cJson 学习笔记

时间：2022-11-20 14:06:47

一、前言

思考这么一个问题：对于不同的设备如何进行数据交换？可以考虑使用轻量级别的 JSON 格式。

那么需要我们手写一个 JSON 解析器吗？这大可不必，因为已经有前辈提供了开源的轻量级的 JSON 解析器——cJSON。我们会用就可以了，当然你也可以深入源码进行学习。

下图则向我们展示了如何通过 cJSON 实现 Client 与 Server 的数据交换：

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  • Client 在发送数据之前，通过 cJSON 将自己的专属数据格式 Data_ClientFormat 转化为了通用格式 JSON
  • 服务端在收到 JSON 数据后，通过 cJSON 将其转化为服务端的专属数据格式 Data_ServerFormat
  • 反之同理

在介绍 cJSON 之前，先来对 JSON 这个数据格式有个简单了解。

二、JSON 简介

1.1 什么是 JSON

JSON 指的是 JavaScript 对象表示法（JavaScript Object Notation）。但它并不是编程语言，而是一种可以在服务器和客户端之间传输的数据交换格式。

1.2 JSON 结构

JSON 的两种数据结构：

  1. 对象：A collection of key/value pairs（一个无序的 key / value 对的集合）
  2. 数组：An ordered list of values（一 / 多个 value 的有序列表）

从上述描述中，我们可以获得如下四种信息：

  • 对象（Object）
  • 数组（Array）
  • 键（key）
  • 值（Value）

1.3 JSON 对象

JSON 对象具体格式如下图所示：

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  • 一个对象以{开始，以}结束，是若干「key / value 对」的集合
  • key 和 value 使用:分隔
  • key / value 对之间使用,分隔

注意事项：

  1. 键：必须是 string 类型
  2. 值：可以是合法的 JSON 数据类型（字符串、数值、对象、数组、布尔值或 null）

如，这是一个合法的 JSON 对象：

{
    "name" : "张三"
}

这也是一个合法的 JSON 对象：

{
    "name" : "张三",
    "age"  : 18,
    "sex"  : "男"
}

1.4 JSON 数组

JSON 数组具体格式如下图所示：

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  • 一个数组以[开始，]结束，是若干 value 的有序集合
  • 多个 value 以,分隔

如，这是一个合法的 JSON 数组：

[
    "张三",
    18,
    "男"
]

该数组包含三个 value，分别为 string、number、string

这也是一个合法的 JSON 数组：

[
    {
        "name"	: "张三",
        "age"	: 18,
        "sex"	: "男"
    },
    {
        "name"	: "李四",
        "age"	: 19,
        "sex"	: "男"
    }
]

该数组包含两个 Object，每个 Object 又包含若干 key / value。

1.5 JSON 值

值（value）可以是：

  • 字符串：必须用双引号括起来
  • 数 值：十进制整数或浮点数
  • 对 象：键 / 值对的集合
  • 数 组：值的集合
  • 布尔值：true 或 false
  • null

value 可以是简单的用双引号引起来的 string 串，也可以是一个数值；或布尔值（true or false），或 null。

当然也可以是复杂的 object 或 array，这些取值是可以嵌套的。

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在「1.4 JSON 数组」中，第二个例子就是一个嵌套的举例，当然也可以这么嵌套：

{
    "class_name"	: "计科一班",
    "student_num"	: 2,
    "student_info"	: 
    [
        {
            "name"	: "张三",
            "age"	: 18,
            "sex"	: "男"
        },
        {
            "name"	: "李四",
            "age"	: 19,
            "sex"	: "男"
        }
    ]
}

三、cJSON 使用教程

3.1 cJSON 使用说明

源码下载：https://www.aliyundrive.com/s/GgcJZvHBdPq

编译环境：CentOS 7

源码中包含 cJSON.h 和 cJSON.c，以及一个测试程序 main.c，测试程序的功能是输出一个 JSON 字符串：

{
    "name": "张三",
    "age":  18,
    "sex":  "男"
}

你可以通过下面两种方法运行该程序：

  1. $ gcc -g -Wall *.c -l m，会默认生成一个 a.out 文件，执行该文件即可
  2. 将 cJSON.c 打包成静态库 / 动态库，然后在编译 main.c 的时候将其链接上就可以了

由于源码中使用了 pow 函数，所以一定要链接上 math 库，也就是 -l m 指令。

如果在编译过程中报好多 warning（如下图所示）警告：

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不要慌，这并不影响程序的运行，如果你想消除这些警告，不妨将 cJSON.c 格式化一下（用 VSCode 按下alt+shift+F）。

至于原理，不妨参考这篇文章：gcc编译警告关于（warning: XXX...[-Wmisleading-indentation] if(err)之类的问题）

3.2 cJSON structure

首先，我们先对 cJSON 的结构体有个初步了解，其定义如下：

typedef struct cJSON
{
  struct cJSON *next, *prev;
  struct cJSON *child;

  int type;

  char *valuestring;
  int valueint;
  double valuedouble;

  char *string;
} cJSON;
  • type：用于区分 JSON 类型
    • 0 表示 false
    • 1 表示 true
    • 2 表示 null
    • 3 表示 number
    • 4 表示 string
    • 5 表示 array
    • 6 表示 object
  • string ：代表「键 / 值对」的键
  • value*：代表「键 / 值对」的值，搭配 type 使用
    • 只有当 type 值为 4 时，valuestring 字段才有效
    • 只有当 type 值为 3 时，valueint 或 valuedouble 字段才有效

由于我在实际使用过程中未涉及 bool、null，所以举例中暂不涉及这两种类型。

3.3 反序列化 JSON 字符串

在正式讲解之前，让我们先看一下与反序列化相关的函数：

函数 解释说明 返回值
cJSON_Parse 将 JSON 字符串反序列化为 cJSON 结构体 cJSON *
cJSON_GetObjectItem 获取 JSON 对象中的指定项 cJSON *
cJSON_GetArrayItem 获取 JSON 数组中的第 i 个 JSON 项 cJSON *
cJSON_GetArraySize 获取 JSON 数组的大小（该数组中包含的 JSON 项个数） int
cJSON_Delete 删除 cJSON 结构体 void

3.3.1 一个简单的例子

对于一个 JSON 字符串：

{
    "name": "张三",
    "age": 18,
    "sex": "男"
}

我们可以在代码中通过调用cJSON_Parse(const char *value)函数将 JSON 字符串 value 反序列化为 cJSON 结构体：

cJSON *root = cJSON_Parse(pcJson); // pcJson 为从文件中获取的 JSON 字符串
if (NULL == root)
{
    printf("fail to call cJSON_Parse\n");
    exit(0);
}

反序列化后的 JSON 字符串，大概长这个样子：

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  • 图中的灰色虚线是假想的，实际是不存在的
  • 用来表明 name、age、sex 都是 root 的 child，只不过实际的 child 仅仅指向了第一个节点，也就是 name

那么我们如何获取 name、age、sex 对应的值呢？可以通过调用cJSON *cJSON_GetObjectItem()函数从 object 中获取。

cJSON *pName = cJSON_GetObjectItem(root, "name");
printf("name [%s]\n", pName->valuestring);

cJSON *pAge = cJSON_GetObjectItem(root, "age");
printf("age  [%d]\n", pAge->valueint);

cJSON *pSex = cJSON_GetObjectItem(root, "sex");
printf("sex  [%s]\n", pSex->valuestring);
  • cJSON *cJSON_GetObjectItem(cJSON *object, const char *string)：从 object 的所有 child 中检索键为 string 的 JSON 项
    • 如果找到则返回相应的 JSON 项
    • 反之返回 NULL。

完整代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <ctype.h>
#include "cJSON.h"

#define STRING_LEN_MAX 2048

void GetJSONFromFile(const char *FILENAME, char **ppcJson)
{
    FILE *fp = fopen(FILENAME, "r");
    if (NULL == fp)
    {
        printf("file open error\n");
        exit(0);
    }

    char *pcJson = (char *)malloc(STRING_LEN_MAX);
    memset(pcJson, 0, STRING_LEN_MAX);

    do
    {
        fgets(pcJson + strlen(pcJson), STRING_LEN_MAX - strlen(pcJson), fp);
    } while (!feof(fp));

    *ppcJson = pcJson;

    fclose(fp);
}

int main()
{
    char *pcJson;

    GetJSONFromFile("test.json", &pcJson); // 从文件 test.json 中获取 JSON 字符串

    cJSON *root = cJSON_Parse(pcJson);
    if (NULL == root)
    {
        printf("fail to call cJSON_Parse\n");
        exit(0);
    }

    cJSON *pName = cJSON_GetObjectItem(root, "name");
    printf("name [%s]\n", pName->valuestring);

    cJSON *pAge = cJSON_GetObjectItem(root, "age");
    printf("age  [%d]\n", pAge->valueint);

    cJSON *pSex = cJSON_GetObjectItem(root, "sex");
    printf("sex  [%s]\n", pSex->valuestring);

    cJSON_Delete(root);	// 手动调用 cJSON_Delete 进行内存回收
    
    return 0;
}

3.3.2 一个有一丢丢复杂的例子

对于一个复杂些的 JSON 字符串：

{
    "class_name": "计科一班",
    "stu_num"   : 2,
    "stu_info"  : 
    [
        {
            "name": "张三",
            "age": 18,
            "sex": "男"
        },
        {
            "name": "李四",
            "age": 20,
            "sex": "男"
        }
    ]
}

反序列化该字符串依旧很简单，只需我们在代码中调用cJSON_Parse()即可，而难点在于如何解析。

先来看一下该字符串反序列化后长啥样：

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对于 class_name 以及 stu_name，我们可以很容易就解析出来：

cJSON *pClassName = cJSON_GetObjectItem(root, "class_name");
printf("class name [%s]\n", pClassName->valuestring);

cJSON *pStuNum = cJSON_GetObjectItem(root, "stu_num");
printf("stu num    [%d]\n", pStuNum->valueint);

那么如何获取更深层次的 name、age 以及 sex 呢？

通过 JSON 字符串可以知道，stu_info 是一个 JSON 数组，那么我们首先要做的是将这个数组从 root 中摘出来：

cJSON *pArray = cJSON_GetObjectItem(root, "stu_info");
if (NULL == pArray)
{
    printf("not find stu_info\n");
    goto err;
}

接着将该数组中的各个项依次取出。

cJSON *item_0 = cJSON_GetArrayItem(pArray, 0);
cJSON *item_1 = cJSON_GetArrayItem(pArray, 1);

  • cJSON_GetArrayItem(cJSON *array, int item)：从 JSON 数组 array 中获取第 item 项（下标从 0 开始）

    • 如果存在，则返回相应的 JSON 项

    • 反之返回 NULL。

最后，将 name、age、sex 分别从 item_0 / item_1 中取出即可。

上述操作只是为了讲解如何获取更深层次的 JSON 项，实际操作中会这么写：

int iArraySize = cJSON_GetArraySize(pArray);
for (i = 0; i < iArraySize; i++)
{
    printf("******** Stu[%d] info ********\n", i + 1);

    cJSON *item = cJSON_GetArrayItem(pArray, i);

    cJSON *pName = cJSON_GetObjectItem(item, "name");
    printf("name  [%s]\n", pName->valuestring);

    cJSON *pAge = cJSON_GetObjectItem(item, "age");
    printf("age   [%d]\n", pAge->valueint);

    cJSON *pSex = cJSON_GetObjectItem(item, "sex");
    printf("sex   [%s]\n", pSex->valuestring);
}

就跟剥洋葱似的，先将外层的 stu_info 剥出来，然后在剥出内层的 item，最后将 name、age、sex 从 item 中分离出来。

对于更多层次的 JSON 处理，也是同样的操作，你只需要保证在解析你所需的 JSON 项前，其父节点已被解析。

完整代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <ctype.h>
#include "cJSON.h"

#define STRING_LEN_MAX 2048

void GetJSONFromFile(const char *FILENAME, char **ppcJson)
{
    FILE *fp = fopen(FILENAME, "r");
    if (NULL == fp)
    {
        printf("file open error\n");
        exit(0);
    }

    char *pcJson = (char *)malloc(STRING_LEN_MAX);
    memset(pcJson, 0, STRING_LEN_MAX);

    do
    {
        fgets(pcJson + strlen(pcJson), STRING_LEN_MAX - strlen(pcJson), fp);
    } while (!feof(fp));

    *ppcJson = pcJson;

    fclose(fp);
}

int main()
{
    char *pcJson;

    GetJSONFromFile("test.json", &pcJson);

    cJSON *root = cJSON_Parse(pcJson);
    if (NULL == root)
    {
        printf("fail to call cJSON_Parse\n");
        exit(0);
    }

    cJSON *pClassName = cJSON_GetObjectItem(root, "class_name");
    printf("class name [%s]\n", pClassName->valuestring);

    cJSON *pStuNum = cJSON_GetObjectItem(root, "stu_num");
    printf("stu num    [%d]\n", pStuNum->valueint);

    cJSON *pArray = cJSON_GetObjectItem(root, "stu_info");
    if (NULL == pArray)
    {
        printf("not find stu_info\n");
        goto err;
    }
    int i;
    int iArraySize = cJSON_GetArraySize(pArray);
    for (i = 0; i < iArraySize; i++)
    {
        printf("******** Stu[%d] info ********\n", i + 1);

        cJSON *item = cJSON_GetArrayItem(pArray, i);

        cJSON *pName = cJSON_GetObjectItem(item, "name");
        printf("name  [%s]\n", pName->valuestring);

        cJSON *pAge = cJSON_GetObjectItem(item, "age");
        printf("age   [%d]\n", pAge->valueint);

        cJSON *pSex = cJSON_GetObjectItem(item, "sex");
        printf("sex   [%s]\n", pSex->valuestring);
    }
    
err:
    cJSON_Delete(root); // 手动调用 cJSON_Delete 进行内存回收

    return 0;
}

3.4 序列化 cJSON 结构体

前面我们一直在介绍如何将一个 JSON 字符串反序列化为 cJSON 结构体，下面我们来介绍一下如何将 cJSON 结构体序列化为 JSON 字符串。

首先，我们要先有一个 cJSON 结构体，构造 cJSON 结构体的相关函数如下：

函数 解释说明 返回值
cJSON_CreateObject 创建一个 object 类型的 JSON 项 cJSON *
cJSON_CreateArray 创建一个 array 类型的 JSON 项 cJSON *
cJSON_CreateString 创建一个值为 string 类型的 JSON 项 cJSON *
cJSON_CreateNumber 创建一个值为 number 类型的 JSON 项 cJSON *
cJSON_AddItemToObject 将 JSON 项添加到 object 中 void
cJSON_AddItemToArray 将 JSON 项添加到 array 中 void
cJSON_AddNumberToObject 创建一个值为 number 类型的 JSON 项并添加到 JSON 对象中 void
cJSON_AddStringToObject 创建一个值为 string 类型的 JSON 项并添加到 JSON 对象中 void
cJSON_Print 将 cJSON 结构体序列化为 JSON 字符串（有格式） char *
cJSON_PrintUnformatted 将 cJSON 结构体序列化为 JSON 字符串（无格式） char *
cJSON_Delete 删除 cJSON 结构体 void

3.4.1 一个简单的例子

假设我们想要获取的 JSON 字符串为：

{
    "name": "张三",
    "age": 18,
    "sex": "男"
}

我们该如何构造 cJSON 结构体呢？

还记得这个 JSON 字符串反序列化的样子吗？不记得也没关系，因为我马上就要张贴了????

cJson 学习笔记

根据图示可知，我们要先有一个根节点 root。

由于本次样例中的 JSON 字符串是一个 JSON 对象，所以我们需要通过cJSON_CreateObject()函数来创建一个 object 类型的 root：

cJSON *root = cJSON_CreateObject();

接下来我们需要将 name、age、sex 分别加入到 root 中：

  • 通过cJSON_AddStringToObject()将字符串类型的 name、sex 加入到 root 中
  • 通过cJSON_AddNumberToObject()将数值类型的 age 加入到 root 中

具体操作如下：

cJSON_AddStringToObject(root, "name", "张三");
cJSON_AddNumberToObject(root, "age", 18);
cJSON_AddStringToObject(root, "sex", "男");
  • cJSON_AddStringToObject(object,name,s)：将键值对（name / s）加入到 object 中
  • cJSON_AddNumberToObject(object,name,n)：将键值对（name / n）加入到 object 中

经过上述操作，我们就可以得到如图 6 所示的 cJSON 结构体。那如何获取基于该结构体的 JSON 字符串呢？

很简单，调用函数cJSON_Print()或cJSON_PrintUnformatted()即可实现：

char *pJsonFormatted = cJSON_Print(root);
puts(pJsonFormatted);

char *pJsonUnformatted = cJSON_PrintUnformatted(root);
puts(pJsonUnformatted);

cJSON_Print()和cJSON_PrintUnformatted()，这两个 API 的区别在于：一个是没有格式的，也就是转换出的字符串中间不会有换行、对齐之类的格式存在。而 cJSON_Print 打印出来是我们看起来很舒服的格式，仅此而已。

完整代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <ctype.h>
#include "cJSON.h"

int main()
{
	cJSON *root = cJSON_CreateObject();
	cJSON_AddStringToObject(root, "name", "张三");
	cJSON_AddNumberToObject(root, "age", 18);
	cJSON_AddStringToObject(root, "sex", "男");

	char *pJsonFormatted = cJSON_Print(root);
	puts(pJsonFormatted);
	
	char *pJsonUnformatted = cJSON_PrintUnformatted(root);
	puts(pJsonUnformatted);

	cJSON_Delete(root); // 手动调用 cJSON_Delete 进行内存回收
	
    // 记得回收 pJsonFormatted 和 pJsonUnformatted
	if (NULL != pJsonFormatted)
	{
		free(pJsonFormatted);
	}
	if (NULL != pJsonUnformatted)
	{
		free(pJsonUnformatted);
	}

	return 0;
}

3.4.2 一个有一丢丢复杂的例子

这次我们要获取的 JSON 字符串为：

{
    "class_name": "计科一班",
    "stu_num"   : 2,
    "stu_info"  : 
    [
        {
            "name": "张三",
            "age": 18,
            "sex": "男"
        },
        {
            "name": "李四",
            "age": 20,
            "sex": "男"
        }
    ]
}

对应的反序列化后的模样如下图所示：

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具体做法为：

  1. 首先创建一个 root
  2. 将第二层的 class_name、stu_num、stu_info 加入到 root 中
  3. 构造两个 JSON 项 item_0 和 item_1，并将 name、age、sex 分别加入其中
  4. 最后将 JSON 项 加入到 stu_info 中

大功告成，具体代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <ctype.h>
#include "cJSON.h"

int main()
{
    // 步骤一
	cJSON *root = cJSON_CreateObject();

    // 步骤二
	cJSON_AddStringToObject(root, "class_name", "计科一班");
	cJSON_AddNumberToObject(root, "stu_num", 2);
	
	cJSON *pArray = cJSON_CreateArray();
	cJSON_AddItemToObject(root, "stu_info", pArray);

   	// 步骤三
	cJSON *pObject_1 = cJSON_CreateObject();
	cJSON_AddStringToObject(pObject_1, "name", "张三");
	cJSON_AddNumberToObject(pObject_1, "age", 18);
	cJSON_AddStringToObject(pObject_1, "sex", "男");
	
	cJSON *pObject_2 = cJSON_CreateObject();
	cJSON_AddStringToObject(pObject_2, "name", "李四");
	cJSON_AddNumberToObject(pObject_2, "age", 19);
	cJSON_AddStringToObject(pObject_2, "sex", "男");
    
    // 步骤四
    cJSON_AddItemToArray(pArray, pObject_1);
	cJSON_AddItemToArray(pArray, pObject_2);

	char *pJson = cJSON_Print(root);
	puts(pJson);


	cJSON_Delete(root); // 手动调用 cJSON_Delete 进行内存回收
	if (NULL != pJson)  // 回收 pJson
	{
		free(pJson);
	}
	return 0;
}

参考资料

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