printf("  name: %s\n", decoded.name);
    printf("  description: %s\n", decoded.description);
    
    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "strings.pb.h"
#include "pb_encode.h"
#include "pb_decode.h"

int main() {
    // Buffer para mensagem codificada
    uint8_t buffer[256];
    size_t message_length;
    
    // --- CODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage message = example_StringMessage_init_zero;
    
    // Definir valores de string (devem caber no tamanho do buffer)
    const char* name = "NanoPB";
    const char* description = "Protocol Buffers for embedded systems";
    
    strncpy(message.name, name, sizeof(message.name) - 1);
    strncpy(message.description, description, sizeof(message.description) - 1);
    
    // Criar stream para codificação
    pb_ostream_t ostream = pb_ostream_from_buffer(buffer, sizeof(buffer));
    
    // Codificar a mensagem
    if (!pb_encode(&ostream, example_StringMessage_fields, &message)) {
        printf("Encoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&ostream));
        return 1;
    }
    
    message_length = ostream.bytes_written;
    printf("Encoded %zu bytes\n", message_length);
    
    // Imprimir hex dump dos dados codificados
    printf("Encoded data: ");
    for (size_t i = 0; i < message_length; i++) {
        printf("%02x ", buffer[i]);
    }
    printf("\n");
    
    // --- DECODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage decoded = example_StringMessage_init_zero;
    
    // Criar stream para decodificação
    pb_istream_t istream = pb_istream_from_buffer(buffer, message_length);
    
    // Decodificar a mensagem
    if (!pb_decode(&istream, example_StringMessage_fields, &decoded)) {
        printf("Decoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&istream));
        return 1;
    }
    
    // Imprimir valores decodificados
    printf("Decoded values:\n");
    printf("  name: %s\n", decoded.name);
    printf("  description: %s\n", decoded.description);
    
    return 0;
}

Comando de compilação

Compile o exemplo com nanopb. NanoPB é tipicamente usado incluindo os arquivos fonte diretamente no seu projeto:

compile_strings_example.sh

gcc -o strings_example strings_example.c strings.pb.c pb_common.c pb_encode.c pb_decode.c -I.

gcc -o strings_example strings_example.c strings.pb.c pb_common.c pb_encode.c pb_decode.c -I.

Nota: Os arquivos fonte do NanoPB (pb_common.c, pb_encode.c, pb_decode.c) precisam ser compilados diretamente com seu projeto. Você pode obtê-los no repositório GitHub do NanoPB.

Script de teste em Python

Para verificar a codificação, você pode usar a biblioteca protobuf do Python:

test_strings.py

import strings_pb2

# Ler os dados binários
with open('encoded.bin', 'rb') as f:
    data = f.read()

# Decodificar
msg = strings_pb2.StringMessage()
msg.ParseFromString(data)

print("Python decoded values:")
print(f"  name: {msg.name}")
print(f"  description: {msg.description}")

import strings_pb2

# Ler os dados binários
with open('encoded.bin', 'rb') as f:
    data = f.read()

# Decodificar
msg = strings_pb2.StringMessage()
msg.ParseFromString(data)

print("Python decoded values:")
print(f"  name: {msg.name}")
print(f"  description: {msg.description}")

Primeiro, compile as definições protobuf do Python:

compile_python_strings.sh

protoc --python_out=. strings.proto

protoc --python_out=. strings.proto

Depois modifique o exemplo em C para salvar os dados codificados em um arquivo:

save_encoded_strings.c

// Após a codificação, adicione isto:
FILE *f = fopen("encoded.bin", "wb");
fwrite(buffer, 1, message_length, f);
fclose(f);

// Após a codificação, adicione isto:
FILE *f = fopen("encoded.bin", "wb");
fwrite(buffer, 1, message_length, f);
fclose(f);

Alternativa: Strings baseadas em callback

Para manipulação dinâmica de strings, você pode usar callbacks. Crie strings_callback.options:

strings_callback.options

# Usar callback para strings dinâmicas
msg.StringMessage.name callback
msg.StringMessage.description callback

# Usar callback para strings dinâmicas
msg.StringMessage.name callback
msg.StringMessage.description callback

Depois regenere e use esta abordagem:

strings_callback_example.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "strings.pb.h"
#include "pb_encode.h"
#include "pb_decode.h"

typedef struct {
    char* data;
    size_t size;
} dynamic_string_t;

// Callback de codificação para strings
bool string_encode_callback(pb_ostream_t *stream, const pb_field_t *field, void * const *arg) {
    const dynamic_string_t* str = (const dynamic_string_t*)*arg;
    
    if (!pb_encode_tag_for_field(stream, field))
        return false;
    
    return pb_encode_string(stream, (const pb_byte_t*)str->data, str->size);
}

// Callback de decodificação para strings
bool string_decode_callback(pb_istream_t *stream, const pb_field_t *field, void **arg) {
    dynamic_string_t* str = (dynamic_string_t*)*arg;
    
    // Alocar buffer
    size_t size = stream->bytes_left;
    str->data = (char*)malloc(size + 1);
    
    if (!pb_read(stream, (pb_byte_t*)str->data, size)) {
        free(str->data);
        str->data = NULL;
        return false;
    }
    
    str->data[size] = '\0'; // Terminar com null
    str->size = size;
    return true;
}

int main() {
    uint8_t buffer[256];
    size_t message_length;
    
    dynamic_string_t name = {"NanoPB", 6};
    dynamic_string_t description = {"Protocol Buffers for embedded systems", 38};
    
    // --- CODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage message = example_StringMessage_init_zero;
    
    message.name.funcs.encode = string_encode_callback;
    message.name.arg = &name;
    message.description.funcs.encode = string_encode_callback;
    message.description.arg = &description;
    
    pb_ostream_t ostream = pb_ostream_from_buffer(buffer, sizeof(buffer));
    
    if (!pb_encode(&ostream, example_StringMessage_fields, &message)) {
        printf("Encoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&ostream));
        return 1;
    }
    
    message_length = ostream.bytes_written;
    printf("Encoded %zu bytes\n", message_length);
    
    // --- DECODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage decoded = example_StringMessage_init_zero;
    dynamic_string_t decoded_name = {NULL, 0};
    dynamic_string_t decoded_description = {NULL, 0};
    
    decoded.name.funcs.decode = string_decode_callback;
    decoded.name.arg = &decoded_name;
    decoded.description.funcs.decode = string_decode_callback;
    decoded.description.arg = &decoded_description;
    
    pb_istream_t istream = pb_istream_from_buffer(buffer, message_length);
    
    if (!pb_decode(&istream, example_StringMessage_fields, &decoded)) {
        printf("Decoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&istream));
        return 1;
    }
    
    printf("Decoded values:\n");
    printf("  name: %s\n", decoded_name.data);
    printf("  description: %s\n", decoded_description.data);
    
    // Liberar memória alocada
    free(decoded_name.data);
    free(decoded_description.data);
    
    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "strings.pb.h"
#include "pb_encode.h"
#include "pb_decode.h"

typedef struct {
    char* data;
    size_t size;
} dynamic_string_t;

// Callback de codificação para strings
bool string_encode_callback(pb_ostream_t *stream, const pb_field_t *field, void * const *arg) {
    const dynamic_string_t* str = (const dynamic_string_t*)*arg;
    
    if (!pb_encode_tag_for_field(stream, field))
        return false;
    
    return pb_encode_string(stream, (const pb_byte_t*)str->data, str->size);
}

// Callback de decodificação para strings
bool string_decode_callback(pb_istream_t *stream, const pb_field_t *field, void **arg) {
    dynamic_string_t* str = (dynamic_string_t*)*arg;
    
    // Alocar buffer
    size_t size = stream->bytes_left;
    str->data = (char*)malloc(size + 1);
    
    if (!pb_read(stream, (pb_byte_t*)str->data, size)) {
        free(str->data);
        str->data = NULL;
        return false;
    }
    
    str->data[size] = '\0'; // Terminar com null
    str->size = size;
    return true;
}

int main() {
    uint8_t buffer[256];
    size_t message_length;
    
    dynamic_string_t name = {"NanoPB", 6};
    dynamic_string_t description = {"Protocol Buffers for embedded systems", 38};
    
    // --- CODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage message = example_StringMessage_init_zero;
    
    message.name.funcs.encode = string_encode_callback;
    message.name.arg = &name;
    message.description.funcs.encode = string_encode_callback;
    message.description.arg = &description;
    
    pb_ostream_t ostream = pb_ostream_from_buffer(buffer, sizeof(buffer));
    
    if (!pb_encode(&ostream, example_StringMessage_fields, &message)) {
        printf("Encoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&ostream));
        return 1;
    }
    
    message_length = ostream.bytes_written;
    printf("Encoded %zu bytes\n", message_length);
    
    // --- DECODIFICAÇÃO ---
    example_StringMessage decoded = example_StringMessage_init_zero;
    dynamic_string_t decoded_name = {NULL, 0};
    dynamic_string_t decoded_description = {NULL, 0};
    
    decoded.name.funcs.decode = string_decode_callback;
    decoded.name.arg = &decoded_name;
    decoded.description.funcs.decode = string_decode_callback;
    decoded.description.arg = &decoded_description;
    
    pb_istream_t istream = pb_istream_from_buffer(buffer, message_length);
    
    if (!pb_decode(&istream, example_StringMessage_fields, &decoded)) {
        printf("Decoding failed: %s\n", PB_GET_ERROR(&istream));
        return 1;
    }
    
    printf("Decoded values:\n");
    printf("  name: %s\n", decoded_name.data);
    printf("  description: %s\n", decoded_description.data);
    
    // Liberar memória alocada
    free(decoded_name.data);
    free(decoded_description.data);
    
    return 0;
}

Pontos principais

Buffers de tamanho fixo: Use max_size no arquivo .options para alocação estática simples
Baseado em callback: Use callback no .options para manipulação dinâmica de strings
Tamanho fixo: Use strncpy para copiar strings, garanta terminação com null
Baseado em callback: Implemente callbacks de codificação/decodificação com gerenciamento manual de memória
Sempre verifique os tamanhos dos buffers para evitar overflow
Lembre-se de liberar a memória alocada na abordagem baseada em callback
C requer gerenciamento manual de memória (malloc/free) para strings dinâmicas

Quando usar qual abordagem

Buffers de tamanho fixo: Quando você conhece os tamanhos máximos das strings e quer código simples
Baseado em callback: Quando os tamanhos das strings são variáveis ou você precisa de alocação dinâmica de memória

Saída esperada

strings_expected_output.txt

Encoded 38 bytes
Encoded data: 0a 06 4e 61 6e 6f 50 42 12 1e 50 72 6f 74 6f 63 6f 6c 20 42 75 66 66 65 72 73 20 66 6f 72 20 65 6d 62 65 64 64 65 64 20 73 79 73 74 65 6d 73 
Decoded values:
  name: NanoPB
  description: Protocol Buffers for embedded systems

Encoded 38 bytes
Encoded data: 0a 06 4e 61 6e 6f 50 42 12 1e 50 72 6f 74 6f 63 6f 6c 20 42 75 66 66 65 72 73 20 66 6f 72 20 65 6d 62 65 64 64 65 64 20 73 79 73 74 65 6d 73 
Decoded values:
  name: NanoPB
  description: Protocol Buffers for embedded systems

Diferenças do C++

A versão em C é quase idêntica à versão em C++, com as principais diferenças:

Use malloc/free em vez de new/delete para memória dinâmica
Gerenciamento manual de memória necessário (sem destrutores)
Use struct para o wrapper de string dinâmica em vez de std::string
Lembre-se de terminar strings com null manualmente quando necessário

Mais posts sobre NanoPB

Check out similar posts by category: Embedded, C/C++, Protocol Buffers

If this post helped you, please consider buying me a coffee or donating via PayPal to support research & publishing of new posts on TechOverflow

Buy me a coffee