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【网络编程】网络传输-JSON

news 2025/7/21 10:40:25

一、JSON概述

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级、基于文本的数据交换格式，旨在简洁地表示结构化数据，同时兼顾人类可读性和机器解析效率。它起源于 JavaScript 的对象语法，但目前已成为独立于编程语言的通用数据格式，被广泛用于前后端通信、服务间数据交换、配置文件等场景。
在这里插入图片描述

JSON格式主要有以下的特点：

相比 XML 等格式，JSON 语法简洁（无冗余标签），数据体积更小，传输和解析效率更高。
基于 Unicode 字符，可直接被人类阅读和编写，便于调试和手动修改。
几乎所有编程语言（C++、Java、Python、JavaScript 等）都有成熟的 JSON 解析 / 生成库，无需额外适配
数据结构本身包含字段名，无需额外 schema 即可理解数据含义

二、JSON的语法规则

JSON的语法比较简单，主要是由一个个键值对和有序列表组成，语法规则如下：

2.1 基本结构

对象（Object）：表示键值对的集合，用 {} 包裹，键值对之间用逗号 , 分隔。
- 键（key）必须是字符串，且用双引号 " 包裹（不能用单引号）。
- 值（value）可以是字符串、数字、布尔值、null、对象或数组。
数组（Array）：表示有序的值列表，用 [] 包裹，元素之间用逗号 , 分隔，元素类型可以是任意 JSON 数据类型（包括对象、数组）。

2.2 数据类型

字符串：必须用双引号 " 包裹，支持转义字符（如 \" 表示双引号、\n 表示换行），例如 "name": "Alice"。
数字：整数（如 42）、浮点数（如 3.14）、负数（如 -10），不支持八进制 / 十六进制（需用十进制表示）。
布尔值：true 或 false（小写）。
null：表示空值（小写 null）。
对象（Object）：嵌套的键值对集合，例如 {"user": {"id": 1, "name": "Bob"}}。
数组（Array）：有序元素列表，例如 {"hobbies": ["reading", "coding"]}。

注意事项：

键必须是字符串（双引号包裹），不能是数字或其他类型。
元素之间用逗号分隔，但最后一个元素后不能有逗号（否则会解析错误）。
区分大小写（true 正确，True 错误）。
不支持注释（标准 JSON 语法中无注释，部分扩展格式如 JSON5 支持，但非通用）

2.3 `JSON`数据结构示例

2.3.1 简单`JSON`结构

{"name": "张三","age": 25,"isStudent": false,"height": 1.75,"address": null
}

2.3.2 嵌套`JSON`结构

{"user": {"id": 1001,"info": {"name": "李四","contact": {"phone": "123456789","email": "lisi@example.com"}}}
}

2.3.3 数组（有序列表）

{"fruits": ["apple", "banana", "orange"],"scores": [90, 85.5, 95],"isPass": [true, false, true]
}

2.3.4 复杂`JSON`结构（数组+嵌套）

{"class": "高三(1)班","students": [{"name": "王五","age": 18,"subjects": ["数学", "英语"]},{"name": "赵六","age": 17,"subjects": ["物理", "化学"]}]
}

三、JSON的使用场景

数据交换：
- 前后端通信：浏览器与服务器之间的 HTTP 请求 / 响应（如 AJAX、RESTful API），几乎是标准格式。
- 服务间通信：微服务架构中，不同服务（如 Java 后端与 C++ 服务）通过 JSON 交换数据，避免语言差异导致的兼容性问题。
配置文件：
- 相比 XML 更轻量，比 INI 更灵活（支持嵌套结构），例如：

{"server": {"port": 8080,"timeout": 30,"log": {"level": "info","path": "/var/log/server.log"}}
}

数据存储：
部分 NoSQL 数据库（如 MongoDB）直接使用 JSON-like 格式（BSON）存储数据，便于灵活扩展字段。

四、序列化和反序列化`JSON`

序列化和反序列化JSON有许多成熟的处理库，比如使用C++编程语言可以使用nlohmann/json库，这是一个轻量级的JSON库，风格偏向现代C++，并且只有一个.hpp文件，不需要额外链接库

4.1 下载`nlohmann-json`

在Ubuntu下，可以使用包管理器下载，下载完成后自动安装到系统路径/usr/include下

sudo apt update
sudo apt install nlohmann-json3-dev

Windows可以在github上下载源码，手动安装：https://github.com/nlohmann/json/releases

4.2 序列化`JSON`

我们下面介绍一个例子，用于序列化嵌套的JSON，可以发现，这个库的语法风格十分像STL，对STL熟悉的话就可以自己琢磨出用法，详细手册查看：https://json.nlohmann.me/

可以使用[]来添加对应key-value值，这里会发送自动的类型转换，key一般是std::string类型
或者使用at()函数，这个是返回一个引用，因此可以修改对应的值，并且它具有边界检查
嵌套JSON就是将key设置为JSON类型
初始化JSON类型支持初始化列表的模式

void serializeJson(LoginMsg const& msg,json* pJson){(*pJson)["user"] = msg.user;(*pJson)["password"] = msg.pwd;//嵌套Jsonjson jDate = {{"year",msg.date.year},{"month",msg.date.month},{"day",msg.date.day}};(*pJson)["date"] = jDate;json jTime = {{"hour",msg.time.hour},{"minute",msg.time.min},{"second",msg.time.sec}};(*pJson)["time"]= jTime;std::cout << "===== serialize json =====" << std::endl;    std::cout << pJson->dump(4) << std::endl;
}

序列化好的JSON数据结构可以使用dump成员函数来打印，其中dump(4)表示设置4位的缩进值

{"date": {"day": 20,"month": 7,"year": 2025},"password": "xx123456789","time": {"hour": 14,"minute": 30,"second": 15},"user": "Antonio"
}

4.3 反序列化`JSON`

反序列化JSON可以从json类中像STL的map一样通过[]和at()访问，与上述序列化一致
不论是[]还是at()，都是返回一个json的引用，因此支持链式调用，用起来很方便

void deserializeJson(json* pJson){std::cout << "===== deserialize json =====" << std::endl;std::string user = pJson->at("user");std::string password = pJson->at("password");Date date;date.year = pJson->at("date").at("year");date.month = pJson->at("date").at("month");date.day = pJson->at("date").at("day");Time time;time.hour = pJson->at("time").at("hour");time.min = pJson->at("time").at("minute");time.sec = pJson->at("time").at("second");std::cout << "user = " << user << std::endl;std::cout << "password = " << password << std::endl;std::cout << "date = [" << " year = " << date.year << " month = " << date.month << " day = " << date.day <<" ]" << std::endl;;std::cout << "time = [" << " hour = " << time.hour << " minute = " << time.min << " second = " << time.sec << " ]" << std::endl; 
}

4.4 测试结果

完整的测试代码如下

#include<iostream>
#include<nlohmann/json.hpp>using json = nlohmann::json;struct Date{int year;int month;int day;
};struct Time{int hour;int min;int sec;
};struct LoginMsg{std::string user;std::string pwd;Date date;Time time;};void serializeJson(LoginMsg const& msg,json* pJson){(*pJson)["user"] = msg.user;(*pJson)["password"] = msg.pwd;//嵌套Jsonjson jDate = {{"year",msg.date.year},{"month",msg.date.month},{"day",msg.date.day}};(*pJson)["date"] = jDate;json jTime = {{"hour",msg.time.hour},{"minute",msg.time.min},{"second",msg.time.sec}};(*pJson)["time"]= jTime;std::cout << "===== serialize json =====" << std::endl;    std::cout << pJson->dump(4) << std::endl;
}void deserializeJson(json* pJson){std::cout << "===== deserialize json =====" << std::endl;std::string user = pJson->at("user");std::string password = pJson->at("password");Date date;date.year = pJson->at("date").at("year");date.month = pJson->at("date").at("month");date.day = pJson->at("date").at("day");Time time;time.hour = pJson->at("time").at("hour");time.min = pJson->at("time").at("minute");time.sec = pJson->at("time").at("second");std::cout << "user = " << user << std::endl;std::cout << "password = " << password << std::endl;std::cout << "date = [" << " year = " << date.year << " month = " << date.month << " day = " << date.day <<" ]" << std::endl;;std::cout << "time = [" << " hour = " << time.hour << " minute = " << time.min << " second = " << time.sec << " ]" << std::endl; 
}int main(){std::string user = "Antonio";std::string password = "xx123456789";Date date = {2025,7,20};Time time = {14,30,15};LoginMsg loginMsg = {user,password,date,time};json* pJLoginMsg = new json();serializeJson(loginMsg,pJLoginMsg);deserializeJson(pJLoginMsg);delete pJLoginMsg;return 0;
}