如何实现一个json的解析工具

从零开始：如何实现一个自己的JSON解析工具**

JSON（JavaScript Object Notation）作为一种轻量级、易读易写的数据交换格式，已经成为现代软件开发中不可或缺的一部分，从Web API的数据传输到配置文件存储，JSON无处不在，大多数编程语言都提供了内置的或第三方的高性能JSON解析库，但理解JSON解析的内部原理，并尝试自己动手实现一个简单的JSON解析器，对于提升编程功底和计算机科学素养大有裨益，本文将带你一步步如何实现一个基础的JSON解析工具。

理解JSON语法

在动手之前,我们首先要明确JSON的语法规则，JSON值可以是以下几种类型：

对象（Object）：无序的键值对集合，以开始，以结束，键必须是字符串，值可以是任意JSON类型，键值对之间用逗号分隔。{"name": "Alice", "age": 30, "isStudent": false}。
数组（Array）：有序的值列表，以 [ 开始，以 ] 结束，值之间用逗号分隔。[1, "hello", true, null]。
字符串（String）：由双引号包围的零个或多个Unicode字符。"Hello, World!"。
数字（Number）：整数或浮点数，123, -456, 14, -2.5e-3。
布尔值（Boolean）：true 或 false。
空值（Null）：null。

JSON中的空白字符（空格、制表符、换行符、回车符）可以在值之间出现，但通常不影响解析。

解析策略：选择合适的解析方法

实现JSON解析器主要有两种方法：

基于正则表达式（Regex）：通过编写复杂的正则表达式来匹配JSON的各种token（如字符串、数字、字面量true/false/null等），这种方法对于非常简单的JSON或许可行，但JSON的字符串中可以包含转义字符，数字的格式也相对复杂，用正则表达式处理起来容易出错且难以维护，不推荐用于生产环境。
基于状态机/递归下降（Recursive Descent）：这是更常用且更健壮的方法，我们可以将JSON解析过程分解为一系列相互递归的函数，每个函数负责解析一种JSON结构（如对象、数组、字符串等），这种方法更符合JSON的语法结构，逻辑清晰，易于扩展和调试。

本文将重点介绍递归下降方法。

递归下降解析器实现步骤

我们将以类C的伪代码（或具体如Python/Java等语言）来阐述实现步骤，一个基本的解析器通常包含以下几个部分：

词法分析（Lexical Analysis / Tokenization）

虽然递归下降解析器可以边读取字符边解析,但预先将输入的JSON字符串转换成一系列“词法单元”（Token）会使解析逻辑更清晰，Token是JSON中最小的有意义单元，如：左花括号、右花括号、左方括号 [、右方括号 ]、冒号、逗号、字符串、数字、true、false、null。

实现思路： 创建一个词法分析器（Lexer），它接收一个JSON字符串作为输入，逐个字符读取，识别出Token，并将其和一个结束标记（如EOF）一起返回给解析器。

function tokenize(jsonString):
    tokens = []
    index = 0
    while index < length of jsonString:
        char = jsonString[index]
        if char is whitespace:
            skip (index++)
        elif char is '{':
            tokens.add(new Token(OBJECT_START, '{'))
            index++
        elif char is '}':
            tokens.add(new Token(OBJECT_END, '}'))
            index++
        elif char is '[':
            tokens.add(new Token(ARRAY_START, '['))
            index++
        elif char is ']':
            tokens.add(new Token(ARRAY_END, ']'))
            index++
        elif char is ':':
            tokens.add(new Token(COLON, ':'))
            index++
        elif char is ',':
            tokens.add(new Token(COMMA, ','))
            index++
        elif char is '"': // 字符串
            // 解析字符串内容，处理转义字符
            start = index
            index++
            while index < length of jsonString and jsonString[index] != '"':
                if jsonString[index] == '\\':
                    index++ // 跳过转义字符
                index++
            if index >= length of jsonString:
                error("Unterminated string")
            value = substring(jsonString, start + 1, index) // 不包含引号
            tokens.add(new Token(STRING, value))
            index++ // 跳过结束引号
        elif char is 't' and following characters are "rue":
            tokens.add(new Token(TRUE, true))
            index += 4
        elif char is 'f' and following characters are "alse":
            tokens.add(new Token(FALSE, false))
            index += 5
        elif char is 'n' and following characters are "ull":
            tokens.add(new Token(NULL, null))
            index += 4
        elif char is '-' or char is digit: // 数字
            start = index
            index++
            while index < length of jsonString and (jsonString[index] is digit or jsonString[index] is '.' or jsonString[index] is 'e' or jsonString[index] is 'E' or jsonString[index] is '+' or jsonString[index] is '-'):
                index++
            numberStr = substring(jsonString, start, index)
            // 将numberStr转换为数字类型（int或float）
            tokens.add(new Token(NUMBER, parseNumber(numberStr)))
        else:
            error("Unexpected character: " + char)
    tokens.add(new Token(EOF, ""))
    return tokens

语法分析（Syntactic Analysis / Parsing）

有了Token流,我们就可以开始解析了，递归下降解析器的核心是针对每个语法规则编写一个解析函数。

核心解析函数：

parseValue()：根据当前Token的类型，决定调用哪个具体的解析函数（parseObject(), parseArray(), parseString(), parseNumber(), parseTrue(), parseFalse(), parseNull()）。

function parseValue(tokens, currentTokenIndex):
    token = tokens[currentTokenIndex]
    if token.type == OBJECT_START:
        return parseObject(tokens, currentTokenIndex)
    elif token.type == ARRAY_START:
        return parseArray(tokens, currentTokenIndex)
    elif token.type == STRING:
        return token.value, currentTokenIndex + 1
    elif token.type == NUMBER:
        return token.value, currentTokenIndex + 1
    elif token.type == TRUE:
        return true, currentTokenIndex + 1
    elif token.type == FALSE:
        return false, currentTokenIndex + 1
    elif token.type == NULL:
        return null, currentTokenIndex + 1
    else:
        error("Unexpected token: " + token.type)

parseObject()：解析对象。

function parseObject(tokens, currentIndex):
    expect(tokens, currentIndex, OBJECT_START) // 消耗掉{
    currentIndex++
    result = new empty object/map
    if tokens[currentIndex].type != OBJECT_END: // 空对象的情况
        while true:
            key = expect(tokens, currentIndex, STRING).value // 解析键
            currentIndex++
            expect(tokens, currentIndex, COLON) // 消耗掉:
            currentIndex++
            value, currentIndex = parseValue(tokens, currentIndex) // 解析值
            result[key] = value
            if tokens[currentIndex].type == COMMA:
                currentIndex++ // 消耗掉,
            elif tokens[currentIndex].type == OBJECT_END:
                break
            else:
                error("Expected ',' or '}' in object")
    expect(tokens, currentIndex, OBJECT_END) // 消耗掉}
    currentIndex++
    return result, currentIndex

parseArray()：解析数组，与parseObject类似，只是处理的是[和]以及逗号分隔的值列表。

function parseArray(tokens, currentIndex):
    expect(tokens, currentIndex, ARRAY_START) // 消耗掉[
    currentIndex++
    result = new empty array/list
    if tokens[currentIndex].type != ARRAY_END: // 空数组的情况
        while true:
            value, currentIndex = parseValue(tokens, currentIndex) // 解析值
            result.add(value)
            if tokens[currentIndex].type == COMMA:
                currentIndex++ // 消耗掉,
            elif tokens[currentIndex].type == ARRAY_END:
                break
            else:
                error("Expected ',' or ']' in array")
    expect(tokens, currentIndex, ARRAY_END) // �