【网络编程】网络传输-JSON

发布于：2025-07-21 ⋅ 阅读:(15) ⋅ 点赞:(0)

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。
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JSON格式主要有以下的特点：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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
  4. 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

  1. 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。

  2. 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"
    }
  }
}
  1. 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Json
    json 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Json
    json 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;
}

序列化JSON和反序列化JSON的测试输出结果如下：

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更多资料：https://github.com/0voice

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