计算机程序的思维逻辑 (63) - 实用序列化: JSON/XML/MessagePack

上节,我们介绍了Java中的标准序列化机制,我们提到,它有一些重要的限制,最重要的是不能跨语言,实践中经常使用一些替代方案,比如XML/JSON/MessagePack。

Java SDK中对这些格式的支持有限,有很多第三方的类库,提供了更为方便的支持,Jackson是其中一种,它支持多种格式,包括XML/JSON/MessagePack等,本文就来介绍如果使用Jackson进行序列化。我们先来简单了解下这些格式以及Jackson。

基本概念

XML/JSON都是文本格式,都容易阅读和理解,格式细节我们就不介绍了,后面我们会看到一些例子,来演示其基本格式。

XML是最早流行的跨语言数据交换标准格式,如果不熟悉,可以查看http://www.w3school.com.cn/xml/快速了解。

JSON是一种更为简单的格式,最近几年来越来越流行,如果不熟悉,可以查看http://json.org/json-zh.html。

MessagePack是一种二进制形式的JSON,编码更为精简高效,官网地址是http://msgpack.org/,JSON有多种二进制形式,MessagePack只是其中一种。

Jackson的Wiki地址是http://wiki.fasterxml.com/JacksonHome,它起初主要是用来支持JSON格式的,但现在也支持很多其他格式,它的各种方式的使用方式是类似的。

要使用Jackson,需要下载相应的库。

  • JSON格式参考:https://github.com/FasterXML/jackson-databind
  • XML格式参考:https://github.com/FasterXML/jackson-dataformat-xml
  • MessagePack格式参考:https://github.com/msgpack/msgpack-java/blob/develop/msgpack-jackson/README.md

对于JSON/XML,本文使用2.8.5版本,对于MessagePack,本文使用0.8.11版本。如果使用Maven管理项目,可引入下面文件中的依赖:

https://github.com/swiftma/program-logic/blob/master/jackson_libs/dependencies.xml

如果非Maven,可从下面地址下载所有的依赖库:

https://github.com/swiftma/program-logic/tree/master/jackson_libs

配置好了依赖库后,下面我们就来介绍如何使用。

基本用法

我们以在57节介绍的Student类来演示Jackson的基本用法。

JSON

序列化一个Student对象的基本代码为:

Student student = new Student("张三", 18, 80.9d);
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);

String str = mapper.writeValueAsString(student);
System.out.println(str);

Jackson序列化的主要类是ObjectMapper,它是一个线程安全的类,可以初始化并配置一次,被多个线程共享,SerializationFeature.INDENT_OUTPUT的目的是格式化输出,以便于阅读,ObjectMapper的writeValueAsString方法就可以将对象序列化为字符串,输出为:

{
  "name" : "张三",
  "age" : 18,
  "score" : 80.9
}

ObjectMapper还有其他方法,可以输出字节数组,写出到文件、OutputStream、Writer等,方法声明如下:

public byte[] writeValueAsBytes(Object value)
public void writeValue(OutputStream out, Object value)
public void writeValue(Writer w, Object value)
public void writeValue(File resultFile, Object value)

比如,输出到文件"student.json",代码为:

mapper.writeValue(new File("student.json"), student);

ObjectMapper怎么知道要保存哪些字段呢?与Java标准序列化机制一样,它也使用反射,默认情况下,它会保存所有声明为public的字段,或者有public getter方法的字段。

反序列化的代码如下所示:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
Student s = mapper.readValue(new File("student.json"), Student.class);
System.out.println(s.toString());

使用readValue方法反序列化,有两个参数,一个是输入源,这里是文件student.json,另一个是反序列化后的对象类型,这里是Student.class,输出为:

Student [name=张三, age=18, score=80.9]

说明反序列化的结果是正确的,除了接受文件,还可以是字节数组、字符串、InputStream、Reader等,如下所示:

public <T> T readValue(InputStream src, Class<T> valueType)
public <T> T readValue(Reader src, Class<T> valueType)
public <T> T readValue(String content, Class<T> valueType)
public <T> T readValue(byte[] src, Class<T> valueType)

在反序列化时,默认情况下,Jackson假定对象类型有一个无参的构造方法,它会先调用该构造方法创建对象,然后再解析输入源进行反序列化。

XML

使用类似的代码,格式可以为XML,唯一需要改变的是,替换ObjectMapper为XmlMapper,XmlMapper是ObjectMapepr的子类,序列化代码为:

Student student = new Student("张三", 18, 80.9d);
ObjectMapper mapper = new XmlMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
String str = mapper.writeValueAsString(student);
mapper.writeValue(new File("student.xml"), student);
System.out.println(str);

输出为:

<Student>
  <name>张三</name>
  <age>18</age>
  <score>80.9</score>
</Student>

反序列化代码为:

ObjectMapper mapper = new XmlMapper();
Student s = mapper.readValue(new File("student.xml"), Student.class);
System.out.println(s.toString()); 

MessagePack

类似的代码,格式可以为MessagePack,同样使用ObjectMapper类,但传递一个MessagePackFactory对象,另外,MessagePack是二进制格式,不能写出为String,可以写出为文件、OutpuStream或字节数组,序列化代码为:

Student student = new Student("张三", 18, 80.9d);
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper(new MessagePackFactory());
byte[] bytes = mapper.writeValueAsBytes(student);
mapper.writeValue(new File("student.bson"), student);

序列后的字节如下图所示:

反序列化代码为:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper(new MessagePackFactory());
Student s = mapper.readValue(new File("student.bson"), Student.class);
System.out.println(s.toString());

容器对象

对于容器对象,Jackson也是可以自动处理的,但用法稍有不同,我们来看下List和Map。

List

序列化一个学生列表的代码为:

List<Student> students = Arrays.asList(new Student[] {
        new Student("张三", 18, 80.9d), new Student("李四", 17, 67.5d) });
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
String str = mapper.writeValueAsString(students);
mapper.writeValue(new File("students.json"), students);
System.out.println(str);

这与序列化一个学生对象的代码是类似的,输出为:

[ {
  "name" : "张三",
  "age" : 18,
  "score" : 80.9
}, {
  "name" : "李四",
  "age" : 17,
  "score" : 67.5
} ]

反序列化代码不同,要新建一个TypeReference匿名内部类对象来指定类型,代码如下所示:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
List<Student> list = mapper.readValue(new File("students.json"),
        new TypeReference<List<Student>>() {});
System.out.println(list.toString());

XML/MessagePack的代码是类似的,我们就不赘述了。

Map

Map与List类似,序列化不需要特殊处理,但反序列化需要通过TypeReference指定类型,我们看一个XML的例子。

序列化一个学生Map的代码为:

Map<String, Student> map = new HashMap<String, Student>();
map.put("zhangsan", new Student("张三", 18, 80.9d));
map.put("lisi", new Student("李四", 17, 67.5d));
ObjectMapper mapper = new XmlMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
String str = mapper.writeValueAsString(map);
mapper.writeValue(new File("students_map.xml"), map);
System.out.println(str);

输出为:

<HashMap>
  <lisi>
    <name>李四</name>
    <age>17</age>
    <score>67.5</score>
  </lisi>
  <zhangsan>
    <name>张三</name>
    <age>18</age>
    <score>80.9</score>
  </zhangsan>
</HashMap>

反序列化的代码为:

ObjectMapper mapper = new XmlMapper();
Map<String, Student> map = mapper.readValue(new File("students_map.xml"),
        new TypeReference<Map<String, Student>>() {});
System.out.println(map.toString());

复杂对象

对于复杂一些的对象,Jackson也是可以自动处理的,我们让Student类稍微复杂一些,改为如下定义:

public class ComplexStudent {
    String name;
    int age;
    Map<String, Double> scores;
    ContactInfo contactInfo;

    //... 构造方法,和getter/setter方法

} 

分数改为一个Map,键为课程,ContactInfo表示联系信息,是一个单独的类,定义如下:

public class ContactInfo {
    String phone;
    String address;
    String email;

    // ...构造方法,和getter/setter方法

}

构建一个ComplexStudent对象,代码为:

ComplexStudent student = new ComplexStudent("张三", 18);
Map<String, Double> scoreMap = new HashMap<>();
scoreMap.put("语文", 89d);
scoreMap.put("数学", 83d);
student.setScores(scoreMap);
ContactInfo contactInfo = new ContactInfo();
contactInfo.setPhone("18500308990");
contactInfo.setEmail("zhangsan@sina.com");
contactInfo.setAddress("中关村");
student.setContactInfo(contactInfo);

我们看JSON序列化,代码没有特殊的,如下所示:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
mapper.writeValue(System.out, student);

输出为:

{
  "name" : "张三",
  "age" : 18,
  "scores" : {
    "语文" : 89.0,
    "数学" : 83.0
  },
  "contactInfo" : {
    "phone" : "18500308990",
    "address" : "中关村",
    "email" : "zhangsan@sina.com"
  }
}

XML格式的代码也是类似的,替换ObjectMapper为XmlMapper即可,输出为:

<ComplexStudent>
  <name>张三</name>
  <age>18</age>
  <scores>
    <语文>89.0</语文>
    <数学>83.0</数学>
  </scores>
  <contactInfo>
    <phone>18500308990</phone>
    <address>中关村</address>
    <email>zhangsan@sina.com</email>
  </contactInfo>
</ComplexStudent>

反序列化的代码也不需要特殊处理,指定类型为ComplexStudent.class即可。

定制序列化

配置方法和场景

上面的例子中,我们没有做任何定制,默认的配置就是可以的。但很多情况下,我们需要做一些配置,Jackson主要支持两种配置方法:

  • 一种是注解,后续文章会详细介绍注解,这里主要是介绍Jackson一些注解的用法
  • 另外一种是配置ObjectMapper对象,ObjectMapper支持对序列化和反序列化过程做一些配置,前面使用的SerializationFeature.INDENT_OUTPUT是其中一种

哪些情况需要配置呢?我们看一些典型的场景:

  • 如何达到类似标准序列化中transient关键字的效果,忽略一些字段?
  • 在标准序列化中,可以自动处理引用同一个对象、循环引用的情况,反序列化时,可以自动忽略不认识的字段,可以自动处理继承多态,但Jackson都不能自动处理,这些情况都需要进行配置
  • 标准序列化的结果是二进制、不可读的,但XML/JSON格式是可读的,有时我们希望控制这个显示的格式
  • 默认情况下,反序列时,Jackson要求类有一个无参构造方法,但有时类没有无参构造方法,Jackson支持配置其他构造方法

针对这些场景,我们分别来看下。

忽略字段

在Java标准序列化中,如果字段标记为了transient,就会在序列化中被忽略,在Jackson中,可以使用以下两个注解之一:

  • @JsonIgnore:用于字段, getter或setter方法,任一地方的效果都一样
  • @JsonIgnoreProperties:用于类声明,可指定忽略一个或多个字段

比如,上面的Student类,忽略分数字段,可以为:

@JsonIgnore
double score;

也可以修饰getter方法,如:

@JsonIgnore
public double getScore() {
    return score;
}

也可以修饰Student类,如:

@JsonIgnoreProperties("score")
public class Student {

加了以上任一标记后,序列化后的结果中将不再包含score字段,在反序列化时,即使输入源中包含score字段的内容,也不会给score字段赋值。

引用同一个对象

我们看个简单的例子,有两个类Common和A,A中有两个Common对象,为便于演示,我们将所有属性定义为了public,它们的类定义如下:

static class Common {
    public String name;
}

static class A {
    public Common first;
    public Common second;
}

有一个A对象,如下所示:

Common c = new Common();
c.name= "common";
A a = new A();
a.first = a.second = c;

a对象的first和second都指向都一个c对象,不加额外配置,序列化a的代码为:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
String str = mapper.writeValueAsString(a);
System.out.println(str);

输出为:

{
  "first" : {
    "name" : "abc"
  },
  "second" : {
    "name" : "abc"
  }
}

在反序列化后,first和second将指向不同的对象,如下所示:

A a2 = mapper.readValue(str, A.class);
if(a2.first == a2.second){
    System.out.println("reference same object");
}else{
    System.out.println("reference different objects");
}

输出为:

reference different objects

那怎样才能保持这种对同一个对象的引用关系呢?可以使用注解@JsonIdentityInfo,对Common类做注解,如下所示:

@JsonIdentityInfo(
        generator = ObjectIdGenerators.IntSequenceGenerator.class,
        property="id")
static class Common {
    public String name;
}

@JsonIdentityInfo中指定了两个属性,property="id"表示在序列化输出中新增一个属性"id"以表示对象的唯一标示,generator表示对象唯一ID的产生方法,这里是使用整数顺序数产生器IntSequenceGenerator。

加了这个标记后,序列化输出会变为:

{
  "first" : {
    "id" : 1,
    "name" : "common"
  },
  "second" : 1
}

注意,"first"中加了一个属性"id",而"second"的值只是1,表示引用第一个对象,这个格式反序列化后,first和second会指向同一个对象。

循环引用

我们看个循环引用的例子,有两个类Parent和Child,它们相互引用,为便于演示,我们将所有属性定义为了public,类定义如下:

static class Parent  {
    public String name;
    public Child child;
}

static class Child {
    public String name;
    public Parent parent;
}

有一个对象,如下所示:

Parent parent = new Parent();
parent.name = "老马";
Child child = new Child();
child.name = "小马";
parent.child = child;
child.parent = parent;

如果序列化parent这个对象,Jackson会进入无限循环,最终抛出异常,解决这个问题,可以分别标记Parent类中的child和Child类中的parent字段,将其中一个标记为主引用,而另一个标记为反向引用,主引用使用@JsonManagedReference,反向引用使用@JsonBackReference,如下所示:

static class Parent  {
    public String name;
    
    @JsonManagedReference
    public Child child;
}

static class Child {
    public String name;

    @JsonBackReference
    public Parent parent;
}

加了这个注解后,序列化就没有问题了,我们看XML格式的序列化代码:

ObjectMapper mapper = new XmlMapper();
mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
String str = mapper.writeValueAsString(parent);
System.out.println(str); 

输出为:

<Parent>
  <name>老马</name>
  <child>
    <name>小马</name>
  </child>
</Parent>

在输出中,反向引用没有出现。不过,在反序列化时,Jackson会自动设置Child对象中的parent字段的值,比如:

Parent parent2 = mapper.readValue(str, Parent.class);
System.out.println(parent2.child.parent.name);

输出为:

老马

说明标记为反向引用的字段的值也被正确设置了。

反序列化时忽略未知字段

在Java标准序列化中,反序列化时,对于未知字段,会自动忽略,但在Jackson中,默认情况下,会抛异常。比如,还是以Student类为例,如果student.json文件的内容为:

{
  "name" : "张三",
  "age" : 18,
  "score": 333,
  "other": "其他信息"
}

其中,other属性是Student类没有的,如果使用标准的反序列化代码:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
Student s = mapper.readValue(new File("student.json"), Student.class);

Jackson会抛出异常:

com.fasterxml.jackson.databind.exc.UnrecognizedPropertyException: Unrecognized field "other"  ...

怎样才能忽略不认识的字段呢?可以配置ObjectMapper,如下所示:

ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.disable(DeserializationFeature.FAIL_ON_UNKNOWN_PROPERTIES);
Student s = mapper.readValue(new File("student.json"), Student.class);

这样就没问题了,这个属性是配置在整个ObjectMapper上的,如果只是希望配置Student类,可以在Student类上使用如下注解:

@JsonIgnoreProperties(ignoreUnknown=true)
public class Student {

继承和多态

Jackson也不能自动处理多态的情况,我们看个例子,有四个类,定义如下,我们忽略了构造方法和getter/setter方法:

static class Shape {
}

static class Circle extends Shape {
    private int r;
}

static class Square extends Shape {
    private int l;        
}

static class ShapeManager {
    private List<Shape> shapes;
}

ShapeManager中的Shape列表,其中的对象可能是Circle,也可能是Square,比如,有一个ShapeManager对象,如下所示:

ShapeManager sm =  new ShapeManager();
List<Shape> shapes = new ArrayList<Shape>();
shapes.add(new Circle(10));
shapes.add(new Square(5));
sm.setShapes(shapes);

使用JSON格式序列化,输出为:

{
  "shapes" : [ {
    "r" : 10
  }, {
    "l" : 5
  } ]
}

这个输出看上去是没有问题的,但由于输出中没有类型信息,反序列化时,Jackson不知道具体的Shape类型是什么,就会抛出异常。

解决方法是在输出中包含类型信息,在基类Shape前使用如下注解:

@JsonTypeInfo(use = Id.NAME, include = As.PROPERTY, property = "type")
@JsonSubTypes({
    @JsonSubTypes.Type(value = Circle.class, name = "circle"),
    @JsonSubTypes.Type(value = Square.class, name = "square") })
static class Shape {
}

这些注解看上去比较多,含义是指在输出中增加属性"type",表示对象的实际类型,对Circle类,使用"circle"表示其类型,而对于Square类,使用"square",加了注解后,序列化输出会变为:

{
  "shapes" : [ {
    "type" : "circle",
    "r" : 10
  }, {
    "type" : "square",
    "l" : 5
  } ]
}

这样,反序列化时就可以正确解析了。

修改字段名称

对于XML/JSON格式,有时,我们希望修改输出的名称,比如对Student类,我们希望输出的字段名变为对应的中文,可以使用@JsonProperty进行注解,如下所示:

public class Student {
    @JsonProperty("名称")
    String name;
    
    @JsonProperty("年龄")
    int age;
    
    @JsonProperty("分数")
    double score;
    //...
}    

加了这个注解后,输出的JSON格式会变为:

{
  "名称" : "张三",
  "年龄" : 18,
  "分数" : 80.9
}

对于XML格式,一个常用的修改是根元素的名称,默认情况下,它是对象的类名,比如对Student对象,它是"Student",如果希望修改呢?比如改为小写"student",可以使用@JsonRootName修饰整个类,如下所示:

@JsonRootName("student")
public class Student {

格式化日期

默认情况下,日期的序列化格式为一个长整数,比如:

static class MyDate {
    public Date date = new Date();
}

序列化代码:

MyDate date = new MyDate();
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
mapper.writeValue(System.out, date);

输出如下所示:

{"date":1482758152509}

这个格式是不可读的,怎样才能可读呢?使用@JsonFormat注解,如下所示:

static class MyDate {
    @JsonFormat(pattern="yyyy-MM-dd HH:mm:ss", timezone="GMT+8")
    public Date date = new Date();
}

加注解后,输出会变为如下所示:

{"date":"2016-12-26 21:26:18"}

配置构造方法

前面的Student类,如果没有定义默认构造方法,只有如下构造方法:

public Student(String name, int age, double score) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.score = score;
} 

则反序列化时会抛异常,提示找不到合适的构造方法,可以使用@JsonCreator和@JsonProperty标记该构造方法,如下所示:

@JsonCreator
public Student(
        @JsonProperty("name") String name,
        @JsonProperty("age") int age,
        @JsonProperty("score") double score) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.score = score;
}

这样,反序列化就没有问题了。

Jackson对XML支持的局限性

需要说明的是,对于XML格式,Jackson的支持不是太全面,比如说,对于一个Map<String, List<String>>对象,Jackson可以序列化,但不能反序列化,如下所示:

Map<String, List<String>> map = new HashMap<>();
map.put("hello", Arrays.asList(new String[]{"老马","小马"}));

ObjectMapper mapper = new XmlMapper();

String str = mapper.writeValueAsString(map);
System.out.println(str);

Map<String, List<String>> map2 = mapper.readValue(str,
        new TypeReference<Map<String, List<String>>>() {});
System.out.println(map2);

在反序列化时,代码会抛出异常,如果mapper是一个ObjectMapper对象,反序列化就没有问题。如果Jackson不能满足需求,可以考虑其他库,如XStream (http://x-stream.github.io/)。

小结

本节介绍了如何使用Jackson来实现JSON/XML/MessagePack序列化,使用方法是类似的,主要是创建的ObjectMapper对象不一样,很多情况下,不需要做额外配置,但也有很多情况,需要做额外配置,配置方式主要是注解,我们介绍了Jackson中的很多典型注解,大部分注解适用于所有格式。

Jackson还支持很多其他格式,如YAML, AVRO, Protobuf, Smile等。Jackson中也还有很多其他配置和注解,用的相对较少,限于篇幅,我们就不介绍了。

从注解的用法,我们可以看出,它也是一种神奇的特性,它类似于注释,但却能实实在在改变程序的行为,它是怎么做到的呢?我们暂且搁置这个问题,留待后续章节。

接下来,我们介绍一些常见文件类型的处理,包括属性文件、CSV、Excel、HTML和压缩文件。

(与其他章节一样,本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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