对非optimize_for为lite_runtime的proto文件，protobuf编译器会在编译出的java代码文件末尾添加一个filedescriptor静态字段以描述该proto文件定义时的所有元数据信息、为每个message对象定义一个descriptor静态字段以描述该message定义时的元数据信息、为每个message对象定义一个fieldaccessortable静态字段用于使用反射读取/设置某个字段的值等（以提供generatedmessage中方法的反射实现）：
private static descriptor inter-nal_static_levin_protobuf_result_descriptor;
private static fieldaccessortable inter-nal_static_levin_protobuf_result_fieldaccessortable;
private static descriptor inter-nal_static_levin_protobuf_searchresponse_descriptor;
private static fieldaccessortable inter-nal_static_levin_protobuf_searchresponse_fieldaccessortable;
private static filedescriptor descriptor;
在protobuf中存在多种类型的元数据描述类：
1. filedescriptor：对一个proto文件的描述，它包含文件名、包名、选项（如java_package、java_outer_classname等）、文件中定义的所有message、文件中定义的所有enum、文件中定义的所有service、文件中所有定义的extension、文件中定义的所有依赖文件（import）等。在filedescriptor中还存在一个descriptorpool实例，它保存了所有的dependencies(依赖文件的filedescriptor)、name到genericdescriptor的映射、字段到fielddescriptor的映射、枚举项到enumvaluedescriptor的映射，从而可以从该descriptorpool中查找相关的信息，因而可以通过名字从filedescriptor中查找message、enum、service、extensions等。
2. descriptor：对一个message定义的描述，它包含该message定义的名字、所有字段、内嵌message、内嵌enum、关联的filedescriptor等。可以使用字段名或字段号查找fielddescriptor。
3. fielddescriptor：对一个字段或扩展字段定义的描述，它包含字段名、字段号、字段类型、字段定义(required/optional/repeated/packed)、默认值、是否是扩展字段以及和它关联的descriptor/filedescriptor等。
4. enumdescriptor：对一个enum定义的描述，它包含enum名、全名、和它关联的filedescriptor。可以使用枚举项或枚举值查找enumvaluedescriptor。
5. enumvaluedescriptor：对一个枚举项定义的描述，它包含枚举名、枚举值、关联的enumdescriptor/filedescriptor等。
6. servicedescriptor：对一个service定义的描述，它包含service名、全名、关联的filedescriptor等。
7. methoddescriptor：对一个在service中的method的描述，它包含method名、全名、参数类型、返回类型、关联的filedescriptor/servicedescriptor等。
最后，protobuf编译生成的代码末尾还有一个descriptordata字符串数组，它是序列化后的filedescriptorproto数据，在静态初始化块中可以调用filedescriptor.internalbuildgeneratedfilefrom()方法构造整个filedescriptor实例，在完成filedescriptor的构造后，还会回调传入的internaldescriptorassigner实例以初始化其他的静态字段，如以上提到的所有的静态字段。
在protobuf中descriptor的类图：
序列化和反序列化是protobuf最基础的框架，它使用messagelite/message接口来抽象一个可序列化的实例，并且使用builder从字节数组或输入字节流中构建messagelite/message实例，messagelite和message内部都定义了自己的builder类，他们个字继承自messageliteorbuilder以及messageorbuiler，它们定义了messagelite/message和它们各自builder类的共同接口。
messageliteorbuilder接口只定义了messagelite和messagelite.builder两个接口共有的两个方法：getdefaultinstancefortype()方法获取一个当前还未初始化的当前message实例(没有字段被赋值，因而所有字段返回默认值，对repeat字段返回空，在当前protobuf 2.5.0的实现中，它返回的是一个单例，和每个生成的静态方法getdefaultinstance()返回相同的实例)；isinitialized()方法用来判断是否所有required字段已经被赋值。messagelite接口中定义了两个writeto()方法分别将当前实例序列化并写入输出字节流中，而另一个writedelimitedto()方法则在写入之前将当前实例的总长度写入输出字节流中（以可变长32位int编码方式），从而可以同时向一个输出字节流中写入多个message实例；messagelite中还定义了获取当前messagelite在序列化成字节流后的总字节数的方法getserializedsize()，两个直接返回字节数组的tobytearray()/tobytestring()方法，以及获取它的parser实例(getparserfortype())和返回它的builder实例(tobuilder()－创建一个新的builder实例/newbuilderfortype()－用当前messagelite类初始化一个新的builder实例并返回)方法。其中builder接口用于从字节流或字节数组中解析并构造messagelite对象(各种版本的mergefrom()方法，如果发送端写入了messagelite字节长度，则使用mergedelimitedfrom()方法)，最后builder使用build()方法构造messagelite对象，此时如果有required字段还未被设置，会抛出uninitializedmessageexception，为了避免抛出异常，可以使用buildpartial()方法；另外builder还定义了clone()和clear()方法；在生成的每个message对象中都定义了一个newbuilder()静态方法，一般使用该静态方法初始化一个builder实例。parser接口也定义了各个版本的parsefrom()/parsepartialfrom()/parsedelimitedfrom()/parsepartialdelimitedfrom()方法用来从字节数组或字节流中解析出message实例，在生成的代码中，builder的实现直接调用parser实现类中的方法。
在大部分情况下，messagelite已经能完成所有的序列化和反序列化操作了，特别是一些资源有限额手持设备，它如果运行整个protobuf库会显得太耗资源；可以在.proto文件中加入一下指令来告诉protobuf编译器只需要生成实现messagelite的类：
option optimize_for = lite_runtime
然而对一般的server程序来说，我们并不在乎这点资源的损耗，因而会选择实现message接口，它相比messagelite，添加了descriptors相关的支持，即支持使用fielddescriptor来构建message.builder实例并最终构建message实例。
messageorbuilder接口继承自messageliteorbuilder接口，它定义了message和message.builder共有的接口，即添加了descriptor、fielddescriptor等相关的扩展。由于实现message和message.builder接口的类保存了所有message定义时具有的信息(文件名、包名、字段列表等，使用各种descriptor类来抽象)，因而我们可以使用message/message.builder类获取到更多的信息，如一个message/message.builder没有赋值所有required的字段，可以使用findinitializationerrors()方法来获取所有未赋值的字段列表(字段的全路径名，getinitializationerrorstring()是这个列表的字符串形式表达，为了提升性能，建议使用isinitialized()方法先做初步判断，因为它更快)；另外在messageorbuilder中还定义了当前message对应的descriptor实例：getdescriptorfortype()方法，获取所有已经赋值的fielddescriptor到其值的一个map：getallfields()，通过fielddescriptor取得其值：getfield()，判断一个字段是否已经被赋值：hasfield()，获取repeated字段的count：getrepeatedfieldcount()，通过fielddescriptor以及index获取repeated字段在index处的值：getrepeatedfield()，获取未知的字段：getunknownfields()。message接口除了继承自messageorbuilder接口的方法，并没有定义多余的方法，只是添加了equals、hashcode、tostring方法的定义。而message.builder接口除了继承自messageorbuilder接口以外，它还定义了基于fielddescriptor的方法，如通过fielddescriptor创建/获取builder实例：newbuilderforfileld()/getfieldbuilder()，通过fielddescriptor设置/清除字段的值：setfield()/clearfield()/setrepeatedfield()/addrepeatedfield()，以及设置unknownfields：setunknownfields()/mergeunknownfields()。
messagelite/message类图如下：
除了序列化框架，protobuf还定义了一套简单的rpc框架。之所以说简单是因为它定义的service层接口的协议，而没有具体和传输相关的实现，而只是将传输相关的逻辑抽象成rpcchannel和blockingrpcchannel分别用于表示同步和一步方式的service方法调用，而至于底层用什么样的协议和框架，由用户自己决定并实现。
所谓rpc框架，从用户角度上最基本的就是定义客户端和服务器端的协议，即服务器端暴露出什么样的接口供客户端调用，这个接口定义了服务器在一个host的某个（些）端口上接收某些请求数据，并期望能返回的响应。其中服务器和端口号属于传输实现的范畴，protobuf只是用rpcchannel/blockingrpcchannel的概念做了抽象，而没有给出具体实现；而接收某个请求数据以及期待的响应数据，在protobuf使用service/blockingservice抽象来定义，并且这也是protobuf中rpc框架的定义部分，其中service和rpcchannel共同构成异步方式的rpc框架，而blockingservice和blockingrpcchannel共同构成了同步（阻塞）方式的rpc框架。
从底层实现的角度，一个rpc调用就是客户端发送一些请求数据给服务器，服务器解析并处理这些请求数据，然后将响应数据返回给客户端。为了隐藏内部实现细节，提升写代码的效率，rpc将这一过程封装成方法调用，即不同的请求用不同的方法表达，这就是protobuf中rpc的定义。在protobuf中，定义一个prc接口比较简单：首先开启rpc功能，然后用service关键字定义一个接口，在接口中使用rpc关键字定义一个方法，方法包含方法名、方法参数、返回值，其中方法参数和返回值都必须是一个message类型，并且只能有一个：
option java_generic_services = true;
service myservice {
rpc request(searchrequest) returns(searchresponse);
}
在protobuf编译生成的代码中，它会生成一个myservice抽象类实现了service接口，一般它只是作为一个命名空间，它内部定义了两个接口：interface和blockinginterface本别继承自service接口和blockingservice接口，用于抽象异步和同步方式的rpc方法调用；这两个接口有两个实现类：stub和blockingstub，他们分别接收rpcchannel和blockingrpcchannel实例作为构造函数参数，可以使用myservice中的静态方法newstub()和newblockingstub()方法获取他们各自实例，他们主要用于客户端的调用。在生成的request方法中，除了request本身的参数，还有一个rpccontroller参数，它用于处理在rpcchannel/blockingrpcchannel调用中的状态处理，如错误处理等，使用它可以获知此次调用是否出错，错误信息是什么等。在myservice中还定义了两个静态方法newreflectiveservice/newreflectiveblockingservice，他们接收interface/blockinginterface实例，并返回service/blockingservice的实现实例（暂时还没有想到使用他们的场景）。
在myservice的rpc框架实现中，在服务器端，实现myservice.interface/myservice.blockinginterface接口，然后将它注册到对rpcchannel/blockingrpcchannel框架的实现中；在客户端则创建一个rpcchannel/blockingrpcchannel实例，传入myservice.newstub()/myservice.newblockingstub()方法获取对应的实例，然后使用这个stub/blockingstub实例调用相应的方法即可。