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C++|C++ 轻量级对象JSON序列化实现详情

目录

  • 1、设计思路
  • 2、匹配基本类型的Unmarshal模板
  • 3、匹配stl容器/其他第三方类库的Unmarshal模板
  • 4、匹配自定义struct/class的Unmarshal模板
  • 5、测试
背景：
在项目里经常遇到对象和json字符串的相互转换这类问题，在大多数程序里，一般这个问题都比较有比较好的解决方法，往往一个函数搞定。但是到了c++这边却需要我们手撸json库一个一个字段初始化/序列化。如果这时候有一个函数 可以一行代码 unmarshal /marshal 对象岂不是很方便？本文以jsoncpp库为基础，设计这样一个可以支持这种功能的函数，下面进入正题~

1、设计思路 以unmarshal 为例，我们最终的函数是打造两个这样的模板函数 ：
一个从string 的josn直接反序列化对象，一个从jsoncpp库的json对象，反序列化对象。
template bool Unmarshal(T& obj,const string& json_str); template bool Unmarshal(T& obj,const Json::Value& json_obj_root);

由于json是具有自递归结构的，所以在设计时，应该也是以递归的方式解决复杂的组合类，我们可以简单的把程序中的变量分为下面几类：
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这样我们只需要把这几个场景的 Unmarshal实现了，整体的Unmarshal也就实现了。模板设计的类图应该和我们的分类相对应：
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在实现中要注意以下几点：
  • 每个分类的Unmarshal模板具有排他性，也就是说基本类型在编译期间只能匹配解析基本类型的模板
  • 由于1的保证和这些模板函数名称都是Unmarshal，所以他们之间可以相互嵌套调用对方。
  • 指针、和原生数组会涉及到空间分配和长度检测会使得情况变得复杂，本次设计支持的范围不包含对指针、原生数组的支持。

2、匹配基本类型的Unmarshal模板
//只能解析基本类型 int long bool float double string 的一组模板/* * 其实可声明为重载函数,声明为模板只是为了可以放在头文件中 * 不能声明为 template bool Unmarshal(int& obj,const Json::Value &root); 是因为 * 在编译时编译器不能推断出T的类型，导致编译失败.所以将模板类型列表设置为template (Nontype * Parameters) 此处int并无实际意义 */template inline bool Unmarshal(int& obj,const Json::Value &root){if(!root.isIntegral())return false; obj = root.asInt(); return true; }template inline bool Unmarshal(long& obj,const Json::Value &root).....


3、匹配stl容器/其他第三方类库的Unmarshal模板
//只能匹配 vector map map map 的一组模板//vectortemplate bool Unmarshal(vector& obj,const Json::Value& root){if(!root.isArray())return false; obj.clear(); bool ret = true; for(int i=0; i bool Unmarshal(map& obj,const Json::Value& root){...}//map key:longtemplate bool Unmarshal(map& obj,const Json::Value& root){...}//map key:inttemplate bool Unmarshal(map& obj,const Json::Value& root){...}


4、匹配自定义struct/class的Unmarshal模板 实现一组只能匹配自己定义的struct/class 就需要我们定义的对象有一些特殊的标志，才能被模板函数识别。在这里选择给我们自己定义的类都实现public的unmarshal方法(实现方式后面讲），这样当编译时发现一个对象含有 public的 unmarshal方法时，就知道使是我们自己定义的类，然后就调用特定的模板函数，这里用到到了一个C++的语法 SFINAE(Substitution Failure Is Not An Error) 和std库中enable_if
我们先来看一下C++ std库中 enable_if 的简要实现：
// 版本1 一个空的enable_if 结构体template struct enable_if {}; // 版本2 是版本1第一个参数为true的特例化实现,这个版本的enable_if含有 type类型template struct enable_if {typedef _Tp type; }; int main(){enable_if::type a = 3; //匹配版本2,相当于 int a = 3enable_if::type b = 3; //匹配版本1,enable_if{}没有type类型,触发编译错误}

SFINAE 准则就是匹配失败并不是错误，如果编译器在匹配一个模板时引发了错误，这时候编译器应当尝试下一个匹配，而不应该报错中止。利用这条规则和enable_if，解析我们自己struct/class Umarshal模板设计如下：
// 检测一个类 是否含有非静态非重载的unmarshal方法templatestruct TestUnmarshalFunc {//版本1 templatestatic char func(decltype(&TT::unmarshal)); //版本2templatestatic int func(...); /** 如果类型T没有unmarshal方法,func(NULL)匹配版本1时会产生错误,由于SFINAE准则,只能匹配版本2 * 的func,此时返回值4个字节,has变量为false.反之 has变量为true*/const static bool has = (sizeof(func(NULL)) == sizeof(char)); }; //如果对象自身含有 unmarshal 方法,则调用对象的unmarshal.否则会因SFINAE准则跳过这个版本的Unamrshaltemplate ::has,int>::type = 0>inline bool Unmarshal(T& obj,const Json::Value &root){return obj.unmarshal(root); }

好了，至此我们对三种基本类型的Umarshal函数设计好了，这时候任意一个T类型 在调用Unmarshal时，最终会与上面三种其中一个匹配。json 为string的可以利用上面的Unmarshal再封装一个版本：
template bool Unmarshal(T& obj,const string &s){Json::Reader reader; Json::Value root; if(!reader.parse(s,root))return false; return Unmarshal(obj,root); }

接下来我们看如何在自定义的类中实现unmarshal函数：
//假设有一个People对象,有3个field需要反序列化,根据上面的要求,可能需要我们自己编写unmarshal如下struct People{bool sex; int age; string name; //尽力解析每个field,只有全部正确解析才返回truebool unmarshal(const Json::Value &root){bool ret = true; if(!Json::Unmarshal(sex,root["sex"])){ret = false; }if(!Json::Unmarshal(age,root["age"])){ret = false; }if(!Json::Unmarshal(name,root["name"])){ret = false; }return ret; }};

显然如果field数量很多,就很麻烦,而且解析每个field时,代码格式非常相似,是否存在一个宏可以自动生成呢？答案是肯定的。talk is cheap,show me the code ，上代码！
struct People{bool sex; int age; string name; //用JSON_HELP宏把需要序列化的field传进去,就自动在类里生成unmarshal、marshal函数JSON_HELP(sex,age,name) }; // JSON_HELP 是一个变参宏#define JSON_HELP(...)\UNMARSHAL_OBJ(__VA_ARGS__)\//这里生成unmarshal函数MARSHAL_OBJ(__VA_ARGS__)/* * UNMARSHAL_OBJ中FOR_EACH宏第一个参数传入一个函数,第二个参数传入一个list * 作用是对list中每个元素调用传入的函数,这里有点像python里高阶函数map()的味道 * 这样就批量生成了下面的代码结构： *if(!Json::Unmarshal(field_1,root["field_1"])){ *ret = false; *} *if(!Json::Unmarshal(field_2,root["field_2"])){ *ret = false; *} *... .. */#define UNMARSHAL_OBJ(...)\bool unmarshal(const Json::Value& root){\bool ret = true; \FOR_EACH(__unmarshal_obj_each_field__,__VA_ARGS__)\return ret; \}#define __unmarshal_obj_each_field__(field)\if(!Json::Unmarshal(field,root[#field])){\ret = false; \}//###### FOR_EACH 实现#######//作用：传入一个函数func和一个list，把func用在list的每个元素上#define FOR_EACH(func,...) \MACRO_CAT(__func_,COUNT(__VA_ARGS__))(func,__VA_ARGS__)/* * FOR_EACH在实现中 COUNT宏用于统计参数个数,返回一个数字,MACRO_CAT宏用于把两个token连接起来, * 如果__VA_ARGS__有三个变量为a,b,c 那么这一步宏展开后为： * __func_3(func,a,b,c), 而__func_3 __func_2 __func_1 ... 定义如下 * /// 宏展开实现伪循环/* * __func_3(func,a,b,c) 具体展开过程： * 第一次： __func_1(func,a) __func_2(func,b,c) * 第二次： func(a)__func_1(func,b)__func_1(func,c) * 第三次： func(a)func(b)func(c) * 最终在a,b,c上都调用了一次传入的func函数 */#define __func_1(func,member)func(member); #define __func_2(func,member,...) __func_1(func,member)__func_1(func,__VA_ARGS__)#define __func_3(func,member,...) __func_1(func,member)__func_2(func,__VA_ARGS__)#define __func_4(func,member,...) __func_1(func,member)__func_3(func,__VA_ARGS__)#define __func_5(func,member,...) __func_1(func,member)__func_4(func,__VA_ARGS__)... ...//###### COUNT 宏实现#######//作用: 返回传入参数个数. eg: COUNT(a,b,c)返回3#define COUNT(...) __count__(0, ##__VA_ARGS__, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0)#define __count__(_0, _1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9, _10, N, ...) N###### MACRO_CAT 宏实现#######//作用: 将两个token(可以是宏),连接在一起#define MACRO_CAT(a,b)__macro_cat__(a,b)#define __macro_cat__(a,b)a##b


5、测试
我们的Umarshal 和 Marshal函数编写好了,现在测试一下吧：
场景：有一个map对象存着教师的信息,每个教师又保存着ta教学生信息，数据结构定义如下：
struct Student {longid; boolsex; doublescore; stringname; JSON_HELP(id,sex,score,name)}; struct Teacher {stringname; intsubject; vector stus; JSON_HELP(name,subject,stus)}; map tchs; //需要序列化和反序列化的对象

测试代码：
// 对应于结构 map 的jsonstring ori = R"({"Tea_1": {"name": "Tea_1","subject": 3,"stus": [{"id": 201721020126,"sex": false,"score": 80,"name": "Stu.a"},{"id": 201101101537,"sex": true,"score": 0,"name": "Stu.b"}]},"Tea_2": {"name": "Tea_2","subject": 1,"stus": [{"id": 201521020128,"sex": true,"score": 59,"name": "Stu.c"}]}})"; int main() {map tchs; // 从json字符串反序列化对象bool ret = Json::Unmarshal(tchs,ori); if(!ret){cout<<"反序列失败"<
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