Python 进阶语法：JSON

news2024/10/6 22:25:11

1 什么是 JSON？

1.1 JSON 的定义

  • JSON 是 JavaScript Object Notation 的简写，字面上的意思是 JavaScript 对象标记。
  • 本质上，JSON 是轻量级的文本数据交换格式。轻量级，是拿它与另一种数据交换格式XML进行比较，相当轻量简洁。数据交换格式，说明JSON是一种数据格式。
  • 字符串是JSON的一个表现形式，符合JSON格式的字符串就是JSON字符串。
  • JSON 独立于语言：JSON 使用 Javascript语法来描述数据对象，但是 JSON 仍然独立于语言和平台。
  • JSON 解析器和 JSON 库支持许多不同的编程语言。 JSON 可以和每一种语言下面特定的一种数据结构进行交换。如 JSON 数据对象可以转换成 Python 里的字典（dict）。

1.2 JSON 的优势

XML 在 JSON 出现之前，是一个主流的数据交换格式，大部分互联网上的服务，它们之间交换数据的时候都采用XML的格式。但是自从轻量级的 JSON 出现了之后，使用 XML 的越来越少了。

  • 易于阅读：XML稍显复杂，看起来的时候比较费劲，但是 JSON 数据就很容易，一看就能知道它是什么意思。
  • 易于解析：JSON 作为了一个数据交换格式，存在一个组装和被解析的过程，这也是强于 XML 的地方，它更容易被解析出来。
  • 网络传输效率高：由于JSON 比较轻量简洁，所以，对于同样一个信息，JSON 的数据量更少一些，在网络上传输的效率更高一些。
  • 跨语言交换数据：JSON 独立于语言和平台，非常简单和轻易地实现跨语言数据交换。

1.3 JSON 的数据结构

1.3.1 对象：大括号 {} 保存的对象是一个无序的名称/值对集合。
{ "name":"Alice", "age":18, "hight":null }
  •  JSON 对象在大括号 {...} 中书写。
  • 对象可以包含多个 key/value（键/值）对。
  • 每个 key/value 对使用逗号 , 分割。
  • key 和 value 中使用冒号 : 分割。
  • key 必须是字符串（在双引号中），value 可以是合法的 JSON 数据类型（字符串（在双引号中）, 数字（整数或浮点数）, 对象（在大括号中）, 数组（在中括号中）, 布尔值或 null）。
1.3.2 数组：中括号 [] 保存的数组是值（value）的有序集合。
  •  JSON 数组在中括号中 [...] 书写。
  • JSON 中数组值必须是合法的 JSON 数据类型（字符串, 数字, 对象, 数组, 布尔值或 null）。
  • 数组可包含多个对象。对象属性的值可以是一个数组。
{
    "sites": [
        { "name":"菜鸟教程" , "url":"www.runoob.com" }, 
        { "name":"google" , "url":"www.google.com" }, 
        { "name":"微博" , "url":"www.weibo.com" }
    ]
}
  • JSON 对象中数组可以包含另外一个数组，或者另外一个 JSON 对象
myObj = {
    "name":"网站",
    "num":3,
    "sites": [
        { "name":"Google", "info":[ "Android", "Google 搜索", "Google 翻译" ] },
        { "name":"Runoob", "info":[ "菜鸟教程", "菜鸟工具", "菜鸟微信" ] },
        { "name":"Taobao", "info":[ "淘宝", "网购" ] }
    ]
}

2 Python的内置模块JSON

在Python中，用我们已知的一些内置数据类型，如列表、字典、元组、集合来操作数据结构会比直接操作JSON字符串要方便和简单的多。

JSON是可以跨语言和平台的，与语言无关的。每一个JSON字符串都可以每个语言里面找到一个对应的数据结构。

在Python中，提供了一个内置模块JSON，这个模块有一系列的方法来帮助我们操作JSON数据。

2.1 反序列化

在编程里面，有一个术语，叫反序列化。用来定义由字符串到某一种语言下面的某一种数据结构的解析过程。

2.1.1 使用 json.loads() 把JSON对象字符串转换成 Python 字典
import json

json_str = '{"name":"Alice","age":18}'

student = json.loads(json_str)

print(type(student))   # 返回：<class 'dict'>，说明json.loads()返回的是一个字典
print(student)   # 返回：{'name': 'Alice', 'age': 18}
print(student['name'])  # 返回：Alice
print(student['age'])   # 返回：18

这个 JSON 字符串在 JavaScript 里面表示的是一个 JSON 对象，但是，在 Python 里面它变成了一个字典。

对于同样的这样的一个 JSON 字符串，不同的语言，有可能把 JSON 字符串会变成不同的数据类型，怎么理解呢？我们在 Python 里面，确实是把这样的一个 JSON 字符串转换成了一个字典类型，但是，其他的一些语言有可能不是把它转成这样的一个字典类型，有可能会把它转换成另外的数据结构，比如哈希列表等等，这个呢，都是不一定的。

JSON 字符串对应到 JSON 数据结构里面，它表示的是 JSON 的一个对象。但是，它转换到Python 里面来的时候，是用一个字典的方式来承载 JSON 对象所表示的信息。

在 JSON 数据格式里面啊，它并不仅仅只有 JSON 对象（object）这一种数据类型。它还有数组（array）。

2.1.2 使用 json.loads() 把 JSON 数组字符串转换成 Python 列表
import json

json_str = '[{"name":"Alice","age":18},{"name":"John","age":20}]'

student = json.loads(json_str)
print(type(student))   # 返回：<class 'list'>，说明json.loads()返回的是一个列表
print(student)   # 返回：[{'name': 'Alice', 'age': 18}, {'name': 'John', 'age': 20}]

这个 JSON 字符串在 JavaScript 里面表示的是一个 JSON 数组，但是，在 Python 里面它变成了一个含有两个字典的列表。

为什么这个列表的内部元素是两个字典呢？这是与 JSON 字符串相对应的，JSON 字符串是一个数组，对应 Python 的列表，数组内部是两个 JSON对象，所以对应 Python 的是两个字典。

2.1.3 布尔值的转换
import json

json_str = '[{"name":"Alice","flags":false},{"name":"John","flags":true}]'

student = json.loads(json_str)
print(type(student))   # 返回：<class 'list'>，说明json.loads()返回的是一个列表
print(student)   # 返回：[{'name': 'Alice', 'flags': False}, {'name': 'John', 'flags': True}]

上例中，我们把 JSON 字符串中的数据 flags 的值改成一个布尔值。在 JSON 数据格式里面，布尔值是小写的 false 或者 true 。注意：布尔值不是字符串，我们不需要加双引号。

我们注意一下在 Python 中解析出来的结果：小写的 false 和 true 转换成了首字母大写的 False 和 True 。

2.1.4 本节小结

举了这么多事例呢，无非是想告诉大家，JSON 有自己的一些数据类型。而我们用 json.loads()函数最主要做的一件事情，就是把 JSON 的数据类型转化成 Python 自己的数据类型。

JSON和Python之间的数据类型对比
数据类型JSONPython
字符串JSON中的字符串必须是双引号（"）包围的。Python中的字符串可以使用单引号（'）或双引号（"）包围。
数字JSON支持整数和浮点数Python中的数字类型更加丰富，包括整数（int）、浮点数（float）、复数（complex）等
布尔值JSON支持true和false两个布尔值。Python使用True和False表示布尔值（注意大小写）。
数组/列表JSON使用数组（array）来表示一组有序的值。Python使用列表（list）来表示一组有序的元素。
对象/字典JSON使用对象（object）来表示键值对的集合。Python使用字典（dict）来表示键值对的集合。
null值JSON有一个null值，表示空或不存在的值。Python使用None来表示空或不存在的值。
其他数据Python还支持更多的数据类型，如元组（tuple）、集合（Set）、日期时间等，而JSON则没有这些数据类型。

上面的内容给大家演示了 JSON 的数据类型到 Python 数据类型的转换方法，就是使用 json.loads()，但是，要强调的是上面所讲的重点并不是介绍如何使用 json.loads() ，关键是想要告诉大家这样的一个 JSON 和 Python 之间的转换关系，这一点比我们会使用 json.loads() ，要重要的太多了。

2.2 序列化

序列化就是把 Python 的数据类型向 JSON 数据类型转换的一个过程。它同样是调用了 JSON 模块下面的一个函数 json.dumps() 。

2.2.1 使用 json.dumps() 把 Python 列表转换成 JSON 数组字符串
import json

# 把Python列表转换成JSON字符串
python_list = [
                {'name':'Alice','age':'18','flags':False},
                {'name':'John','age':'20'}
              ]

json_string = json.dumps(python_list)
print(type(python_list))    # <class 'list'>,这里是python的一个列表
print(type(json_string))    # <class 'str'>,这里是一个JSON字符串
print(json_string)
# 返回一个JSON数组
# [{"name": "Alice", "age": "18", "flags": false}, {"name": "John", "age": "20"}]

在这段代码中，我们使用 Python 的 JSON 模块将 Python 列表（python_list）转换成了 JSON 格式的字符串（json_string）。这个过程主要涉及到 json.dumps() 函数，该函数的作用是将Python 对象（如列表、字典等）序列化成 JSON 格式的字符串。

  1. Python列表：python_list是一个Python列表，其中包含两个字典。每个字典都代表一个人的信息，包括名字（name）、年龄（age）和标志（flags）。

  2. json.dumps()函数：json.dumps()函数用于将Python对象转换（或称为“序列化”）为JSON格式的字符串。这个函数非常有用，当你需要将Python数据结构与JSON格式相互转换时。

    • python_list作为参数传递给json.dumps()。
    • 函数遍历python_list中的每个元素（在这里是字典），并将它们转换为JSON格式。
    • 在转换过程中，字典的键和字符串值被直接转换，而整数和布尔值也被相应地转换。
    • 转换后的JSON字符串被赋值给json_string变量。

  3. 类型检查：python_list的类型是<class 'list'>，表示它是一个Python列表。而json_string的类型是<class 'str'>，表示它是一个字符串，即JSON格式的字符串。

  4. 打印JSON字符串：输出的结果是一个JSON数组，其中包含两个对象（对应于原始Python列表中的两个字典）。

注意点：

  • 在JSON中，所有的键和字符串值都必须用双引号（"）包围，而不是单引号（'）。
  • Python中的布尔值False在JSON中表示为false（全部小写）。
  • Python中的整数和浮点数在转换为JSON时不会改变，但Python中的字符串（即使是数字形式的字符串）在JSON中仍然被视为字符串。例如，年龄'18'和'20'在JSON中仍然是字符串，而不是数字。

通过这个过程，我们可以方便地在 Python 和 JSON 之间转换数据，这对于与Web服务交互或存储和读取数据非常有用。这就叫做序列化。

这里要跟大家强调一下，并不是和 JSON 相关的这样一系列的转化才叫做序列化，如果我们把 XML的字符串向 Python 的数据结构转换，或者，把 Python 的数据结构向 XML字符串转换，它这个过程也称为序列化或者反序列化。

（小提示：怎样把一个对象存储到数据库里去呢？

数据库是一个二维表，它没有办法去表示一个对象的结构。所以，一个方法就是把对象序列化成JSON 字符串或者 XML字符串。然后把字符串存到这个数据库里去。

当你要需要这个对象的时候，可以把这个字符串从数据库里读出来，然后再进行反序列化的过程。但是，实际上这个是不可取的，因为效率太低了。这个办法在操作数据库或者是其他类型的数据库，还是比较适合去存储一些比较简单的数据结构。

而像对象这种东西，应该把对象拆成一个二维表结构，也就是说把对象分成一个个的属性，把它存到这数据库里会比较合适。强烈反对把对象给序列化之后，以字符串的形式存储到数据库里。）

2.2.2 序列化的意义

上一节，我们写了一个 JSON 字符串，然后把它给反序列化成了 Python 字典。但是，我们要考虑的是这个 JSON 字符串是从哪里来的呢？

这不太可能是我们自己一个一个地写出来的。其实，一般情况下这个 JSON 字符串还是我们通过序列化的过程来的。有可能是通过其他语言序列化之后，通过一个服务的形式传给我们的。

下面举一个比较实际的例子，比如：

  • 通过豆瓣的API（https://api.douban.com/v2/movie/top250）服务，获取一个JSON字符串。

{
"msg":"invalid_apikey, Please contact bd-team@douban.com for authorized access.",
"code":104,
"request":"GET \/v2\/movie\/top250"
}
  • 拿到 JSON 字符串，就可以把它变成 Python 里面的数据结构，从而获取到 JSON 字符串里面的相关数据信息

从这个事例可以看到：为什么说 JSON 是一个数据交换的格式呢？我们可以明显的看到这个数据是从豆瓣的服务这里以 JSON 数据格式的形式，传送到我们自己的浏览器。既然是数据，它就必然要有一个承载的格式。大多数情况都是选择用 JSON 数据格式来传递数据。

3 对 JSON 理解上的误区

JSON、JSON对象、JSON字符串这三者的区别，如果在网上搜一搜，说法各种各样、五花八门，不能说它错，但并不全面。

网上对于这三者的解释都没有跳出 JavaScript 这样的一个范围，都是站在 JavaScript 这个特定语言的角度阐述这三者的区别。所以，我们要跳出语言的范畴来看待这三个不同的名词。

3.1 JSON 并不是为 JavaScript 量身定制的

因为 JSON 的数据交换和 JavaScript 是没有什么区别的，很多人很容易会认为 JavaScript 很特殊，它和 JSON 是有一些特殊关系的。

其实没有，那么造成这种误区的原因？可能有两个方面：

第一个方面是 JSON数据类型和JavaScript 的数据类型太过于相似。所以，很多人一直搞不清楚 JSON 和 JavaScript 的关系。

JavaScript 和 JSON 之间的关系：JavaScript这个语言它只是一个标准的实现方案之一，这个标准就是EcmaScript。还有以前写flash程序的时候，有个ActionScript。这个其实也是实现这个EcmaScript 标准的另外一种语言。我们可以把 JSON 也理解为是实现 EcmaScript 标准的一个的版本。

JSON 并不是JavaScript的一个附属品，这一点呢，大家一定要清楚。所以，某种程度上来说，JSON 可以看作是和 JavaScript 平齐的一种语言。因为 JSON 和JavaScript 都是对 EcmaScript 这个规范和标准的实现。

第二个方面是 JSON最开始的时候，在外部前后端分离的过程中起到了重要的作用。而我们服务器的语言有很多很多种，但是前端里边，现在最主流的就是一个JavaScript。因为 JSON 被大量的应用于JavaScript的交互中，所以会让很多人产生这样的一个误区。

3.2 JSON对象确实存在，但它的定义非常片面

那么对应到三个名词上面，JSON字符串、JSON，我们不再说了。我们重点要说的是这个JSON对象。JSON对象确实存在，但它的定义非常片面。

片面在什么地方呢？如果把JSON对象放到JavaScript里面来说的话呢？JSON对象这个说法是成立的，但是问题是：如果跳出了这个JavaScript的范畴，比如说放到Phthon里面，其实是没有JSON对象这个说法的啊。所以，如果你在搜索引擎里面去搜索JSON字符串和JSON对象的区别，绝大多数的答案都是以 JavaScript 这个语言为蓝本的。

3.3  JSON 我们应该把它理解成一个中间的语言格式

JSON 是一个比较独立的数据类型。它和 JavaScript 没有特定的关系。跳出语言层面，如果我们要实现在两种不同的语言之间传递数据：

第一种情况：世界上只有两种语言，我们可以直接按照一定的规则，把A语言的数据类型转换成B语言的数据类型就可以了，JSON没有存在的必要。

第二种情况：显然，第一种情况是不存在的，目前已经有许多种语言，要实现两两之间的转换，就需要写若干种规则，这显然也是不靠谱的，这时就需要有一种中间类型的语言（或者一种中间的数据类型的格式）来作为一个标准，所有的语言都向这个中间数据类型来转换，这样就可以实现不同语言之间的快速转换。

所以，很多时候，我们应该把它理解成是一个中间的数据类型的转换格式。

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