JSON 基础知识（一）
第一部分：JSON 基础知识
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一：JSON 介绍
1.1 JSON 是什么？
- JSON（JavaScript Object Notation） 是一种轻量级的数据交换格式，主要用于前后端数据传输、配置文件存储、API 交互等。
- 它基于 JavaScript 语言的对象表示法，但与编程语言无关，因此被广泛应用于 C/C++、Python、Java、Go、Rust 等语言中。
1.2 JSON 的特点及优点
✅ 可读性强：JSON 采用 键值对（Key-Value） 结构，语法简单直观，易于人和机器解析。
✅ 轻量级：相比 XML，JSON 体积更小，解析速度更快。
✅ 跨语言兼容：JSON 可以在不同的编程语言之间交换数据，各种语言都支持 JSON 解析。
✅ 层次结构（嵌套）：支持 数组、对象、嵌套数据结构，适合存储复杂数据。
✅ 无格式要求：不需要像 XML 那样定义模式（Schema），使用灵活。
1.3 JSON 与 XML 的对比
JSON 与 XML（Extensible Markup Language）都是常见的数据交换格式，以下是它们的区别：
| 对比项 | JSON | XML |
|---|---|---|
| 数据结构 | 键值对（Key-Value） | 标签（Tag-Based） |
| 可读性 | 结构清晰，易理解 | 层级嵌套复杂 |
| 解析效率 | 解析速度快 | 解析速度慢 |
| 数据体积 | 体积小 | 体积较大 |
| 可扩展性 | 适用于结构化数据 | 适用于更复杂的数据格式 |
📌 JSON 与 XML 实例对比
✅ JSON 格式数据：
{
"person": {
"name": "张三",
"age": 25,
"hobbies": ["篮球", "足球"],
"sex":"男"
}
}
✅ XML 格式数据：
<person>
<name>张三</name>
<age>25</age>
<hobbies>
<hobby>篮球</hobby>
<hobby>足球</hobby>
</hobbies>
<sex>男</sex>
</person>
结论：
- JSON 结构更加紧凑，更适合数据交换。
- XML 适合文档存储（如配置文件、HTML、RSS 订阅等）。
二：JSON 的数据结构和语法
2.1 JSON 的数据结构
- JSON 由 对象（Object） 和 数组（Array） 组成，核心元素包括：
- 对象（使用
{}表示，存储键值对） - 数组（使用
[]表示，存储多个值） - 值类型（支持
字符串、数值、布尔值、null、对象、数组）
- 对象（使用
JSON 支持以下六种数据类型：
| 数据类型 | 示例 | 描述 |
|---|---|---|
| 对象（Object） | { "name": "张三", "age": 25 } | 键值对的集合，类似于 C++ 的 std::map 或 Python 的字典 |
| 数组（Array） | [1, 2, 3, 4] | 有序的值列表，对应 C++ 的 std::vector 或 Python 的列表 |
| 字符串（String） | "hello" | 双引号包裹的文本数据, 必须使用双引号 ""，不能使用单引号 |
| 数值（Number） | 123，3.14 | 整数或浮点数 |
| 布尔值（Boolean） | true，false | 逻辑值 true 和 false |
| 空值（null） | null | 表示空对象 |
2.2 JSON 语法规则
JSON 数据的核心是键值对（Key-Value），其中：
- 键（Key）必须是字符串，且用双引号
""包围。 - 值（Value）可以是字符串、数值、布尔值、数组、对象或
null。 - 多个键值对之间用 逗号
,分隔，对象用 大括号{}包围，数组用 方括号[]包围。 - 字符串 必须使用双引号
""。
📌 示例：一个完整的 JSON 数据结构
{
"name": "Alice",
"age": 25,
"is_student": false,
"skills": ["C++", "Python", "JavaScript"],
"address": {
"city": "New York",
"zip_code": "10001"
},
"null":null
}
📌 解析该 JSON 结构：
name：字符串"Alice"age：数值25is_student：布尔值falseskills：数组["C++", "Python", "JavaScript"]address：嵌套对象，包含city和zip两个键值对
JSON 解析后相当于 C 语言的结构体：
struct Address {
char city[20];
char zip_code[10];
};
struct Person {
char name[20];
int age;
int is_student;
char* skills[3];
struct Address address;
};
2.3 JSON 语法规则（重要）
❌ 错误示例（常见语法错误）：
{
name: "张三", // ❌ 错误：键名必须使用双引号
"age": 25,
"hobbies": [ "篮球", "足球", ], // ❌ 错误：数组最后一个元素后不能有逗号
"address": { "city": "上海", "zip_code": "200000", } // ❌ 错误：对象最后一个键值对后不能有逗号
}
✅ 正确格式：
{
"name": "张三",
"age": 25,
"hobbies": ["篮球", "足球"],
"address": { "city": "上海", "zip_code": "200000" }
}
三：JSON 的实际应用场景
JSON 适用于多种编程场景，常见应用如下：
3.1 Web API 数据交互
服务器通过 REST API / GraphQL 以 JSON 格式返回数据，前端（Vue、React）解析 JSON 并展示(如 GET、POST 请求）。
JSON 替代 XML，成为 API 传输的主流数据格式。
📌 示例：前端 JavaScript 发送 JSON 请求到服务器
fetch("https://api.example.com/user", {
method: "POST",
headers: { "Content-Type": "application/json" },
body: JSON.stringify({ name: "Alice", age: 25 })
})
.then(response => response.json())
.then(data => console.log(data));
3.2 配置文件存储
JSON 用于软件、Web 服务器、数据库的 配置文件，如 config.json。
📌 示例：Web 服务器 Nginx 的配置
{
"server": "localhost",
"port": 8080,
"enable_ssl": true
}
3.3 数据存储与日志管理
JSON 可用于存储日志、数据缓存，如 NoSQL 数据库（MongoDB）使用 JSON 作为存储格式。
📌 MongoDB 文档存储示例
{
"_id": "user123",
"username": "Alice",
"email": "alice@example.com"
}
3.4 机器学习与日志分析
- 训练数据、日志文件等大量使用 JSON 进行数据存储。
- 便于后续分析和处理。
JSON 适用于存储服务器日志：
{
"timestamp": "2024-02-09T12:30:45Z",
"level": "ERROR",
"message": "数据库连接失败",
"details": {
"host": "db.example.com",
"port": 3306
}
}
日志分析工具可以轻松解析 JSON 日志，进行故障排查！
3.5 物联网（IoT）
-
IoT 设备通过 JSON 格式传输传感器数据。
-
示例：
{ "device_id": "sensor_001", "temperature": 22.5, "humidity": 60 }
四：JSON 解析和生成
3.1 JSON 解析（Parsing）和生成（Serialization）概述
- 解析（Parsing）：把 JSON 字符串转换为可操作的数据结构（C 结构体或 C++ 类）。
- 序列化（Serialization）：把 C/C++ 数据结构转换为 JSON 字符串，便于存储和传输。
3.2 JSON 在不同编程语言中的支持情况
-
C 语言处理 JSON 需要使用专门的解析库（如 cJSON）。
-
C++ 提供多个 JSON 库（RapidJSON、JsonCpp、nlohmann/json等）。
3.3 JSON 解析的基本流程
- 步骤 1：读取 JSON 数据（从字符串或文件）。
- 步骤 2：解析 JSON 并存入内存中的数据结构。
- 步骤 3：访问 JSON 数据（读取键值、遍历数组）。
- 步骤 4：修改 JSON 数据（添加/删除键值对）。
- 步骤 5：将数据重新序列化为 JSON 字符串，供存储或网络传输。
示例代码（伪代码，后续库会具体实现）
char* json_string = "{ \"name\": \"张三\", \"age\": 25 }";
JsonObject obj = json_parse(json_string);
printf("姓名: %s\n", json_get_string(obj, "name"));
json_set_number(obj, "age", 26);
char* new_json_string = json_serialize(obj);
printf("修改后的 JSON: %s\n", new_json_string);
3.4 C/C++ 解析 JSON 的常见库对比
- cJSON、RapidJSON、JsonCpp、JSON for Modern C++
3.4.1 cJSON📌
-
概述
-
cJSON 是一个轻量级的 C 语言实现的 JSON 库，专为嵌入式设备和资源受限的环境设计。
-
它非常简洁，适合简单的 JSON 数据解析任务。
-
-
特点
-
纯 C 实现：没有任何外部依赖，适用于嵌入式开发和低资源环境。
-
API 简单直观：易于上手，接口简单，适合 C 开发者。
-
内存管理：需要手动管理内存，易产生内存泄漏问题。
-
-
性能表现
- 在单线程和小数据量的情况下，cJSON 解析性能较好，但在处理大量数据时，性能会略显不足。
-
使用场景
-
嵌入式设备开发（如 IoT）
-
需要轻量化的 JSON 解析任务
-
-
优缺点
优点
- 轻量级：非常适合资源受限的嵌入式系统。
- 易用性高：API 设计简洁，快速上手。
- 没有外部依赖：纯 C 实现，不依赖其他库。
缺点
- 性能限制：在大数据量处理上，性能和内存管理上有一定的瓶颈。
- 内存管理手动：需要开发者自己管理内存，容易引入内存泄漏问题。
3.4.2 RapidJSON📌
-
概述
-
RapidJSON 是一个 C++ 实现的高性能 JSON 解析库，强调 速度 和 低内存使用，支持 SAX 和 DOM 解析方式。
-
它是 C++ 中最受欢迎的 JSON 解析库之一，适用于高性能的 JSON 解析场景。
-
-
特点
-
C++ 实现：支持现代 C++ 语法和标准，适用于 C++ 开发者。
-
高性能：在解析速度和内存占用方面，尤其是在大数据量时具有明显优势。
-
流式解析（SAX）：支持流式解析，可以在解析大 JSON 文件时避免内存占用过高。
-
-
性能表现
-
解析速度：在大数据量 JSON 解析时，RapidJSON 表现出色，比大多数 C++ 库要快。
-
内存使用：内存使用高效，适合需要优化性能的场景。
-
-
使用场景
-
高性能计算和大数据处理
-
日志解析
-
金融、游戏、科学计算等需要高效解析的大型 JSON 数据
-
-
优缺点
优点
- 高性能：在大数据量的解析上，表现比其他库更好。
- 支持流式解析：适合大文件的逐步解析，内存消耗低。
- 支持标准 C++：支持 C++11 和以上标准，现代化的接口。
缺点
- 不支持动态内存管理：需要开发者自己处理内存分配与管理。
- 接口复杂：与其他库相比，API 比较复杂，上手稍有难度。
3.4.3 JsonCpp📌
-
概述
-
JsonCpp 是一个功能强大的 C++ JSON 解析库，旨在提供一种简单的接口来操作 JSON 数据。
-
适用于中到大型 C++ 项目的 JSON 数据解析与操作。
-
-
特点
-
C++ 实现：适用于 C++ 项目，API 风格符合 C++ 的习惯。
-
支持读取和写入 JSON：不仅可以解析 JSON，还可以方便地将数据写回 JSON 格式。
-
与 STL 兼容：可以直接与 C++ 的
std::string和std::vector等数据结构进行交互。
-
-
性能表现
-
解析速度：性能中等，适合大多数应用场景，尤其是中等规模的数据解析。
-
内存消耗：内存使用较为稳定，但与 RapidJSON 相比，速度稍慢。
-
-
使用场景
-
配置文件解析
-
常见桌面应用的数据存储
-
需要 JSON 读写操作的场景
-
-
优缺点
优点
- API 易用性：符合 C++ 风格的接口，易于开发者上手。
- 功能全面：除了 JSON 解析，还支持 JSON 数据的生成与修改。
- STL 兼容性强：可以与 C++ 标准库的容器和数据结构无缝对接。
缺点
- 性能一般：在大数据量处理时，解析速度较慢，内存消耗较高。
- 库体积较大：相比其他库，JsonCpp 的体积稍大，可能不适合嵌入式设备。
3.4.4 JSON for Modern C++📌
-
概述
-
JSON for Modern C++（由 nlohmann/json 提供）是一个流行的 C++ JSON 库，利用 C++11 特性，如
std::string、std::vector等，提供直观的 JSON 处理接口。 -
支持与标准 C++ 容器类型（如
std::map、std::vector）的无缝集成。
-
-
特点
-
C++11 风格 API：现代化的接口，支持
std::vector、std::map等 C++ 标准库容器。 -
JSON 数据转换：提供简洁的方式将 C++ 对象转换为 JSON，反之亦然。
-
简洁易用：API 设计现代且简洁，代码量少，易于理解。
-
-
性能表现
-
解析速度：与 RapidJSON 相比稍慢，但仍适用于大多数应用场景。
-
内存占用：内存使用高效，适合较大数据集。
-
-
使用场景
-
现代 C++ 项目
-
配置文件管理
-
Web 开发中前后端数据交互
-
-
优缺点
优点
- 易用性高：简洁的 API，适合现代 C++ 开发者。
- 兼容性强：与标准 C++ 容器和 STL 兼容。
- 支持转换 C++ 对象和 JSON：可以轻松将 C++ 对象序列化为 JSON，反之亦然。
缺点
- 性能相对较低：解析大规模 JSON 数据时，性能可能不如 RapidJSON。
- 对旧版 C++ 不友好：要求至少 C++11。
3.4.5 总结📌
| 库 | 语言 | 性能 | 使用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|---|
| cJSON | C | 中等 | 嵌入式开发、轻量级应用 | 轻量级、无依赖 | 性能不佳、内存管理手动 |
| RapidJSON | C++ | 高性能 | 大数据解析、日志、API | 快速、支持流式解析 | API 复杂、内存管理手动 |
| JsonCpp | C++ | 中等 | 中型 C++ 项目、配置文件 | STL 兼容、功能全面 | 性能一般、库体积较大 |
| JSON for Modern C++ | C++ | 中等 | 现代 C++ 项目、Web 应用 | 简洁易用、C++11 风格 | 性能较低、仅支持 C++11 以上 |
五：JSON 的性能优化策略
5.1 避免 JSON 过度嵌套
过度嵌套会 影响解析速度，应尽量 扁平化 JSON 结构。
❌ 差的 JSON 结构（深度嵌套）
{
"user": {
"profile": {
"details": {
"name": "Alice"
}
}
}
}
✅ 优化后（扁平化 JSON）
{
"user_name": "Alice"
}
5.2 使用流式解析（SAX 解析）
对于 大 JSON 文件，不要一次性加载到内存，而使用 流式解析（SAX 解析）。
📌 C++ 解析 JSON 时使用 RapidJSON 流式解析（节省内存）
#include "rapidjson/reader.h"
using namespace rapidjson;
class MyHandler : public BaseReaderHandler<UTF8<>, MyHandler> {
public:
bool String(const char* str, SizeType length, bool copy) {
printf("解析到字符串: %s\n", str);
return true;
}
};
int main() {
const char* json = "{\"name\":\"Alice\",\"age\":25}";
MyHandler handler;
Reader reader;
StringStream ss(json);
reader.Parse(ss, handler);
return 0;
}
5.3 常见问题分析与解决方案
| 问题 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| JSON 解析失败 | 语法错误（如 , 结尾） | 使用 jsonlint 校验 JSON |
| JSON 体积过大 | 包含大量冗余数据 | 优化 JSON 结构，减少嵌套 |
| 解析速度慢 | 使用 DOM 解析大文件 | 采用 流式解析（SAX） |
| 不支持 JSON 注释 | JSON 规范不允许注释 | 使用 // 伪注释字段或 YAML |