XML与JSON

May 31 2021 Study>Java 24 minutes read (About 3649 words)

XML和JSON是两种经常在网络使用的数据格式。本章我们介绍如何使用Java读写XML和JSON。

XML简介

XML是可扩展标记语言（eXtensible Markup Language）的缩写，它是一种数据表示格式，可以描述非常复杂的数据结构，常用于传输和存储数据。

XML有几个特点：一是纯文本，默认使用UTF-8编码；二是可嵌套，适合表示结构化数据。如果把XML内容存为文件，那它就是一个XML文件。此外，XML内容经常通过网络进行消息传输。

XML的结构

XML有固定的结构，首行必定是<?xml version="1.0"?>，可以加上可选编码。紧接着，如果以类似<!DOCTYPE note SYSTEM "book.dtd">声明的是文档定义类型（DTD：Document Type Definition），DTD是可选的。接下来是XML的文档内容，一个XML文档有且仅有一个根元素，根元素可以包含任意个子元素，元素可以包含属性，例如，<isbn lang="CN">1234567</isbn>包含一个属性lang="CN"，且元素必须正确嵌套。如果是空元素，可以用<tag/>表示。

由于使用了<，>和引号等标识符，如果内容出现了特殊符号，需要使用&???;表示转义。例如，Java<tm>必须写成：

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<name>Java&lt;tm&gt;</name>

常见的特殊字符如下：

字符 表示
< <
> >
& &
“ "
‘ '

格式正确的XML（Well Formed）是指XML的格式是正确的，可以被解析器正确读取。而合法的XML是指，不但XML格式正确，而且它的数据结构可以被DTD或者XSD验证。

DTD文档可以指定一系列规则，例如：

  • 根元素必须是book
  • book元素必须包含name，author等指定元素
  • isbn元素必须包含属性lang
  • …

如何验证XML文件的正确性呢？最简单的方式是通过浏览器验证。可以直接把XML文件拖拽到浏览器窗口，如果格式错误，浏览器会报错。

和结构类似的HTML不同，浏览器对HTML有一定的“容错性”，缺少关闭标签也可以被解析，但XML要求严格的格式，任何没有正确嵌套的标签都会导致错误。

XML是一个技术体系，除了我们经常用到的XML文档本身外，XML还支持：

  • DTD和XSD：验证XML结构和数据是否有效；
  • Namespace：XML节点和属性的名字空间；
  • XSLT：把XML转化为另一种文本；
  • XPath：一种XML节点查询语言；
  • …

实际上，XML的这些相关技术实现起来非常复杂，在实际应用中很少用到，通常了解一下就可以了。

使用DOM

因为XML是一种树形结构的文档，它有两种标准的解析API：

  • DOM：一次性读取XML，并在内存中表示为树形结构
  • SAX：以流的形式读取XML，使用事件回调

我们先来看看如何使用DOM读取XML。

DOM是Document Object Model的缩写，DOM模型就是把XML结构作为一个树形结构来处理，从根节点开始，每个节点都可以包含任意个子节点。

我们以下面的XML为例：

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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<book id="1">
    <name>Java核心技术</name>
    <author>Cay S. Horstmann</author>
    <isbn lang="CN">1234567</isbn>
    <tags>
        <tag>Java</tag>
        <tag>Network</tag>
    </tags>
    <pubDate/>
</book>

如果解析为DOM结构，它大概长这样：

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                      │document │
                      └─────────┘
                           │
                           ▼
                      ┌─────────┐
                      │  book   │
                      └─────────┘
                           │
     ┌──────────┬──────────┼──────────┬──────────┐
     ▼          ▼          ▼          ▼          ▼
┌─────────┐┌─────────┐┌─────────┐┌─────────┐┌─────────┐
│  name   ││ author  ││  isbn   ││  tags   ││ pubDate │
└─────────┘└─────────┘└─────────┘└─────────┘└─────────┘
                                      │
                                 ┌────┴────┐
                                 ▼         ▼
                             ┌───────┐ ┌───────┐
                             │  tag  │ │  tag  │
                             └───────┘ └───────┘

注意到最顶层的document代表XML文档，它是真正的“根”，而<book>虽然是根元素，但它是document的一个子节点。

Java提供了DOM API来解析XML，它使用下面的对象来表示XML的内容：

  • Document：代表整个XML文档；
  • Element：代表一个XML元素；
  • Attribute：代表一个元素的某个属性。

使用DOM API解析一个XML文档的代码如下：

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InputStream input = Main.class.getResourceAsStream("/book.xml");
DocumentBuilderFactory dbf = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder db = dbf.newDocumentBuilder();
Document doc = db.parse(input);

DocumentBuilder.parse()用于解析一个XML，它可以接收InputStream，File或者URL，如果解析无误，我们将获得一个Document对象，这个对象代表了整个XML文档的树形结构，需要遍历以便读取指定元素的值：

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void printNode(Node n, int indent) {
    for (int i = 0; i < indent; i++) {
        System.out.print(' ');
    }
    switch (n.getNodeType()) {
    case Node.DOCUMENT_NODE: // Document节点
        System.out.println("Document: " + n.getNodeName());
        break;
    case Node.ELEMENT_NODE: // 元素节点
        System.out.println("Element: " + n.getNodeName());
        break;
    case Node.TEXT_NODE: // 文本
        System.out.println("Text: " + n.getNodeName() + " = " + n.getNodeValue());
        break;
    case Node.ATTRIBUTE_NODE: // 属性
        System.out.println("Attr: " + n.getNodeName() + " = " + n.getNodeValue());
        break;
    default: // 其他
        System.out.println("NodeType: " + n.getNodeType() + ", NodeName: " + n.getNodeName());
    }
    for (Node child = n.getFirstChild(); child != null; child = child.getNextSibling()) {
        printNode(child, indent + 1);
    }
}

解析结构如下：

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Document: #document
 Element: book
  Text: #text = 
    
  Element: name
   Text: #text = Java核心技术
  Text: #text = 
    
  Element: author
   Text: #text = Cay S. Horstmann
  Text: #text = 
  ...

对于DOM API解析出来的结构，我们从根节点Document出发，可以遍历所有子节点，获取所有元素、属性、文本数据，还可以包括注释，这些节点被统称为Node，每个Node都有自己的Type，根据Type来区分一个Node到底是元素，还是属性，还是文本，等等。

使用DOM API时，如果要读取某个元素的文本，需要访问它的Text类型的子节点，所以使用起来还是比较繁琐的。

小结

Java提供的DOM API可以将XML解析为DOM结构，以Document对象表示；

DOM可在内存中完整表示XML数据结构；

DOM解析速度慢，内存占用大。

使用SAX

使用DOM解析XML的优点是用起来省事，但它的主要缺点是内存占用太大。另一种解析XML的方式是SAX，SAX是Simple API for XML的缩写，它是一种基于流的解析方式，边读取XML边解析，并以时间回调的方式让调用者获取数据。因为是一边读一边解析，所以无论XML有多大，占用的内存都很小。

SAX解析会触发一系列事件：

  • startDocument：开始读取XML文档；
  • startElement：读取到了一个元素，例如<book>；
  • characters：读取到了字符；
  • endElement：读取到了一个结束的元素，例如</book>；
  • endDocument：读取XML文档结束。

如果我们用SAX API解析XML，Java代码如下：

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InputStream input = Main.class.getResourceAsStream("/book.xml");
SAXParserFactory spf = SAXParserFactory.newInstance();
SAXParser saxParser = spf.newSAXParser();
saxParser.parse(input, new MyHandler());

关键代码SAXParser.parse()除了需要传入一个InputStream外，还需要传入一个回调对象，这个对象要继承自DefaultHandler：

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class MyHandler extends DefaultHandler {
    public void startDocument() throws SAXException {
        print("start document");
    }

    public void endDocument() throws SAXException {
        print("end document");
    }

    public void startElement(String uri, String localName, String qName, Attributes attributes) throws SAXException {
        print("start element:", localName, qName);
    }

    public void endElement(String uri, String localName, String qName) throws SAXException {
        print("end element:", localName, qName);
    }

    public void characters(char[] ch, int start, int length) throws SAXException {
        print("characters:", new String(ch, start, length));
    }

    public void error(SAXParseException e) throws SAXException {
        print("error:", e);
    }

    void print(Object... objs) {
        for (Object obj : objs) {
            System.out.print(obj);
            System.out.print(" ");
        }
        System.out.println();
    }
}

运行SAX解析代码，可以打印出下面的结果：

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start document
start element:  book
characters:
     
start element:  name
characters: Java核心技术
end element:  name
characters:
     
start element:  author
...

如果要读取<name>节点的文本，我们就必须在解析过程中根据startElement()和endElement()定位当前正在读取的节点，可以使用栈结构保存。每遇到一个startElement()入栈，每遇到一个endElement()出栈，这样，读到characters()时我们才知道读取的文本是那个节点的。可见，使用SAX API仍然比较麻烦。

使用Jackson

前面我们介绍了DOM和SAX两种解析XML的标准接口，但是，二者使用起来都不直观。

我们观察XML文档的内容，发现，它完全可以对应一个定义号的JavaBean中。如果能直接从XML文档解析成一个JavaBean，那比DOM和SAX不知道容易到哪里去了。

幸运的是，一个名叫Jackson的开源第三方库可以轻松做到XML到JavaBean的转换。我们要使用Jackson，首先添加两个Maven依赖。

  • com.fasterxml.jackson.dataformat:jackson-dataformat-xml:2.10.1
  • org.codehaus.woodstox:woodstox-core-asl:4.4.1

然后，定义好JavaBean，就可以用下面几行代码解析：

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InputStream input = Main.class.getResourceAsStream("/book.xml");
JacksonXmlModule module = new JacksonXmlModule();
XmlMapper mapper = new XmlMapper(module);
Book book = mapper.readValue(input, Book.class);
System.out.println(book.id);
System.out.println(book.name);
System.out.println(book.author);
System.out.println(book.isbn);
System.out.println(book.tags);
System.out.println(book.pubDate);

注意到XmlMapper就是我们需要创建的核心对象，可以用readValue(InputStream, Class)直接读取XML并返回一个JavaBean。运行上述代码，就可以直接从Book对象中拿到数据：

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Java核心技术
Cay S. Horstmann
1234567
[Java, Network]
null

如果要解析的数据格式不是Jackson内置的标准格式，那么需要编写一点额外的扩展来告诉Jackson如何自定义解析，详细请看官方文档。

使用JSON

前面我们讨论了XML这种数据格式。XML的特点是功能全面，但标签繁琐，格式复杂。在Web上使用XML现在越来越少，取而代之的是JSON这种数据结构。

JSON是JavaScript Object Notation的缩写，它去除了所有JavaScript执行代码，只保留JavaScript的对象格式。一个典型的JSON如下：

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{
    "id": 1,
    "name": "Java核心技术",
    "author": {
        "firstName": "Abc",
        "lastName": "Xyz"
    },
    "isbn": "1234567",
    "tags": ["Java", "Network"]
}

JSON作为数据传输格式，有几个显著的优点：

  • JSON只允许使用UTF-8编码，不存在编码问题
  • JSON只允许使用双引号作为key，特殊字符用\转义，格式简单
  • 浏览器内置JSON支持，如果把数据用JSON发送给浏览器，可以用JavaScript直接处理

因此，JSON适合表示层次结构，因为它格式简单，仅支持以下几种数据类型：

  • 键值对：{"key": value}
  • 数组：[1, 2, 3]
  • 字符串："abc"
  • 数值（整数和浮点数）：12.34
  • 布尔值：true或false
  • 空值：null

浏览器直接支持使用JavaScript对JSON进行读写：

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// JSON string to JavaScript object:
jsObj = JSON.parse(jsonStr);

// JavaScript object to JSON string:
jsonStr = JSON.stringify(jsObj);

所以，开发Web应用的时候，使用JSON作为数据传输，在浏览器端非常方便。因为JSON天生适合JavaScript处理，所以，绝大多数REST API都选择JSON作为数据传输格式。

那么，如何用Java对JSON进行读写呢？

常用的用于解析JSON的第三方库有：

  • Jackson
  • Gson
  • Fastjson
  • …

注意到上一节提到的那个可以解析XML的浓眉大眼的Jackson也可以解析JSON！因此我们只需要引入以下Maven依赖：

  • com.fasterxml.jackson.core:jackson-databind:2.10.0

就可以使用下面的代码解析一个JSON文件：

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InputStream input = Main.class.getResourceAsStream("/book.json");
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
// 反序列化时忽略不存在的JavaBean属性:
mapper.configure(DeserializationFeature.FAIL_ON_UNKNOWN_PROPERTIES, false);
Book book = mapper.readValue(input, Book.class);

核心代码是创建一个ObjectMapper对象。关闭DeserializationFeature.FAIL_ON_UNKNOWN_PROPERTIES功能使得解析时如果JavaBean不存在该属性时解析不会报错。

把JSON解析为JavaBean的过程称为反序列化。如果把JavaBean变为JSON，那就是序列化。要实现JavaBean到JSON的序列化，只需要一行代码：

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String json = mapper.writeValueAsString(book);

要把JSON的某些值解析为特定的Java对象，例如LocalDate，也是完全可以的。例如：

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{
    "name": "Java核心技术",
    "pubDate": "2016-09-01"
}

要解析为：

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public class Book {
    public String name;
    public LocalDate pubDate;
}

只需要引入标准的JSR 310关于JavaTime的数据格式定义至Maven：

  • com.fasterxml.jackson.datatype:jackson-datatype-jsr310:2.10.0

然后，在创建ObjectMapper时，注册一个新的JavaTimeModule：

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ObjectMapper mapper = new ObjectMapper().registerModule(new JavaTimeModule());

有些时候，内置的解析规则和扩展的解析规则如果都不满足我们的需求，还可以自定义解析。

举个例子，假设Book类的isbn是一个BigInteger：

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public class Book {
	public String name;
	public BigInteger isbn;
}

但JSON数据并不是标准的整形格式：

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{
    "name": "Java核心技术",
    "isbn": "978-7-111-54742-6"
}

直接解析，肯定报错。这时，我们需要自定义一个IsbnDeserializer，用于解析含有非数字的字符串：

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public class IsbnDeserializer extends JsonDeserializer<BigInteger> {
    public BigInteger deserialize(JsonParser p, DeserializationContext ctxt) throws IOException, JsonProcessingException {
        // 读取原始的JSON字符串内容:
        String s = p.getValueAsString();
        if (s != null) {
            try {
                return new BigInteger(s.replace("-", ""));
            } catch (NumberFormatException e) {
                throw new JsonParseException(p, s, e);
            }
        }
        return null;
    }
}

然后，在Book类中使用注解标注：

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public class Book {
    public String name;
    // 表示反序列化isbn时使用自定义的IsbnDeserializer:
    @JsonDeserialize(using = IsbnDeserializer.class)
    public BigInteger isbn;
}

类似的，自定义序列化时我们需要自定义一个IsbnSerializer，然后在Book类中标注@JsonSerialize(using = ...)即可。

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