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如何保持json序列化的顺序性？

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共 5585字，需浏览 12分钟

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2021-01-17 09:20

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  作者 |  等你归去来

来源 |  urlify.cn/7RvEni

76套java从入门到精通实战课程分享

　说到json,相信没有人会陌生,我们天天都在用。那么，我们来讨论个问题，json有序吗？是谁来决定的呢？如何保持？

　　说到底，json是框架还是啥？实际上它只是一个数据格式，一个规范标准，它永远不会限制实现方的任何操作，即不会自行去保证什么顺序性之类的。json的格式仅由写入数据的一方决定其长像如何。而数据读取一方，则按照json的协议标准进行解析，即可理解原数据的含义。json拥有较为丰富的数据格式，所以对当前应用还是比较友好的。

　　那么，我们如何处理json的顺序性呢？


1. 保持json有序的思路

　　首先，我们要澄清有序性的概念：从某种程度上，我们可以把json看作是一个个的kv组成的数据，从这个层面上来讲，我们可以把有序性定义为json的key保持有序，先假设为字典序吧，那么就说这个json数据是有序的。

　　其次，因为json的数据支持嵌套，所以，我们应该需要保持每一层的数据都有序，才是完整有序的。

　　ok, 理解完有序的概念，下面我们来看看如何实现有序？

　　json本身是不可能保持有序了，所以，当我们自行写入json数据时，只需要按照 abcde... 这种key顺序写入数据，那么得到的最终json就是有序的。

　　但我们一般都是使用对象进行程序变换的，所以，就应该要从对象中取出有序的key, 然后序列化为json.

　　这里保持有序，至少有两个层面的有序：1. kv形式的key的有序; 2. 列表形式的数据有序; 还有其他可能非常复杂的有序性需求，比如按照某字段有序，倒序。。。

　　所以，想保持json有序很简单，保证有序写入就可以了。（貌似等于没有说哦）

 

2. 保持json有序的应用场景举例

　　为什么要保持json有序呢？json相当于kv数据，一般情况下我们是不需要保证有序的，但有些特殊情况下也许有用。比如我有两份json数据，我想比较它们是否是相等的时候！

　　比如第一份数据是 {"a":1, "b":2}, 第二份数据是 {"b":2, "a":1}, 那么你说这两份数据是否是相等的呢？相等或不相等依据是啥？

　　如果对于固定数据结构的json, 那么也许我们可以直接取出每个key的值，然后进行比较，全部相等则相等成立，否则不相等。

　　但对于json本身就是各种不确定的数据组成，如果我们限制死必须取某些key, 那么这个通用性就很差了。所以，我们要想比较两个json是否相等，还应该要有另外的依据。

　　另外，当我们将有序json写入文件之后，当key的数据非常多时，有序实际上可以辅助我们快速找到对应的key所在的位置。这是有序性带来的好处，快速查找！

　　比如下面的例子，对比两个结果集是否相等，你觉得结果当如何呢？

@Test
    public void testJsonObjectOrder() {
        String res1, res2;
        List> nList;
        Map data = new HashMap<>();
        data.put("d", "cd");
        data.put("a", 1);
        data.put("b", 0.45);
        data.put("total", 333);
        List> list = new ArrayList<>();
        Map item1 = new HashMap<>();
        item1.put("aa", 1);
        item1.put("ee", 5);
        item1.put("bb", 6);
        item1.put("nn", null);
        list.add(item1);
        Map item2 = new HashMap<>();
        item2.put("xxx", "000");
        item2.put("q", 2);
        item2.put("a", "aa");
        list.add(item2);
        data.put("sub", list);


        Map nData = new HashMap<>(data);
        nData.put("c", null);
        nData.put("abc", null);

        res1 = JSONObject.toJSONString(data);
        res2 = JSONObject.parseObject(JSONObject.toJSONString(nData)).toJSONString();
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等default", res1, res2);

        res2 = JSONObject.toJSONString(JSONObject.parseObject(
                JSONObject.toJSONString(nData, SerializerFeature.SortField)),
                SerializerFeature.SortField);
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等sort", res1, res2);

        nList = new ArrayList<>();
        nList.add(item2);
        nList.add(item1);
        nData.put("sub", nList);
        res2 = JSONObject.parseObject(JSONObject.toJSONString(nData)).toJSONString();
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等array", res1, res2);

    }

　　以上是fastjson库进行json序列化的处理方式，json的数据结构大部分使用可以用map进行等价，除了纯数组的结构以外。以上测试中，除了最后一个array的位置调换，导致的结果不一样之外，总体还是相等的。纠其原因，是因为原始数据结构是一致的，而fastjson从一定程度上维持了这个有序性。

　　

3. fastjson维护json的有序性的实现

　　很显然，让我们自行写json的工具类，还是有一定的难度的，至少要想高效完整地写json是困难的。所以，一般我们都是借助一些现有的开源类库。

　　上一节中说到，fastjson维护了json一定的顺序性，但是并非完整维护了顺序性，它的顺序性要体现在，相同的数据结构序列化的json，总能得到相同的反向的相同数据结构的数据。比如，ArrayList 的顺序性被维护，map的顺序性被维护。

　　但是很明显，这些顺序性是根据数据结构的特性而定的，而非所谓的字典序，那么，如果我们想维护一个保持字典序的json如何处理呢？看看下面的实现：

public class JsonObjectTest {

    @Test
    public void testJsonObjectOrder() {
        String res1, res2;
        List> nList;
        Map data = new HashMap<>();
        data.put("d", "cd");
        data.put("a", 1);
        data.put("b", 0.45);
        data.put("total", 333);
        List> list = new ArrayList<>();
        Map item1 = new HashMap<>();
        item1.put("aa", 1);
        item1.put("ee", 5);
        item1.put("bb", 6);
        item1.put("nn", null);
        list.add(item1);
        Map item2 = new HashMap<>();
        item2.put("xxx", "000");
        item2.put("q", 2);
        item2.put("a", "aa");
        list.add(item2);
        data.put("sub", list);


        Map nData = new HashMap<>(data);
        nData.put("c", null);
        nData.put("abc", null);

        res1 = JSONObject.toJSONString(data);
        res2 = JSONObject.parseObject(JSONObject.toJSONString(nData)).toJSONString();
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等default", res1, res2);

        res2 = JSONObject.toJSONString(JSONObject.parseObject(
                JSONObject.toJSONString(nData, SerializerFeature.SortField)),
                SerializerFeature.SortField);
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等sort", res1, res2);

        res2 = JSONObject.toJSONString(JSONObject.parseObject(
                JSONObject.toJSONString(nData, SerializerFeature.WriteMapNullValue)),
                SerializerFeature.WriteMapNullValue);
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等null", res1, res2);

        nList = new ArrayList<>();
        nList.add(item2);
        nList.add(item1);
        nData.put("sub", nList);
        res2 = JSONObject.parseObject(JSONObject.toJSONString(nData)).toJSONString();
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等array", res1, res2);

        nList = new ArrayList<>();
        nList.add(item2);
        nList.add(item1);
        nData.put("sub", nList);
        res1 = transformDataToJSONAsOrderWay(data);
        res2 = transformDataToJSONAsOrderWay(nData);
        Assert.assertEquals("序列化结果不相等array-s", res1, res2);



    }

    /**
     * 将原始数据转换为有序的集合
     */
    private String transformDataToJSONAsOrderWay(Map data) {
        TreeMap transformedData = new TreeMap<>();
        for (Map.Entry entry : data.entrySet()) {
            if(entry.getValue() == null) {
                continue;
            }
            if(entry.getValue() instanceof List) {
                TreeMap tmpMap = new TreeMap<>();
                List value = (List) entry.getValue();
                for (int i = 0; i < (value).size(); i++) {
                    Object it1 = value.get(i);
                    // 假设只支持二维数组嵌套
                    tmpMap.put(transformDataToJSONAsOrderWay((Map) it1), i);
                }
                List orderedList = new ArrayList<>(tmpMap.size());
                for (Integer listNo : tmpMap.values()) {
                    orderedList.add(value.get(listNo));
                }
                transformedData.put(entry.getKey(), orderedList);
                continue;
            }
            transformedData.put(entry.getKey(), entry.getValue());
        }
        return JSONObject.toJSONString(transformedData);
    }
}
　　以上就是完整的基于fastjson实现的json字典序维持的实现了，其实就是 transformDataToJSONAsOrderWay() 方法，其原理也简单，因fastjson的有序性，依赖于输入的数据结构，那么只要维护好输入结构的字典序就好了。TreeMap 是以字典序排序key的一种数据结构，符合这需求，另外，将list这种数据结构，转化为kv这种数据结构，将整个item作为key排序后，再将其放入对应位置，从而保证了整体的顺序性。但这种list的顺序性，不一定是大家所理解的字典序，但一定可以保证得到相同的顺序。
　　另外，fastjson中还考虑了对于null值的处理，比如json中有null值的数据与没有null值的数据，你说是相等呢还是不相等呢？
 
4. hashmap数据结构的顺序迭代原理
　　map是一种kv型的数据结构存储，一般可以认为其是无序的。但我们可以额外的维护一些属性，以保证它能够以某种顺序输出数据，顺序性主要体现在进行迭代时，如使用 keyset(), values(), entrySet() 等方法。针对额外维护顺序性的数据结构而言，其迭代自然是基于其额外字段。但针对无序的hashmap这种数据结构而言，我们知道其底层数据是根据hash值乱序存储的。简单来说就是根据一个hash值，然后求余定位到一个数组下标中。即对hashmap所分配的数组对象的下标，有可能有值，有可能没有值，那么在做迭代的时候如何做呢？多次做迭代的顺序一致吗？一个最简单的思路自然是依次遍历数据的每个元素，直到数据的最大值。这样，肯定是可以保证多次遍历的顺序性的。那么，hashmap是否是这样实现的呢？
// java.util.HashMap#forEach
    @Override
    public void forEach(BiConsumersuper K, ? super V> action) {
        Node[] tab;
        if (action == null)
            throw new NullPointerException();
        if (size > 0 && (tab = table) != null) {
            int mc = modCount;
            // 1. 迭代所有数组元素
            // 2. 迭代hash冲突时的链表
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                    action.accept(e.key, e.value);
            }
            if (modCount != mc)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
        // java.util.HashMap.EntrySet#forEach
        public final void forEach(Consumersuper Map.Entry> action) {
            Node[] tab;
            if (action == null)
                throw new NullPointerException();
            if (size > 0 && (tab = table) != null) {
                int mc = modCount;
                for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                    for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                        action.accept(e);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
        // keySet(), 换成了取key的处理
        // java.util.HashMap.KeySet#forEach
        public final void forEach(Consumersuper K> action) {
            Node[] tab;
            if (action == null)
                throw new NullPointerException();
            if (size > 0 && (tab = table) != null) {
                int mc = modCount;
                for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                    for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                        action.accept(e.key);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
        // values() 换成了取value的处理
        // java.util.HashMap.Values#forEach
        public final void forEach(Consumersuper V> action) {
            Node[] tab;
            if (action == null)
                throw new NullPointerException();
            if (size > 0 && (tab = table) != null) {
                int mc = modCount;
                for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                    for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                        action.accept(e.value);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
　　LinkedHashMap是按照插入的顺序排列的一种map, 它与ArrayList这种有序性有相似性，但相对难以理解一些。因为list这种数据结构，你说先插入哪个元素，后插入哪个元素，是显而易见的。然而像map这种数据结构，你很想像它是先插入某元素，再插入另一个元素的，这是一种先入为主的概念导致的。但它并不影响我们理解map有序性的实现，LinkedHashMap的迭代实现如下：
// java.util.TreeMap#forEach
    @Override
    public void forEach(BiConsumersuper K, ? super V> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        int expectedModCount = modCount;
        // 从最小的key开始取，进行二叉树的中序遍历
        // 因该二叉树在插入时维护了有序性，进行遍历时也就有了顺序了
        for (Entry e = getFirstEntry(); e != null; e = successor(e)) {
            action.accept(e.key, e.value);

            if (expectedModCount != modCount) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }
    
    /**
     * Returns the successor of the specified Entry, or null if no such.
     */
    static  TreeMap.Entry successor(Entry t) {
        if (t == null)
            return null;
        else if (t.right != null) {
            Entry p = t.right;
            while (p.left != null)
                p = p.left;
            return p;
        } else {
            Entry p = t.parent;
            Entry ch = t;
            while (p != null && ch == p.right) {
                ch = p;
                p = p.parent;
            }
            return p;
        }
    }
　　ok, 到此我们分析了多个类型的map的有序性的实现。从内部解释了为什么我们使用TreeMap数据结构时，就可以使json保持字典序了。因为fastjson在写json数据时，针对map的写入，就是通过entrySet()迭代元素进行写入的了。

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