高效生成JSON串jsongen

概述

游戏服务端的很多操作（包括玩家的和非玩家的）需要传给公司中台收集汇总，根据运营的需求分析数据。中台那边要求传过去的数据为 JSON 格式。一开始我们使用 golang 标准库中的encoding/json，发现性能不够理想（因为序列化使用了反射，涉及多次内存分配）。由于数据原始格式都是map[string]interface{}，且需要自己一个字段一个字段构造，于是我想可以在构造过程中就计算出最终 JSON 串的长度，那么就只需要一次内存分配了。

使用

下载：

$ go get github.com/darjun/json-gen

导入：

import (jsongen "github.com/darjun/json-gen")

使用起来还是比较方便的：

m := jsongen.NewMap()
m.PutUint("key1", 123)
m.PutInt("key2", -456)
m.PutUintArray("key3", []uint64{78, 90})
data := m.Serialize(nil)

data即为最终序列化完成的 JSON 串。当然，类型可以任意嵌套。代码参见 github。

github上有 Benchmark，是标准 JSON 库的性能的 10 倍！

Library	Time/op(ns)	B/op	allocs/op
encoding/json	22209	6673	127
darjun/json-gen	3300	1152	1

实现

首先定义一个接口Value，所有可以序列化为 JSON 的值都实现这个接口：

type Value interface {Serialize(buf []byte) []byte
  Size() int}

• Serialize可以传入一个分配好的内存，该方法会将值序列化后的 JSON 串追加到 buf 后面。
• Size返回该值最终在 JSON 串中占用的字节数。

分类

我将可序列化为 JSON 串的值分为了 4 类：

• QuotedValue：在最终的串中需要用 " 包裹起来的值，例如 golang 中的字符串。
• UnquotedValue：在最终的串中不需要用 " 包裹起来的值，例如 uint/int/bool/float32 等。
• Array：对应 JSON 中的数组。
• Map：对应 JSON 中的映射。

目前这 4 种类型已经可以满足我的需求了，后续扩展也很方便，只需要实现 Value 接口即可。下面根据 Value 的两个接口讨论这 4 种类型的实现。

QuotedValue

底层基于 string 类型定义QuotedValue：

type QuotedValue string

由于 QuotedValue 最终在 JSON 串中会有 2 个 "，故其大小为：长度 + 2。我们来看Serialize 和Size方法的实现：

func (q QuotedValue) Serialize(buf []byte) []byte {buf = append(buf, '"')
  buf = append(buf, []byte(q)...)
  return append(buf, '"')
}

func (q QuotedValue) Size() int {return len(q) + 2
}

UnquotedValue

同样基于 string 类型定义UnquotedValue：

type UnquotedValue string

与 QuotedValue 不同的是，UnquotedValue不需要 " 包裹，Serialize和 Size 方法的实现可以参见上面，比较简单！

Array

Array表示一个 JSON 的数组。因为 JSON 数组可以包含任意类型的数据，我们可以基于 []Value 为底层类型定义Array：

type Array []Value

这样 Array 在最终 JSON 串中占用的字节包括所有元素大小、元素之间的 , 和数组前后的 []，Size 方法实现如下：

func (a Array) Size() int {
  size := 0
  for _, e := range a {
    // 递归求元素的大小
    size += e.Size()}

  // for []
  size += 2
  if len(a) > 1 {
    // for ,
    size += len(a) - 1
  }

  return size
}

Serialize方法递归调用元素的 Serialize 方法，在元素之间添加 ,，整个数组用[] 包裹。

func (a Array) Serialize(buf []byte) []byte {if len(buf) == 0 {
    // 如果未传入分配好的空间，根据 Size 分配空间
    buf = make([]byte, 0, a.Size())
  }

  buf = append(buf, '[')
  count := len(a)
  for i, e := range a {buf = e.Serialize(buf)
    if i != count-1 {
      // 除了最后一个元素，每个元素后添加,
      buf = append(buf, ',')
    }
  }

  return append(buf, ']')
}

为了方便操作数组，我给数组添加很多方法，常用的基本类型和 Array/Map 都有对应的操作方法。操作方法命名为 AppendType 和AppendTypeArray（其中 Type 为uint/int/bool/float/Array/Map等类型名）。

除了 string/Array/Map，其它的基本类型都使用strconv 转为字符串，且强制转换为 UnquotedValue，因为它不需要" 包裹。

func (a *Array) AppendUint(u uint64) {value := strconv.FormatUint(u, 10)

    *a = append(*a, UnquotedValue(value))
}

func (a *Array) AppendString(value string) {*a = append(*a, QuotedValue(escapeString(value)))
}

func (a *Array) AppendUintArray(u []uint64) {value := make([]Value, 0, len(u))
    for _, v := range u {value = append(value, UnquotedValue(strconv.FormatUint(v, 10)))
    }

    *a = append(*a, Array(value))
}

func (a *Array) AppendStringArray(s []string) {value := make([]Value, 0, len(s))
    for _, v := range s {value = append(value, QuotedValue(escapeString(v)))
    }

    *a = append(*a, Array(value))
}

这里有点需要注意，由于 Append* 方法会修改Array（即切片），所以接收者需要使用指针！

Map

实现 Map 时，有两种选择。第一种定义为 map[string]Value，这样结构简单，但是由于map 遍历的随机性会导致同一个 Map 生成的 JSON 串不一样。最终我选择了第二种方案，即键和值分开存放，这样可以保证在最终的 JSON 串中，键的顺序与插入的顺序相同：

type Map struct {keys []string
  values []Value}

Map的大小包含多个部分：

• 键和值的大小。
• 前后需要 {} 包裹。
• 每个键需要用 " 包裹。
• 键和值之间需要有一个:。
• 每个键值对之间需要用 , 分隔。

搞清楚了这些组成部分，Size方法的实现就简单了：

func (m Map) Size() int {
  size := 0
    for i, key := range m.keys {
        // +2 for ", +1 for :
        size += len(key) + 2 + 1
        size += m.values[i].Size()}

    // +2 for {}
    size += 2

    if len(m.keys) > 1 {
        // for ,
        size += len(m.keys) - 1
    }

    return size
}

Serialize将多个键值对组装：

func (m Map) Serialize(buf []byte) []byte {if len(buf) == 0 {buf = make([]byte, 0, m.Size())
    }

    buf = append(buf, '{')
    count := len(m.keys)
    for i, key := range m.keys {buf = append(buf, '"')
        buf = append(buf, []byte(key)...)
        buf = append(buf, '"')
        buf = append(buf, ':')
        buf = m.values[i].Serialize(buf)
        if i != count-1 {buf = append(buf, ',')
        }
    }
    return append(buf, '}')
}

与 Array 类似，为了方便操作 Map，我给Map 添加了很多方法，常见的基本数据类型和 Array/Map 都有对应的操作方法。操作方法命名为 PutType 和PutTypeArray（其中 Type 为uint/int/bool/float/Array/Map等）。

func (m *Map) put(key string, value Value) {m.keys = append(m.keys, key)
    m.values = append(m.values, value)
}

func (m *Map) PutUint(key string, u uint64) {value := strconv.FormatUint(u, 10)

    m.put(key, UnquotedValue(value))
}

func (m *Map) PutUintArray(key string, u []uint64) {value := make([]Value, 0, len(u))
    for _, v := range u {value = append(value, UnquotedValue(strconv.FormatUint(v, 10)))
    }

    m.put(key, Array(value))
}

结语

我根据自身需求实现了一个生成 JSON 串的库，性能大为提升，尽管还不完善，但是后续扩展也非常简单。希望能给有相同需求的朋友带来启发。