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C语言中如何使用JSON：从入门到实践指南

在现代软件开发中,JSON（JavaScript Object Notation）已成为数据交换的事实标准，它轻量、易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成，C语言作为一种底层、高效的系统编程语言，本身并没有内置对JSON的原生支持，在C语言项目中，我们该如何高效地操作JSON数据呢？

本文将为你提供一个全面的指南,介绍在C语言中使用JSON的主流方法，包括选择合适的库、解析、生成、查询以及一个完整的项目实践。

核心挑战：C语言与JSON的“天然隔阂”

C语言的核心是结构化的过程式编程和直接的内存管理,而JSON是一种基于文本的、灵活的键值对结构，这种根本性的差异导致了几个挑战：

无动态类型：C语言是静态类型语言，而JSON的值可以是字符串、数字、布尔、数组、对象或null，我们需要一种机制来表示这种多样性。
无内置数据结构：JSON的对象（类似字典）和数组在C语言中没有直接对应的内建类型，我们需要使用结构体、联合体和指针来模拟它们。
手动内存管理：解析JSON时需要动态分配内存来构建数据结构，使用完毕后必须手动释放，否则会导致内存泄漏。

为了解决这些问题,我们必须借助第三方库。

选择合适的JSON库

C语言的JSON库生态非常丰富,各有侧重，以下是几个最流行和推荐的库：

库名	特点	适用场景
cJSON	轻量级、单文件、C标准，API简单直观，解析速度快，易于集成到任何项目中，是初学者和小型项目的首选。	嵌入式系统、资源受限环境、需要快速集成的项目。
Jansson	功能丰富、类型安全、纯C库，提供了完善的错误处理机制，API设计更现代化，支持迭代器等高级特性。	中大型项目，对代码健壮性和可维护性要求高的场景。
YAJL (Yet Another JSON Library)	事件驱动、流式解析，它不会一次性将整个JSON文档加载到内存，而是边读取边解析，非常适合处理大型JSON文件。	解析GB级别甚至更大的JSON文件，或处理来自网络的数据流。
Parson	极简、单文件，API设计非常简洁，代码量极少，几乎零学习成本，功能上介于cJSON和更复杂的库之间。	追求极致简洁，对功能要求不高的快速原型项目。

对于大多数开发者,cJSON 是一个绝佳的起点，本文将以 cJSON 为例，详细讲解其使用方法。

使用cJSON进行实战操作

cJSON的设计非常直观,它将JSON的每一个元素（对象、数组、字符串等）都表示为一个 cJSON 结构体指针。

准备工作

你需要获取cJSON的源代码,最简单的方式是通过GitHub：

git clone https://github.com/DaveGamble/cJSON.git

进入 cjson 目录，你会看到 cJSON.h 和 cJSON.c 这两个核心文件，在你的项目中包含它们即可。

解析JSON字符串

解析是JSON操作的第一步,假设我们有以下JSON字符串：

{
    "name": "John Doe",
    "age": 30,
    "isStudent": false,
    "courses": ["Math", "Science", "History"],
    "address": {
        "city": "New York",
        "zip": "10001"
    }
}

解析代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "cJSON.h"
void print_json_details(cJSON *item);
int main() {
    const char *json_string = "{"
        "\"name\": \"John Doe\","
        "\"age\": 30,"
        "\"isStudent\": false,"
        "\"courses\": [\"Math\", \"Science\", \"History\"],"
        "\"address\": {"
            "\"city\": \"New York\","
            "\"zip\": \"10001\""
        "}"
    "}";
    // 1. 解析JSON字符串
    cJSON *root = cJSON_Parse(json_string);
    if (root == NULL) {
        const char *error_ptr = cJSON_GetErrorPtr();
        if (error_ptr != NULL) {
            fprintf(stderr, "Error before: %s\n", error_ptr);
        }
        return 1;
    }
    // 2. 获取数据
    cJSON *name = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "name");
    if (cJSON_IsString(name) && (name->valuestring != NULL)) {
        printf("Name: %s\n", name->valuestring);
    }
    cJSON *age = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "age");
    if (cJSON_IsNumber(age)) {
        printf("Age: %d\n", age->valueint);
    }
    cJSON *is_student = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "isStudent");
    if (cJSON_IsBool(is_student)) {
        printf("Is Student: %s\n", cJSON_IsTrue(is_student) ? "true" : "false");
    }
    // 3. 遍历数组
    cJSON *courses = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "courses");
    if (cJSON_IsArray(courses)) {
        int course_count = cJSON_GetArraySize(courses);
        printf("Courses:\n");
        for (int i = 0; i < course_count; i++) {
            cJSON *course = cJSON_GetArrayItem(courses, i);
            printf("  - %s\n", course->valuestring);
        }
    }
    // 4. 访问嵌套对象
    cJSON *address = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "address");
    if (cJSON_IsObject(address)) {
        cJSON *city = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(address, "city");
        printf("City: %s\n", city->valuestring);
    }
    // 5. 释放内存 - 非常重要！
    cJSON_Delete(root);
    return 0;
}

代码解析：

cJSON_Parse(): 将JSON字符串解析成一个cJSON对象树。
cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(): 从JSON对象中根据键名获取子项，注意 CaseSensitive 表示键名区分大小写。
cJSON_IsString(), cJSON_IsNumber(), cJSON_IsBool(), cJSON_IsArray(), cJSON_IsObject(): 类型判断宏，用于安全地获取数据。
valuestring, valueint, valuedouble: 用于获取具体值的成员。
cJSON_GetArraySize(): 获取数组的长度。
cJSON_GetArrayItem(): 根据索引获取数组中的元素。
cJSON_Delete(): 至关重要！ 递归地释放整个JSON对象树占用的所有内存，忘记调用这行代码会导致严重的内存泄漏。

生成JSON字符串

生成JSON与解析是相反的过程,我们从最内层的元素开始，逐步构建外层结构。

生成代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "cJSON.h"
int main() {
    // 1. 创建最外层的对象
    cJSON *root = cJSON_CreateObject();
    // 2. 添加键值对
    cJSON_AddStringToObject(root, "name", "Jane Doe");
    cJSON_AddNumberToObject(root, "age", 28);
    cJSON_AddBoolToObject(root, "isStudent", cJSON_False);
    // 3. 创建并添加数组
    cJSON *courses = cJSON_CreateArray();
    cJSON_AddItemToArray(courses, cJSON_CreateString("Literature"));
    cJSON_AddItemToArray(courses, cJSON_CreateString("Art"));
    cJSON_AddItemToObject(root, "courses", courses);
    // 4. 创建并添加嵌套对象
    cJSON *address = cJSON_CreateObject();
    cJSON_AddStringToObject(address, "city", "Boston");
    cJSON_AddStringToObject(address, "zip", "02108");
    cJSON_AddItemToObject(root, "address", address);
    // 5. 将JSON对象转换为格式化的字符串
    char *json_string = cJSON_Print(root);
    if (json_string) {
        printf("Generated JSON:\n%s\n", json_string);
        // 如果想生成未格式化的（无空格和换行）字符串，使用 cJSON_PrintUnformatted(root)
    }
    // 6. 释放内存
    free(json_string); // cJSON_Print分配了内存，需要手动释放
    cJSON_Delete(root);
    return 0;
}

代码解析：

cJSON_CreateObject(): 创建一个空的JSON对象。
cJSON_CreateArray(): 创建一个空的JSON数组。
cJSON_CreateString(), cJSON_CreateNumber(), cJSON_CreateBool(): 创建对应类型的JSON项。