JSON for Modern C++

JSON（JavaScript Object Notation）是一种非常理想的轻量级数据交换格式，基于以下两种结构：

名-值对的集合 - 在各种语言中，被实现为对象、记录、结构、字典、散列表、键列表、关联数组等；
值的有序列表 - 在大多数语言中，被实现为数组、向量、列表、序列等。

JSON for Modern C++ 的设计目标就是：

直观的语法 - 使用现代 C++ 操作符魔力，使 JSON 成为第一类数据类型
微型的集成 - 仅有 json.hpp，无依赖、无复杂构建系统，符合 C++11 标准
严格的测试 - 单元测试 100% 覆盖，包括所有的异常行为
高效的内存
更快的速度

集成 JSON for Modern C++ 非常简单，仅需 json.hpp（GitHub）源文件即可：

#include "json.hpp"
// 为方便起见，设置命名空间
using json = nlohmann::json;

对于 GCC 和 Clang 编译器来说，别忘了打开 C++11 支持，例如 -std=c++11。

下面我们通过一些示例来学习 JSON for Modern C++ 的使用方法。

JSON 作为第一类数据类型

直接上栗子：

// 创建一个空结构（null）
json j;// 添加一个数值，存为 double
j["pi"] = 3.141;
// 添加一个布尔值，存为 bool
j["happy"] = true;
// 添加一个字符串，存为 std::string
j["name"] = "Niels";
// 添加另一个空对象，使用 nullptr
j["nothing"] = nullptr;
// 添加一个对象内的对象
j["answer"]["everything"] = 42;
// 添加一个数组，存为 std::vector
j["list"] = {1, 0, 2};
// 添加另一个对象
j["object"] = {{"currency", "USD"}, {"value", 42.99}};

当然，还可以直接这样写：

json j2 = {{"pi", 3.141},{"happy", true},{"name", "Niels"},{"nothing", nullptr},{"answer", {{"everything", 42}}},{"list", {1, 0, 2}},{"object", {{"currency", "USD"},{"value", 42.99}}}
};

序列化和反序列化

序列化至字符串 / 反序列化自字符串

通过为字符串字面量附加 _json 可以创建一个 JSON 对象（反序列化）：

// 从字符串字面量创建对象
json j = "{\"happy\": true, \"pi\": 3.141}"_json;// 最好是使用原始字符串字面量
auto j2 = R"({"happy": true, "pi": 3.141})"_json;// 显式地分析
auto j3 = json::parse("{\"happy\": true, \"pi\": 3.141}");

还可以获取一个字符串表示形式（序列化）：

// 显式地转换至字符串
std::string s = j.dump()// 传入缩进空格数，使用良好的打印形式进行序列化
std::cout << j.dump(4) << std::endl;

.dump() 返回的是序列化的值，而 .get<std::string>() 返回的是原始字符串值。

序列化至流 / 反序列化自流

流包括文件、字符串流等，例如：

// 反序列化自标准输入
json j;
std::cin >> j;// 序列化至标准输出
std::cout << j;// 设置良好打印形式所需的缩进
std::cout << std::setw(4) << j << std::endl;

序列化至文件，或是反序列化自文件，例如：

// 读入一个 JSON 文件
std::ifstream i("file.json");
json j;
i >> j;// 将美化的 JSON 写入另一个文件
std::ofstream o("pretty.json");
o << std::setw(4) << j << std:endl;

读自迭代器范围

可以从一个迭代器范围中读取 JSON，迭代器的内容包含连续的字节序列，例如 std::vector<std::uint8_t>：

std::vector<std::uint8_t> v = {'t', 'r', 'u', 'e'};json j = json::parse(v.begin(), v.end());
// 或
json j = json::parse(v);

像 STL 容器一样访问

JSON 类的行为就像 STL 容器一般，满足 ReversibleContainer（可逆容器）的要求，例如：

// 使用 push_back 创建一个数组
json j;
j.push_back("foo");
j.push_back(1);
j.push_back(true);
// 也可以使用 emplace_back
j.emplace_back(1.78);// 在数组上进行迭代
for (json::iterator it = j.begin(); it != j.end(); ++it) {std::cout << *it << '\n';
}// 基于范围的 for 循环
for (auto& element : j) {std::cout << element << '\n';
}// 访问器 getter/setter
const std::string tmp = j[0];
j[1] = 42;
bool foo = j.at(2);// 比较
j == "[\"foo\", 1, true]"_json;  // true// 其他东东
j.size();     // 3 条
j.empty();    // false
j.type();     // json::value_t::array
j.clear();    // 数组再次为空// 便利的类型检测器
j.is_null();
j.is_boolean();
j.is_number();
j.is_object();
j.is_array();
j.is_string();// 创建一个 JSON 对象
json o;
o["foo"] = 23;
o["bar"] = false;
o["baz"] = 3.141;// 也可以使用 emplace
o.emplace("weather", "sunny");// 为对象指定迭代成员函数
for (json::iterator it = o.begin(); it != o.end(); ++it) {std::cout << it.key() << " : " << it.value() << "\n";
}// 查找一个条目
if (o.find("foo") != o.end()) {// 找到键为 "foo" 的一个条目
}// 使用计数 count()
int foo_present = o.count("foo");  // 1
int fob_present = o.count("fob");  // 0// 删除条目
o.erase("foo");

从 STL 容器转换至 JSON

任何序列化容器，包括 std::array， std::vector， std::deque， std::forward_list， std::list，都可以用来构建 JSON 数组。同样地，关联化容器，包括 std::set， std::multiset， std::unordered_set， std::unordered_multiset，也可以用来构建 JSON 数组。不同的是，数组中元素的顺序是否依赖于 STL 容器中元素的顺序。

std::vector<int> c_vector {1, 2, 3, 4};
json j_vec(c_vector);std::deque<double> c_deque {1.2, 2.3, 3.4, 5.6};
json j_deque(c_deque);std::list<bool> c_list {true, true, false, true};
json j_list(c_list);std::forward_list<int64_t> c_flist {12345678909876, 23456789098765, 34567890987654, 45678909876543};
json j_flist(c_flist);std::array<unsigned long, 4> c_array {{1, 2, 3, 4}};
json j_array(c_array);std::set<std::string> c_set {"one", "two", "three", "four", "one"};
json j_set(c_set);std::unordered_set<std::string> c_uset {"one", "two", "three", "four", "one"};
json j_uset(c_uset);std::multiset<std::string> c_mset {"one", "two", "one", "four"};
json j_mset(c_mset);std::unordered_multiset<std::string> c_umset {"one", "two", "one", "four"};
json j_umset(c_umset);

同样地，任何关联的键-值容器，包括 std::map， std::multimap， std::unordered_map， std::unordered_multimap，都可以用来创建 JSON 对象。

std::map<std::string, int> c_map {{"one", 1}, {"two", 2}, {"three", 3}};
json j_map(c_map);std::unordered_map<const char*, double> c_umap {{"one", 1.2}, {"two", 2.3}, {"three", 3.4}};
json j_umap(c_umap);std::multimap<std::string, bool> c_mmap {{"one", true}, {"two", true}, {"three", false}, {"three", true}};
json j_mmap(c_mmap); std::unordered_multimap<std::string, bool> c_ummap {{"one", true}, {"two", true}, {"three", false}, {"three", true}};
json j_ummap(c_ummap);

JSON Pointer 和 JSON Patch

JSON for Modern C++ 库支持 JSON Pointer（RFC 6901）和 JSON Patch（RFC 6902），分别用于定位结构化数值，或描述两个 JSON 之间的不同。

// 一个 JSON 值
json j_original = R"({"baz":["one", "two", "three"], "foo": "bar"})"_json;// 使用 JSON Pointer 访问其成员
j_original["/baz/1"_json_pointer];  // => "two"// 一个 JSON Patch
json j_patch = R"([{"op": "replace", "path": "/baz", "value": "boo"}, {"op": "add", "path": "/hello", "value": ["world"]}, {"op": "remove", "path": "/foo"}])"_json;// 为 JSON 打补丁
json j_result = j_original.patch(j_patch);// 计算两个 JSON 值之间的差异
json::diff(j_result, j_original);

隐式转换

JSON 对象的类型是由表达式所决定的，所存储的值隐式地进行转换。例如：

// 字符串
std::string s1 = "Hello, world!";
json js = s1;
std::string s2 = js;// 布尔值
bool b1 = true;
json jb = b1;
bool b2 = jb;// 数值
int i = 42;
json jn = i;
double f = jn;

当然，也可以显式地请求数值：

std::string vs = js.get<std::string>();
bool vb = jb.get<bool>();
int vi = jn.get<int>();

任意类型转换

不仅仅是 STL 容器和标量类型，所有类型都可以序列化至 JSON。例如，下面是一个 ns::person 结构：

namespace ns {// 一个简单的结构，为 person 建模struct person {std::string name;std::string address;int age;};
}

我们来看看自定义结构和 JSON 之间是如何转换的：

ns::person p = {"Ned Flanders", "744 Evergreen Terrace", 60};// 转换至 JSON：将每个值拷贝至 JSON 对象
json j;
j["name"] = p.name;
j["address"] = p.address;
j["age"] = p.age;// 转换自 JSON：从 JSON 对象中拷贝每个值
ns::person p {j["name"].get<std::string>(),j["address"].get<std::string>(),j["age"].get<int>()
};

以上可以工作，但使用了太多的样板。幸运的是，还可以有更好的方法：

// 创建 person 结构
ns::person p {"Ned Flanders", "744 Evergreen Terrace", 60};// 转换：person → json
json j = p;std::cout << j << std::endl;// 转换：json → person
ns::person p2 = j;

要使以上代码工作，仅需提供两个函数：

namespace ns {void to_json(json& j, const person& p) {j = json{{"name", p.name}, {"address", p.address}, {"age", p.age}};}void from_json(const json& j, person& p) {p.name = j.at("name").get<std::string>();p.name = j.at("address").get<std::string>();p.name = j.at("age").get<int>();}
}

二进制格式（CBOR 和 MessagePack）

虽然 JSON 数据格式似乎是无所不在的，但却不怎么适用于网络数据交换。因此，提供 CBOR（Concise Binary Object Representation）和 MessagePack 功能，使得可以将 JSON 数据编码成字节向量，或是将字节向量解码成 JSON 数据。

// 创建一个 JSON 数据
json j = R"({"compact": true, "schema": 0})"_json;// 序列化至 CBOR
std::vector<std::uint8_t> v_cbor = json::to_cbor(j);
// v_cbor => 0xa2, 0x67, 0x63, 0x6f, 0x6d, 0x70, 0x61, 0x63, 0x74, 0xf5, 0x66, 0x73, 0x63, 0x68, 0x65, 0x6d, 0x61, 0x00// 从 CBOR 中返回 JSON
json j_from_cbor = json::from_cbor(v_cbor);// 序列化至 MessagePack
std::vector<std::uint8_t> v_msgpack = json::to_msgpack(j);
// v_msgpack => 0x82, 0xa7, 0x63, 0x6f, 0x6d, 0x70, 0x61, 0x63, 0x74, 0xc3, 0xa6, 0x73, 0x63, 0x68, 0x65, 0x6d, 0x61, 0x00// 从 MessagePack 中返回 JSON
json j_from_msgpack = json::from_msgpack(v_msgpack);

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