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SAX

"SAX"此术语源于Simple API for XML。我们借了此术语去套用在JSON的解析及生成。

在RapidJSON中,ReaderGenericReader<...>的typedef)是JSON的SAX风格解析器,而WriterGenericWriter<...>的typedef)则是JSON的SAX风格生成器。

Reader

Reader从输入流解析一个JSON。当它从流中读取字符时,它会基于JSON的语法去分析字符,并向处理器发送事件。

例如,以下是一个JSON。

{
"hello": "world",
"t": true ,
"f": false,
"n": null,
"i": 123,
"pi": 3.1416,
"a": [1, 2, 3, 4]
}

当一个Reader解析此JSON时,它会顺序地向处理器发送以下的事件:

StartObject()
Key("hello", 5, true)
String("world", 5, true)
Key("t", 1, true)
Bool(true)
Key("f", 1, true)
Bool(false)
Key("n", 1, true)
Null()
Key("i")
UInt(123)
Key("pi")
Double(3.1416)
Key("a")
StartArray()
Uint(1)
Uint(2)
Uint(3)
Uint(4)
EndArray(4)
EndObject(7)

除了一些事件参数需要再作解释,这些事件可以轻松地与JSON对上。我们可以看看simplereader例子怎样产生和以上完全相同的结果:

#include <iostream>
using namespace rapidjson;
using namespace std;
struct MyHandler {
bool Null() { cout << "Null()" << endl; return true; }
bool Bool(bool b) { cout << "Bool(" << boolalpha << b << ")" << endl; return true; }
bool Int(int i) { cout << "Int(" << i << ")" << endl; return true; }
bool Uint(unsigned u) { cout << "Uint(" << u << ")" << endl; return true; }
bool Int64(int64_t i) { cout << "Int64(" << i << ")" << endl; return true; }
bool Uint64(uint64_t u) { cout << "Uint64(" << u << ")" << endl; return true; }
bool Double(double d) { cout << "Double(" << d << ")" << endl; return true; }
bool String(const char* str, SizeType length, bool copy) {
cout << "String(" << str << ", " << length << ", " << boolalpha << copy << ")" << endl;
return true;
}
bool StartObject() { cout << "StartObject()" << endl; return true; }
bool Key(const char* str, SizeType length, bool copy) {
cout << "Key(" << str << ", " << length << ", " << boolalpha << copy << ")" << endl;
return true;
}
bool EndObject(SizeType memberCount) { cout << "EndObject(" << memberCount << ")" << endl; return true; }
bool StartArray() { cout << "StartArray()" << endl; return true; }
bool EndArray(SizeType elementCount) { cout << "EndArray(" << elementCount << ")" << endl; return true; }
};
void main() {
const char json[] = " { \"hello\" : \"world\", \"t\" : true , \"f\" : false, \"n\": null, \"i\":123, \"pi\": 3.1416, \"a\":[1, 2, 3, 4] } ";
MyHandler handler;
Reader reader;
StringStream ss(json);
reader.Parse(ss, handler);
}

注意RapidJSON使用模板去静态挷定Reader类型及处理器的类形,而不是使用含虚函数的类。这个范式可以通过把函数内联而改善性能。

处理器

如前例所示,使用者需要实现一个处理器(handler),用于处理来自Reader的事件(函数调用)。处理器必须包含以下的成员函数。

class Handler {
bool Null();
bool Bool(bool b);
bool Int(int i);
bool Uint(unsigned i);
bool Int64(int64_t i);
bool Uint64(uint64_t i);
bool Double(double d);
bool String(const Ch* str, SizeType length, bool copy);
bool StartObject();
bool Key(const Ch* str, SizeType length, bool copy);
bool EndObject(SizeType memberCount);
bool StartArray();
bool EndArray(SizeType elementCount);
};

Reader遇到JSON null值时会调用Null()

Reader遇到JSON true或false值时会调用Bool(bool)

Reader遇到JSON number,它会选择一个合适的C++类型映射,然后调用Int(int)Uint(unsigned)Int64(int64_t)Uint64(uint64_t)Double(double)的*其中之一个*。

Reader遇到JSON string,它会调用String(const char* str, SizeType length, bool copy)。第一个参数是字符串的指针。第二个参数是字符串的长度(不包含空终止符号)。注意RapidJSON支持字串中含有空字符`'\0'。若出现这种情况,便会有strlen(str) < length。最后的copy参数表示处理器是否需要复制该字符串。在正常解析时,copy = true。仅当使用原位解析时,copy = false`。此外,还要注意字符的类型与目标编码相关,我们稍后会再谈这一点。

Reader遇到JSON object的开始之时,它会调用StartObject()。JSON的object是一个键值对(成员)的集合。若object包含成员,它会先为成员的名字调用Key(),然后再按值的类型调用函数。它不断调用这些键值对,直至最终调用EndObject(SizeType memberCount)。注意memberCount参数对处理器来说只是协助性质,使用者可能不需要此参数。

JSON array与object相似,但更简单。在array开始时,Reader会调用BeginArary()。若array含有元素,它会按元素的类型来读用函数。相似地,最后它会调用EndArray(SizeType elementCount),其中elementCount参数对处理器来说只是协助性质。

每个处理器函数都返回一个bool。正常它们应返回true。若处理器遇到错误,它可以返回false去通知事件发送方停止继续处理。

例如,当我们用Reader解析一个JSON时,处理器检测到该JSON并不符合所需的schema,那么处理器可以返回false,令Reader停止之后的解析工作。而Reader会进入一个错误状态,并以kParseErrorTermination错误码标识。

GenericReader

前面提及,ReaderGenericReader模板类的typedef:

namespace rapidjson {
template <typename SourceEncoding, typename TargetEncoding, typename Allocator = MemoryPoolAllocator<> >
class GenericReader {
// ...
};
typedef GenericReader<UTF8<>, UTF8<> > Reader;
} // namespace rapidjson

Reader使用UTF-8作为来源及目标编码。来源编码是指JSON流的编码。目标编码是指String()str参数所用的编码。例如,要解析一个UTF-8流并输出至UTF-16 string事件,你需要这么定义一个reader:

GenericReader<UTF8<>, UTF16<> > reader;

注意到UTF16的缺省类型是wchar_t。因此这个reader需要调用处理器的String(const wchar_t*, SizeType, bool)

第三个模板参数Allocator是内部数据结构(实际上是一个堆栈)的分配器类型。

解析

Reader的唯一功能就是解析JSON。

template <unsigned parseFlags, typename InputStream, typename Handler>
bool Parse(InputStream& is, Handler& handler);
// 使用 parseFlags = kDefaultParseFlags
template <typename InputStream, typename Handler>
bool Parse(InputStream& is, Handler& handler);

若在解析中出现错误,它会返回false。使用者可调用bool HasParseEror(), ParseErrorCode GetParseErrorCode()size_t GetErrorOffset()获取错误状态。实际上Document使用这些Reader函数去获取解析错误。请参考DOM去了解有关解析错误的细节。

Writer

Reader把JSON转换(解析)成为事件。Writer完全做相反的事情。它把事件转换成JSON。

Writer是非常容易使用的。若你的应用程序只需把一些数据转换成JSON,可能直接使用Writer,会比建立一个Document然后用Writer把它转换成JSON更加方便。

simplewriter例子里,我们做simplereader完全相反的事情。

#include "rapidjson/writer.h"
#include "rapidjson/stringbuffer.h"
#include <iostream>
using namespace rapidjson;
using namespace std;
void main() {
writer.StartObject();
writer.Key("hello");
writer.String("world");
writer.Key("t");
writer.Bool(true);
writer.Key("f");
writer.Bool(false);
writer.Key("n");
writer.Null();
writer.Key("i");
writer.Uint(123);
writer.Key("pi");
writer.Double(3.1416);
writer.Key("a");
writer.StartArray();
for (unsigned i = 0; i < 4; i++)
writer.Uint(i);
writer.EndArray();
writer.EndObject();
cout << s.GetString() << endl;
}
{"hello":"world","t":true,"f":false,"n":null,"i":123,"pi":3.1416,"a":[0,1,2,3]}

String()Key()各有两个重载。一个是如处理器concept般,有3个参数。它能处理含空字符的字符串。另一个是如上中使用的较简单版本。

注意到,例子代码中的EndArray()EndObject()并没有参数。可以传递一个SizeType的参数,但它会被Writer忽略。

你可能会怀疑,为什么不使用sprintf()std::stringstream去建立一个JSON?

这有几个原因:

  1. Writer必然会输出一个结构良好(well-formed)的JSON。若然有错误的事件次序(如Int()紧随StartObject()出现),它会在调试模式中产生断言失败。
  2. Writer::String()可处理字符串转义(如把码点U+000A转换成\n)及进行Unicode转码。
  3. Writer一致地处理number的输出。
  4. Writer实现了事件处理器concept。可用于处理来自ReaderDocument或其他事件发生器。
  5. Writer可对不同平台进行优化。

无论如何,使用Writer API去生成JSON甚至乎比这些临时方法更简单。

WriterReader有少许设计区别。Writer是一个模板类,而不是一个typedef。 并没有GenericWriter。以下是Writer的声明。

namespace rapidjson {
template<typename OutputStream, typename SourceEncoding = UTF8<>, typename TargetEncoding = UTF8<>, typename Allocator = CrtAllocator<> >
class Writer {
public:
Writer(OutputStream& os, Allocator* allocator = 0, size_t levelDepth = kDefaultLevelDepth)
// ...
};
} // namespace rapidjson

OutputStream模板参数是输出流的类型。它的类型不可以被自动推断,必须由使用者提供。

SourceEncoding模板参数指定了String(const Ch*, ...)的编码。

TargetEncoding模板参数指定输出流的编码。

最后一个Allocator是分配器的类型,用于分配内部数据结构(一个堆栈)。

此外,Writer的构造函数有一levelDepth参数。存储每层阶信息的初始内存分配量受此参数影响。

PrettyWriter

Writer所输出的是没有空格字符的最紧凑JSON,适合网络传输或储存,但就适合人类阅读。

因此,RapidJSON提供了一个PrettyWriter,它在输出中加入缩进及换行。

PrettyWriter的用法与Writer几乎一样,不同之处是PrettyWriter提供了一个SetIndent(Ch indentChar, unsigned indentCharCount)函数。缺省的缩进是4个空格。

完整性及重置

一个Writer只可输出单个JSON,其根节点可以是任何JSON类型。当处理完单个根节点事件(如String()),或匹配的最后EndObject()EndArray()事件,输出的JSON是结构完整(well-formed)及完整的。使用者可调用Writer::IsComplete()去检测完整性。

当JSON完整时,Writer不能再接受新的事件。不然其输出便会是不合法的(例如有超过一个根节点)。为了重新利用Writer对象,使用者可调用Writer::Reset(OutputStream& os)去重置其所有内部状态及设置新的输出流。

技巧

解析JSON至自定义结构

Document的解析功能完全依靠Reader。实际上Document是一个处理器,在解析JSON时接收事件去建立一个DOM。

使用者可以直接使用Reader去建立其他数据结构。这消除了建立DOM的步骤,从而减少了内存开销并改善性能。

在以下的messagereader例子中,ParseMessages()解析一个JSON,该JSON应该是一个含键值对的object。

#include "rapidjson/error/en.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
using namespace rapidjson;
typedef map<string, string> MessageMap;
struct MessageHandler
: public BaseReaderHandler<UTF8<>, MessageHandler> {
MessageHandler() : state_(kExpectObjectStart) {
}
bool StartObject() {
switch (state_) {
case kExpectObjectStart:
state_ = kExpectNameOrObjectEnd;
return true;
default:
return false;
}
}
bool String(const char* str, SizeType length, bool) {
switch (state_) {
case kExpectNameOrObjectEnd:
name_ = string(str, length);
state_ = kExpectValue;
return true;
case kExpectValue:
messages_.insert(MessageMap::value_type(name_, string(str, length)));
state_ = kExpectNameOrObjectEnd;
return true;
default:
return false;
}
}
bool EndObject(SizeType) { return state_ == kExpectNameOrObjectEnd; }
bool Default() { return false; } // All other events are invalid.
MessageMap messages_;
enum State {
kExpectObjectStart,
kExpectNameOrObjectEnd,
kExpectValue,
}state_;
std::string name_;
};
void ParseMessages(const char* json, MessageMap& messages) {
Reader reader;
MessageHandler handler;
StringStream ss(json);
if (reader.Parse(ss, handler))
messages.swap(handler.messages_); // Only change it if success.
else {
size_t o = reader.GetErrorOffset();
cout << "Error: " << GetParseError_En(e) << endl;;
cout << " at offset " << o << " near '" << string(json).substr(o, 10) << "...'" << endl;
}
}
int main() {
MessageMap messages;
const char* json1 = "{ \"greeting\" : \"Hello!\", \"farewell\" : \"bye-bye!\" }";
cout << json1 << endl;
ParseMessages(json1, messages);
for (MessageMap::const_iterator itr = messages.begin(); itr != messages.end(); ++itr)
cout << itr->first << ": " << itr->second << endl;
cout << endl << "Parse a JSON with invalid schema." << endl;
const char* json2 = "{ \"greeting\" : \"Hello!\", \"farewell\" : \"bye-bye!\", \"foo\" : {} }";
cout << json2 << endl;
ParseMessages(json2, messages);
return 0;
}
{ "greeting" : "Hello!", "farewell" : "bye-bye!" }
farewell: bye-bye!
greeting: Hello!
Parse a JSON with invalid schema.
{ "greeting" : "Hello!", "farewell" : "bye-bye!", "foo" : {} }
Error: Terminate parsing due to Handler error.
at offset 59 near '} }...'

第一个JSON(json1)被成功地解析至MessageMap。由于MessageMap是一个std::map,列印次序按键值排序。此次序与JSON中的次序不同。

在第二个JSON(json2)中,foo的值是一个空object。由于它是一个object,MessageHandler::StartObject()会被调用。然而,在state_ = kExpectValue的情况下,该函数会返回false,并令到解析过程终止。错误代码是kParseErrorTermination

过滤JSON

如前面提及过,Writer可处理Reader发出的事件。condense例子简单地设置Writer作为一个Reader的处理器,因此它能移除JSON中的所有空白字符。pretty例子使用同样的关系,只是以PrettyWriter取代Writer。因此pretty能够重新格式化JSON,加入缩进及换行。

实际上,我们可以使用SAX风格API去加入(多个)中间层去过滤JSON的内容。例如capitalize例子可以把所有JSON string改为大写。

#include "rapidjson/writer.h"
#include "rapidjson/filereadstream.h"
#include "rapidjson/filewritestream.h"
#include "rapidjson/error/en.h"
#include <vector>
#include <cctype>
using namespace rapidjson;
template<typename OutputHandler>
struct CapitalizeFilter {
CapitalizeFilter(OutputHandler& out) : out_(out), buffer_() {
}
bool Null() { return out_.Null(); }
bool Bool(bool b) { return out_.Bool(b); }
bool Int(int i) { return out_.Int(i); }
bool Uint(unsigned u) { return out_.Uint(u); }
bool Int64(int64_t i) { return out_.Int64(i); }
bool Uint64(uint64_t u) { return out_.Uint64(u); }
bool Double(double d) { return out_.Double(d); }
bool String(const char* str, SizeType length, bool) {
buffer_.clear();
for (SizeType i = 0; i < length; i++)
buffer_.push_back(std::toupper(str[i]));
return out_.String(&buffer_.front(), length, true); // true = output handler need to copy the string
}
bool StartObject() { return out_.StartObject(); }
bool Key(const char* str, SizeType length, bool copy) { return String(str, length, copy); }
bool EndObject(SizeType memberCount) { return out_.EndObject(memberCount); }
bool StartArray() { return out_.StartArray(); }
bool EndArray(SizeType elementCount) { return out_.EndArray(elementCount); }
OutputHandler& out_;
std::vector<char> buffer_;
};
int main(int, char*[]) {
// Prepare JSON reader and input stream.
Reader reader;
char readBuffer[65536];
FileReadStream is(stdin, readBuffer, sizeof(readBuffer));
// Prepare JSON writer and output stream.
char writeBuffer[65536];
FileWriteStream os(stdout, writeBuffer, sizeof(writeBuffer));
// JSON reader parse from the input stream and let writer generate the output.
CapitalizeFilter<Writer<FileWriteStream> > filter(writer);
if (!reader.Parse(is, filter)) {
fprintf(stderr, "\nError(%u): %s\n", (unsigned)reader.GetErrorOffset(), GetParseError_En(reader.GetParseErrorCode()));
return 1;
}
return 0;
}

注意到,不可简单地把JSON当作字符串去改为大写。例如:

["Hello\nWorld"]

简单地把整个JSON转为大写的话会产生错误的转义符:

["HELLO\NWORLD"]

capitalize就会产生正确的结果:

["HELLO\nWORLD"]

我们还可以开发更复杂的过滤器。然而,由于SAX风格API在某一时间点只能提供单一事件的信息,使用者需要自行记录一些上下文信息(例如从根节点起的路径、储存其他相关值)。对些一些处理情况,用DOM会比SAX更容易实现。