.NET 5的System.Text.Json的JsonDocument类讲解

本文内容来自我写的开源电子书《WoW C#》，现在正在编写中，可以去WOW-Csharp/学习路径总结.md at master · sogeisetsu/WOW-Csharp (github.com)来查看编写进度。预计2021年年底会完成编写，2022年2月之前会完成所有的校对和转制电子书工作，争取能够在2022年将此书上架亚马逊。编写此书的目的是因为目前.NET市场相对低迷，很多优秀的书都是基于.NET framework框架编写的，与现在的.NET 6相差太大，正规的.NET 5学习教程现在几乎只有MSDN，可是MSDN虽然准确优美但是太过琐碎，没有过阅读开发文档的同学容易一头雾水，于是，我就编写了基于.NET 5的《WoW C#》。本人水平有限，欢迎大家去本书的开源仓库sogeisetsu/WOW-Csharp关注、批评、建议和指导。

解析JSON字符串

注意本文重点讲解的是解析，而非序列化，关于序列化请查看WOW-Csharp/数组和集合.md at master · sogeisetsu/WOW-Csharp (github.com)。

c#解析json字符串在.NET 5的首选是使用System.Text.Json的JsonDocument类。

格式化输出

想要格式化输出，需要先把字符串转变成一个JsonDocument实例化对象，然后在序列化这个对象的时候指定JsonSerializerOptions为整齐打印。

// 先定义一个json字符串
string jsonText = "{\"ClassName\":\"Science\",\"Final\":true,\"Semester\":\"2019-01-01\",\"Students\":[{\"Name\":\"John\",\"Grade\":94.3},{\"Name\":\"James\",\"Grade\":81.0},{\"Name\":\"Julia\",\"Grade\":91.9},{\"Name\":\"Jessica\",\"Grade\":72.4},{\"Name\":\"Johnathan\"}],\"Teacher'sName\":\"Jane\"}";
Console.WriteLine(jsonText);
// 将表示单个 JSON 字符串值的文本分析为 JsonDocument
JsonDocument jsonDocument = JsonDocument.Parse(jsonText);
// 序列化
string formatJson = JsonSerializer.Serialize(jsonDocument, new JsonSerializerOptions()
                                             {
                                                 // 整齐打印
                                                 WriteIndented = true,
                                                 Encoder = JavaScriptEncoder.Create(UnicodeRanges.All)
                                             });
// 格式化输出
Console.WriteLine(formatJson);

这个比较麻烦，我们可以将其制作成拓展方法。

internal static class JsonDocumentExtensions
{
    internal static string JDFormatToString(this JsonDocument jsonDocument)
    {
        return JsonSerializer.Serialize(jsonDocument, new JsonSerializerOptions()
                                        {
                                            WriteIndented = true,
                                            Encoder=JavaScriptEncoder.Create(UnicodeRanges.All)
                                        });
    }

    internal static string TOJsonString(this string str)
    {
        JsonDocument jsonDocument = JsonDocument.Parse(str);
        return JsonSerializer.Serialize(jsonDocument, new JsonSerializerOptions()
                                        {
                                            WriteIndented = true,
                                            Encoder = JavaScriptEncoder.Create(UnicodeRanges.All)
                                        });
    }
}

这样就可以用类似于下面的方法直接调用了：

// jsondocument 格式化输出为json字符串
string a = jsonDocument.JDFormatToString();
// 格式化字符串
string b = jsonText.TOJsonString();

JSON DOM

对JSON进行DOM操作.NET提供了两种官方方法，分别是JsonDocumenth和JSonNode，其中JsonNode提供了创建可变 DOM 的能力，它更加强大和简单，但是JsonNode是.NET 6的内容，鉴于.NET 6的稳定版刚刚发布，所以本文还是讲解JsonDocumenth。.NET 6是一个LTS版本，它于2021年11月8日正式发布，会支持到2024年11月8日，详情可以查看.NET and .NET Core official support policy (microsoft.com)，笔者会在.NET 5结束支持之前（2022 年 5 月 8 日）写一篇关于JSonNode的文章作为本文的Patch。

JsonDocument 提供了使用 Utf8JsonReader 构建只读 DOM 的能力。可以通过 JsonElement 类型访问组成有效负载的 JSON 元素。 JsonElement 类型提供数组和对象枚举器以及用于将 JSON 文本转换为常见 .NET 类型的 API。 JsonDocument 公开一个 RootElement 属性。

关于JsonDocument，MSDN上有一篇非常好的讲解文章How to use a JSON document, Utf8JsonReader, and Utf8JsonWriter in System.Text.Json | Microsoft Docs，这一部分笔者更多的是采用MSDN上面的例子，此部分在某种意义上可以看作对How to use a JSON document, Utf8JsonReader, and Utf8JsonWriter in System.Text.Json的翻译。

用作例子的Json数据如下：

{
    "Class Name": "Science",
    "Teacher's Name": "Jane",
    "Semester": "2019-01-01",
    "Students": [
        {
            "Name": "John",
            "Grade": 94.3
        },
        {
            "Name": "James",
            "Grade": 81
        },
        {
            "Name": "Julia",
            "Grade": 91.9
        },
        {
            "Name": "Jessica",
            "Grade": 72.4
        },
        {
            "Name": "Johnathan"
        }
    ],
    "Final": true
}

方法概述

先将其反序列化成JsonDocument对象：

Console.WriteLine("对json字符串进行dom操作");
string jsonText = "{\"ClassName\":\"Science\",\"Final\":true,\"Semester\":\"2019-01-01\",\"Students\":[{\"Name\":\"John\",\"Grade\":94.3},{\"Name\":\"James\",\"Grade\":81.0},{\"Name\":\"Julia\",\"Grade\":91.9},{\"Name\":\"Jessica\",\"Grade\":72.4},{\"Name\":\"Johnathan\"}],\"Teacher'sName\":\"Jane\"}";
JsonDocument jsonDocument = JsonDocument.Parse(jsonText);

获取当前JsonDocument的根元素（JsonElement类型）：

JsonElement root = jsonDocument.RootElement;

RootElement是json数据的根，后续所有的操作都与其息息相关。

GetProperty根据键名，获取根元素下的元素（JsonElement类型）：

JsonElement students = root.GetProperty("Students");

GetArrayLength获取数组属性的长度（如果将此方法用于非数组类型的json值会报错）：

// 获取数组长度
Console.WriteLine(students.GetArrayLength());

可以对值类型为数组的JsonElement使用EnumerateArray ()方法来获取枚举器（IEnumerator），从而进行循环操作：

// EnumerateArray 一个枚举器，它用于枚举由该 JsonElement 表示的 JSON 数组中的值。
foreach (JsonElement student in students.EnumerateArray())
{
    Console.WriteLine(student);
    Console.WriteLine(student.ValueKind);// object
    // 获取属性Name的string值
    Console.WriteLine(student.GetProperty("Name").GetString());
}

获取值

对于JsonElement获取元素值的方式比较复杂，首先需要知道值的类型，然后根据值的类型来选择方法，方法列表可以从JsonElement 结构 (System.Text.Json) | Microsoft Docs查看，比如值的类型是double，就使用GetDouble()来获取json数字（double类型）:

Console.WriteLine(student.GetProperty("Grade").GetDouble());

如果当前的值是string类型，就使用GetString()来获取json字符串：

Console.WriteLine(semester.GetString());

总之，为了获取准确的json值，必须提前知道json值的类型。这样才会最大限度保证不会出错。

获取和判读Json值的类型

可以使用JsonElement的ValueKind属性来获取值类型：

Console.WriteLine(students.ValueKind);

ValueKind属性的类型是名为JsonValueKind的枚举类型。JsonValueKind的字段如下：

Array	2	JSON 数组。
False	6	JSON 值 false。
Null	7	JSON 值 null。
Number	4	JSON 数字。
Object	1	JSON 对象。
String	3	JSON 字符串。
True	5	JSON 值 true。
Undefined	0	没有值（不同于 Null）。

故可以使用像下面这种判断相等的方式来检测数据类型：

Console.WriteLine(students.ValueKind == JsonValueKind.Array); // true

检查属性是否存在

可以使用TryGetProperty方法来根据键来判断元素是否存在，demo如下：

root.TryGetProperty("Name", out JsonElement value)

存在就返回true，不存在就返回false，TryGetProperty的第一个参数是键名，第二个参数是用out关键字修饰的JsonElement类型，如果此属性存在，会将其值分配给 value 参数。

借助TryGetProperty既可以判断属性是否存在，也能在属性存在的情况下获取该属性对应的JsonElement，demo：

// 检查存在
Console.WriteLine(root.TryGetProperty("Semester", out JsonElement value));
// 使用被分配的JsonElement
Console.WriteLine(value.GetString());

MSDN的demo更具备实用性：

if (student.TryGetProperty("Grade", out JsonElement gradeElement))
{
    sum += gradeElement.GetDouble();
}
else
{
    sum += 70;
}

如何在 JsonDocument 和 JsonElement 中搜索子元素

对 JsonElement 的搜索需要对属性进行顺序搜索，因此速度相对较慢（例如在使用 TryGetProperty 时）。 System.Text.Json 旨在最小化初始解析时间而不是查找时间。因此，在搜索 JsonDocument 对象时使用以下方法来优化性能：

• 使用内置的枚举器（EnumerateArray 和 EnumerateObject）而不是自己做索引或循环。不要对数组形式的JsonElement进行诸如students[1]的操作。
• 不要使用 RootElement 通过每个属性对整个 JsonDocument 进行顺序搜索。相反，根据 JSON 数据的已知结构搜索嵌套的 JSON 对象。也就是说不要进行不必要的搜索，要根据自己对所操作的JSON的最大了解程度来进行搜索，比如明知道某个json数组里面没有自己想要的数据，就别去对它进行一遍又一遍的搜索

JsonDocument 是非托管资源

因为是非托管资源，其不会在CLR中被托管。JsonDocument 类型实现了 IDisposable ，为了内存的整洁应该在using块中使用，使其在使用完之后立即被释放资源，就像下面这样：

using (JsonDocument jsonDocument = JsonDocument.Parse(jsonText))
{
    // 对jsonDocument的各种操作
}

前面笔者没有将其放在using块里面纯粹是为了演示方便，请大家注意在using块中使用JsonDocument 才是推荐的用法。

函数调用JsonDocument

如果因为某种原因需要将JsonDocument转给方法调用者，则仅从您的 API 返回 JsonDocument，在大多数情况下，这不是必需的。返回返回 RootElement 的 Clone就好，它是一个 JsonElement。demo如下：

public JsonElement LookAndLoad(JsonElement source)
{
    string json = File.ReadAllText(source.GetProperty("fileName").GetString());

    using (JsonDocument doc = JsonDocument.Parse(json))
    {
        return doc.RootElement.Clone();
    }
}

如果你所编写的方法收到一个 JsonElement 并返回一个子元素，则没有必要返回子元素的克隆。调用者负责使传入的 JsonElement 所属的 JsonDocument 保持活动状态即可。demo如下：

public JsonElement ReturnFileName(JsonElement source)
{
   return source.GetProperty("fileName");
}

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