C++实现对Json数据的友好处理

背景

C/C++客户端需要接收和发送JSON格式的数据到后端以实现通讯和数据交互。C++没有现成的处理JSON格式数据的接口，直接引用第三方库还是避免不了拆解拼接。考虑到此项目将会有大量JSON数据需要处理，避免不了重复性的拆分拼接。所以打算封装一套C++结构体对象转JSON数据、JSON数据直接装C++结构体对象的接口，类似于数据传输中常见的序列化和反序列化，以方便后续处理数据，提高开发效率。

设计

目标：

1. 通过简单接口就能将C++结构体对象实例转换为JSON字符串数据，或将一串JSON字符串数据加载赋值到一个C++结构体对象实例。理想接口：Json2Object(inJsonString, outStructObject)，或者Object2Json(inStructObject, outJsonString)
2. 支持内置基本类型如bool，int，double的Json转换，支持自定义结构体的Json转换，支持上述类型作为元素数组的Json转换，以及支持嵌套的结构体的Json转换

效果：

先上单元测试代码

TEST_CASE("解析结构体数组到JSON串", "[json]")
{
    struct DemoChildrenObject
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;
        /*JSON相互转换成员变量声明（必需）*/
        JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(boolValue, intValue, strValue)
    };

    struct DemoObjct
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;
        /*嵌套的支持JSON转换的结构体成员变量，数组形式*/
        std::vector< DemoChildrenObject> children;
        
        /*JSON相互转换成员变量声明（必需）*/
        JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(boolValue, intValue, strValue, children)
    };

    DemoObjct demoObj;
    /*开始对demoObj对象的成员变量进行赋值*/
    demoObj.boolValue = true;
    demoObj.intValue = 321;
    demoObj.strValue = "hello worLd";

    DemoChildrenObject child1;
    child1.boolValue = true;
    child1.intValue = 1000;
    child1.strValue = "hello worLd child1";

    DemoChildrenObject child2;
    child2.boolValue = true;
    child2.intValue = 30005;
    child2.strValue = "hello worLd child2";

    demoObj.children.push_back(child1);
    demoObj.children.push_back(child2);
    /*结束对demoObj对象的成员变量的赋值*/

    std::string jsonStr;
    /*关键转换函数*/
    REQUIRE(Object2Json(jsonStr, demoObj)); 
    std::cout << "returned json format: " << jsonStr << std::endl;

    /*打印的内容如下：
    returned json format: {
       "boolValue" : true,
       "children" : [
          {
             "boolValue" : true,
             "intValue" : 1000,
             "strValue" : "hello worLd child1"
          },
          {
             "boolValue" : true,
             "intValue" : 30005,
             "strValue" : "hello worLd child2"
          }
       ],
       "intValue" : 321,
       "strValue" : "hello worLd"
    }
    */
    
    DemoObjct demoObj2;
    /*关键转换函数*/
    REQUIRE(Json2Object(demoObj2, jsonStr));

    /*校验转换后的结构体变量中各成员变量的内容是否如预期*/
    REQUIRE(demoObj2.boolValue == true);
    REQUIRE(demoObj2.intValue == 321);
    REQUIRE(demoObj2.strValue == "hello worLd");

    REQUIRE(demoObj2.children.size() == 2);

    REQUIRE(demoObj.children[0].boolValue == true);
    REQUIRE(demoObj.children[0].intValue == 1000);
    REQUIRE(demoObj.children[0].strValue == "hello worLd child1");

    REQUIRE(demoObj.children[1].boolValue == true);
    REQUIRE(demoObj.children[1].intValue == 30005);
    REQUIRE(demoObj.children[1].strValue == "hello worLd child2");
}

实现

本次我们只关注怎么友好地在结构体与Json字符串之间进行转换，而不深入关注JSon字符串具体如何与基本数据类型进行转换。这个已经有不少的第三方库帮我们解决这个问题，如cJSON、Jsoncpp、rapidjson，不必再重复造轮子。

此次我们选择了JsonCPP作为底层的JSON解析支持，如果想替换成其他三方库也比较简单，修改对应嵌入的内容即可。

我们的目标是实现两个接口：

• Json2Object(inJsonString, outStructObject)

• Object2Json(inStructObject, outJsonString)

结合JsonCPP自身定义的类型，我们进一步需要实现的是：

• Json2Object(const Json::Value& jsonTypeValue, outStructObject)

• Object2Json(inStructObject, const std::string& key, Json::Value& jsonTypeValue)

基本数据类型转换

对于如bool、int、double、string等基本数据类型，该实现均较为简单：

/*int 类型支持*/
static bool Json2Object(int& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isInt()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asInt();
        return true;
    }
}

static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const int& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

/*std::string 字符串类型支持*/
static bool Json2Object(std::string& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isString()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asString();
        return true;
    }
}

static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const std::string& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

自定义数据结构类型

对于自定义的结构体类型，我们要做的就是要保证其成员变量能够与JSON节点一一对应，并能够匹配进行数据填充。

   /*Json字符串：
   {
   "boolValue" : true,
   "intValue" : 1234,
   "strValue" : "demo object!"
   }*/

   struct DemoObjct
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;
    };

如上面示例，在相互转换过程中，"boolValue"能与DemoObjct对象中名为boolValue的成员变量对应，"strValue"与DemoObjct对象中名为strValue的成员变量对应。

正常情况下，对于这种场景，我们只能对DemoObjct结构体额外实现处理函数进行数据转换，因不同的结构体声明定义的成员变量都不一样，所以针对每个结构体均需要单独实现，工作繁琐，不通用。

从这里下手，我们要做的就是“隐藏”针对类结构体实现的转换函数，利用语言自身的特性（函数模板等）让他们帮我们去做这些事情。

1. 声明转换成员函数，在这个成员函数实现里，让每个成员变量能从JSON原生数据中读取或写入值。
2. 注册成员变量，目的是让转换成员函数知道需要处理哪些成员变量，每个成员变量又对应JSON原生数据中的哪个节点字段，以便匹配读写。
3. 在外部调用Json2Object 和Object2Json函数时，触发调用该转换成员函数，以便填充或输出成员变量的内容。

把大象装进冰箱里只需要三步，我们来看这三步怎么走。

成员变量处理

• 考虑到每个结构体的成员变量类型和数量不可控，并且需要将每个成员变量作为左值（Json2Object时），不能简单采用数组枚举方式处理，可以采用C++11的特性——可变参数模板，从里到外遍历处理每个成员变量

template <typename T>
static bool JsonParse(const std::vector<std::string>& names, int index, const Json::Value& jsonTypeValue, T& arg)
{
    const auto key = names[index];
    if (!jsonTypeValue.isMember(key) || Json2Object(arg, jsonTypeValue[key])) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

template <typename T, typename... Args>
static bool JsonParse(const std::vector<std::string>& names, int index, const Json::Value& jsonTypeValue, T& arg, Args&... args)
{
    if (!JsonParse(names, index, jsonTypeValue, arg)) {
        return false;
    } else {
        return JsonParse(names, index + 1, jsonTypeValue, args...);
    }
}

• 成员变量与JSON原生节点key字段有对应关系，初步先简单考虑，将成员变量名称先视为JSON中对应节点的key名称。这个可以通过宏定义的特性实现，将声明注册的成员变量内容作为字符串拆分出key名称列表。

#define JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(...)  \
bool ParseHelpImpl(const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    std::vector<std::string> names = Member2KeyParseWithStr(#__VA_ARGS__);
    return JsonParse(names, 0, jsonTypeValue, __VA_ARGS__);
}

成员变量注册

例如DemoObjct这个类结构体，添加JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER并带上成员变量的注册声明：

   struct DemoObjct
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;
       
       JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(boolValue, intValue, strValue)
           
    };

等同于：

   struct DemoObjct
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;
       
       bool ParseHelpImpl(const Json::Value& jsonTypeValue, 
                          std::vector<std::string> &names)
        {
            names = Member2KeyParseWithStr("boolValue, intValue, strValue");
            //names 得到 ["boolValue","intValue", "strValue"]
            //然后带着这些key逐一从Json中取值赋值到成员变量中
            return JsonParse(names, 0, jsonTypeValue, boolValue, intValue, strValue);
        }      
    };

模板匹配防止编译报错

到目前为止，核心的功能已经实现。如果目标结构体类未添加JSON转换的声明注册，外部在使用Json2Object接口时会导致编译报错，提示找不到ParseHelpImpl这个成员函数的声明定义……，我们可以采用enable_if来给未声明注册宏的结构体提供缺省函数。

template <typename TClass, typename enable_if<HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Json2Object(TClass& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    std::vector<std::string> names = PreGetCustomMemberNameIfExists(aimObj);
    return aimObj.JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(jsonTypeValue, names);
}

template <typename TClass, typename  enable_if<!HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Json2Object(TClass& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    return false;
}

成员变量匹配Key重命名

目前的实现均为将成员变量的名称作为JSON串中的Key名称，为灵活处理，再补充一个宏用于重新声明结构体成员变量中对应到JSON串中的key，例如：

    struct DemoObjct
    {
        bool boolValue;
        int intValue;
        std::string strValue;

        JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(boolValue, intValue, strValue)
        /*重新声明成员变量对应到JSON串的key，注意顺序一致*/
        JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_RENAME_REGISTER("bValue", "iValue", "sValue")
    };

    DemoObjct demoObj;
    /*boolValue <--> bValue; intValue <--> iValue; ...*/
    REQUIRE(Json2Object(demoObj, std::string("{\"bValue\":true, \"iValue\":1234, \"sValue\":\"demo object!\"}")));
    REQUIRE(demoObj.boolValue == true);
    REQUIRE(demoObj.intValue == 1234);
    REQUIRE(demoObj.strValue == "demo object!");

Object2Json实现

上面提到为大多为实现Json2Object接口所提供的操作，从结构体对象转成Json也是类似的操作，这里就不再阐述，详细可参考源码。

亮点

• 简化C++对JSON数据的处理，屏蔽注意拆分处理JSON数据的操作；
• 提供简易接口，从结构体到JSON串、JSON串转结构体切换自如

源码

#include "json/json.h"
#include <string>
#include <vector>
#include <initializer_list>

#define JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER(...)  \
bool JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(const Json::Value& jsonTypeValue, std::vector<std::string> &names) \
{     \
    if(names.size() <= 0)  { \
        names = Member2KeyParseWithStr(#__VA_ARGS__); \
    }   \
    return JsonParse(names, 0, jsonTypeValue, __VA_ARGS__); \
}   \
bool OBJECTCONVERT2JSON_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(Json::Value& jsonTypeValue, std::vector<std::string> &names) const \
{     \
    if(names.size() <= 0)  { \
        names = Member2KeyParseWithStr(#__VA_ARGS__); \
    }   \
    return ParseJson(names, 0, jsonTypeValue, __VA_ARGS__); \
}   \


#define JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_RENAME_REGISTER(...)  \
std::vector<std::string> JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_RENAME_REGISTER_RESERVERD_IMPLE() const \
{     \
    return Member2KeyParseWithMultiParam({ __VA_ARGS__ }); \
}

namespace JSON
{
template <bool, class TYPE = void>
struct enable_if
{
};

template <class TYPE>
struct enable_if<true, TYPE>
{
    typedef TYPE type;
};
} //JSON

template <typename T>
struct HasConverFunction
{
    template <typename TT>
    static char func(decltype(&TT::JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE)); //@1
    
    template <typename TT>
    static int func(...); //@2

    const static bool has = (sizeof(func<T>(NULL)) == sizeof(char));

    template <typename TT>
    static char func2(decltype(&TT::JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_RENAME_REGISTER_RESERVERD_IMPLE)); //@1
    template <typename TT>
    static int func2(...); //@2
    const static bool has2 = (sizeof(func2<T>(NULL)) == sizeof(char));
};

static std::vector<std::string> Member2KeyParseWithMultiParam(std::initializer_list<std::string> il)
{
    std::vector<std::string> result;
    for (auto it = il.begin(); it != il.end(); it++) {
        result.push_back(*it);
    }
    return result;
}

inline static std::string NormalStringTrim(std::string const& str)
{
    static char const* whitespaceChars = "\n\r\t ";
    std::string::size_type start = str.find_first_not_of(whitespaceChars);
    std::string::size_type end = str.find_last_not_of(whitespaceChars);
    return start != std::string::npos ? str.substr(start, 1 + end - start) : std::string();
}

inline static std::vector<std::string> NormalStringSplit(std::string str, char splitElem)
{
    std::vector<std::string> strs;
    std::string::size_type pos1, pos2;
    pos2 = str.find(splitElem);
    pos1 = 0;
    while (std::string::npos != pos2) {
        strs.push_back(str.substr(pos1, pos2 - pos1));
        pos1 = pos2 + 1;
        pos2 = str.find(splitElem, pos1);
    }
    strs.push_back(str.substr(pos1));
    return strs;
}

static std::vector<std::string> Member2KeyParseWithStr(const std::string& values)
{
    std::vector<std::string> result;
    auto enumValues = NormalStringSplit(values, ',');
    result.reserve(enumValues.size());
    for (auto const& enumValue : enumValues) {
        result.push_back(NormalStringTrim(enumValue));
    }
    return result;
}

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static bool Json2Object(bool& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isBool()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asBool();
        return true;
    }
}
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, bool value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

static bool Json2Object(int& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isInt()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asInt();
        return true;
    }
}
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const int& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

static bool Json2Object(unsigned int& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isUInt()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asUInt();
        return true;
    }
}
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const unsigned int& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

static bool Json2Object(double& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isDouble()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asDouble();
        return true;
    }
}
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const double& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

static bool Json2Object(std::string& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isString()) {
        return false;
    } else {
        aimObj = jsonTypeValue.asString();
        return true;
    }
}
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeValue, const std::string& key, const std::string& value)
{
    jsonTypeValue[key] = value;
    return true;
}

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<HasConverFunction<TClass>::has2, int>::type = 0>
static inline std::vector<std::string> PreGetCustomMemberNameIfExists(const TClass& aimObj)
{
    return aimObj.JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_RENAME_REGISTER_RESERVERD_IMPLE();
}

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<!HasConverFunction<TClass>::has2, int>::type = 0>
static inline std::vector<std::string> PreGetCustomMemberNameIfExists(const TClass& aimObj)
{
    return std::vector<std::string>();
}

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Json2Object(TClass& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    std::vector<std::string> names = PreGetCustomMemberNameIfExists(aimObj);
    return aimObj.JSONCONVERT2OBJECT_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(jsonTypeValue, names);
}

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<!HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Json2Object(TClass& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    return false;
}

template <typename T>
static bool Json2Object(std::vector<T>& aimObj, const Json::Value& jsonTypeValue)
{
    if (jsonTypeValue.isNull() || !jsonTypeValue.isArray()) {
        return false;
    } else {
        aimObj.clear();
        bool result(true);
        for (int i = 0; i < jsonTypeValue.size(); ++i) {
            T item;
            if (!Json2Object(item, jsonTypeValue[i])) {
                result = false;
            }
            aimObj.push_back(item);
        }
        return result;
    }
}

template <typename T>
static bool JsonParse(const std::vector<std::string>& names, int index, const Json::Value& jsonTypeValue, T& arg)
{
    const auto key = names[index];
    if (!jsonTypeValue.isMember(key) || Json2Object(arg, jsonTypeValue[key])) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

template <typename T, typename... Args>
static bool JsonParse(const std::vector<std::string>& names, int index, const Json::Value& jsonTypeValue, T& arg, Args&... args)
{
    if (!JsonParse(names, index, jsonTypeValue, arg)) {
        return false;
    } else {
        return JsonParse(names, index + 1, jsonTypeValue, args...);
    }
}

/** Provider interface*/
template<typename TClass>
bool Json2Object(TClass& aimObj, const std::string& jsonTypeStr)
{
    Json::Reader reader;
    Json::Value root;

    if (!reader.parse(jsonTypeStr, root) || root.isNull()) {
        return false;
    }
    return Json2Object(aimObj, root);
}

static bool GetJsonRootObject(Json::Value& root, const std::string& jsonTypeStr)
{
    Json::Reader reader;
    if (!reader.parse(jsonTypeStr, root)) {
        return false;
    }
    return true;
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeOutValue, const std::string& key, const TClass& objValue)
{
    std::vector<std::string> names = PreGetCustomMemberNameIfExists(objValue);
    if (key.empty()) {
        return objValue.OBJECTCONVERT2JSON_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(jsonTypeOutValue, names);
    } else {
        Json::Value jsonTypeNewValue;
        const bool result = objValue.OBJECTCONVERT2JSON_MEMEBER_REGISTER_RESERVERD_IMPLE(jsonTypeNewValue, names);
        if (result) {
            jsonTypeOutValue[key] = jsonTypeNewValue;
        }
        return result;
    }
}

template <typename TClass, typename JSON::enable_if<!HasConverFunction<TClass>::has, int>::type = 0>
static inline bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeOutValue, const std::string& key, const TClass& objValue)
{
    return false;
}

template <typename T>
static bool Object2Json(Json::Value& jsonTypeOutValue, const std::string& key, const std::vector<T>& objValue)
{
    bool result(true);
    for (int i = 0; i < objValue.size(); ++i) {
        Json::Value item;
        if (!Object2Json(item, "", objValue[i])) {
            result = false;
        } else {
            if (key.empty()) jsonTypeOutValue.append(item);
            else jsonTypeOutValue[key].append(item);
        }
     }
    return result;
}

template <typename T>
static bool ParseJson(const std::vector<std::string>& names, int index, Json::Value& jsonTypeValue, const T& arg)
{
    if (names.size() > index) {
        const std::string key = names[index];
        return Object2Json(jsonTypeValue, key, arg);
    } else {
        return false;
    }
}

template <typename T, typename... Args>
static bool ParseJson(const std::vector<std::string>& names, int index, Json::Value& jsonTypeValue, T& arg, Args&... args)
{
    if (names.size() - (index + 0) != 1 + sizeof...(Args)) {
        return false;
    }
    const std::string key = names[index];
    Object2Json(jsonTypeValue, key, arg);

    return ParseJson(names, index + 1, jsonTypeValue, args...);
}

/** Provider interface*/
template<typename T>
bool Object2Json(std::string& jsonTypeStr, const T& obj)
{
    //std::function<Json::Value()>placehoder = [&]()->Json::Value { return Json::Value(); };
    //auto func = [&](std::function<Json::Value()>f) { return f(); };
    //Json::Value val = func(placehoder);

    Json::StyledWriter writer;
    Json::Value root;
    const bool result = Object2Json(root, "", obj);
    if (result) {
        jsonTypeStr = writer.write(root);
    }
    return result;
}

参考文档

• C++类结构体与json相互转换
• C++ 轻量级对象JSON序列化实现