第13天：数据序列化实战 - 从内存到磁盘的完美转换

第13天：数据序列化实战 - 从内存到磁盘的完美转换

一、今日学习目标

1. 🧱 掌握二进制序列化的原理与实现
2. 📄 学习JSON格式的序列化方法
3. 💾 完成学生信息管理系统的通用数据存储方案
4. 🔍 理解不同序列化格式的适用场景

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二、二进制序列化详解

1. 内存布局与字节序

struct Student {
    int id;           // 4字节
    char name[20];    // 20字节
    double gpa;      // 8字节
};  // 总大小32字节（内存对齐）

// 内存布局示意图
+------+---------------------+------+
| id   |       name          | gpa  |
| 4B   |        20B          | 8B   |
+------+---------------------+------+

2. 二进制读写实现

#include <fstream>

// 序列化函数
void saveBinary(const Student& s, ofstream& file) {
    file.write(reinterpret_cast<const char*>(&s), sizeof(Student));
}

// 反序列化函数
Student loadBinary(ifstream& file) {
    Student s;
    file.read(reinterpret_cast<char*>(&s), sizeof(Student));
    return s;
}

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三、JSON序列化实战

1. JSON库安装与配置

# 使用流行的单头文件JSON库
wget https://github.com/nlohmann/json/releases/download/v3.11.2/json.hpp

2. JSON序列化实现

#include "json.hpp"
using json = nlohmann::json;

struct Student {
    int id;
    string name;
    vector<double> scores;

    // 转JSON对象
    json toJson() const {
        return {
            {"id", id},
            {"name", name},
            {"scores", scores}
        };
    }

    // 从JSON解析
    static Student fromJson(const json& j) {
        return {
            j["id"].get<int>(),
            j["name"].get<string>(),
            j["scores"].get<vector<double>>()
        };
    }
};

3. 文件存储实现

void saveStudents(const vector<Student>& students) {
    json data;
    for (const auto& s : students) {
        data.push_back(s.toJson());
    }
    ofstream("students.json") << data.dump(4);
}

vector<Student> loadStudents() {
    ifstream file("students.json");
    json data = json::parse(file);
    
    vector<Student> result;
    for (const auto& item : data) {
        result.push_back(Student::fromJson(item));
    }
    return result;
}

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四、序列化格式对比表

特性	二进制格式	JSON格式
可读性	不可读	良好可读
数据大小	紧凑（无元数据）	较大（带格式字符）
跨平台兼容性	需处理字节序	天然兼容
扩展性	修改结构需版本控制	支持动态字段
最佳场景	高性能存储	配置文件/网络传输

五、综合实战：通用序列化模块

1. 序列化接口设计

class Serializer {
public:
    virtual void serialize(const Student& s) = 0;
    virtual Student deserialize() = 0;
    virtual ~Serializer() = default;
};

// 二进制实现
class BinarySerializer : public Serializer {
    // 实现具体方法...
};

// JSON实现
class JsonSerializer : public Serializer {
    // 实现具体方法...
};

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六、常见问题解答

Q：如何处理结构体版本升级？

• 二进制格式：在文件头添加版本号
• JSON格式：使用可选字段和默认值

Q：大端序和小端序如何转换？

// 网络字节序转换函数
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // 主机到网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络到主机字节序

Q：JSON库如何支持中文？

• 确保文件使用UTF-8编码
• 转义中文字符：json::parse(R"({"name":"\u4E2D\u6587"})")

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七、今日总结

✅ 掌握要点：

• 🔄 二进制序列化的内存操作技巧
• 🌐 JSON序列化的跨平台优势
• 🧩 面向接口的序列化架构设计
• ⚖️ 不同序列化方案的选型策略