如何保持json序列化的顺序性？

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· 2021-03-14

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

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

        Map<String, Object> 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<String, Object> data) {        TreeMap<String, Object> transformedData = new TreeMap<>();        for (Map.Entry<String, Object> entry : data.entrySet()) {            if(entry.getValue() == null) {                continue;            }            if(entry.getValue() instanceof List) {                TreeMap<String, Integer> 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<String, Object>) it1), i);                }                List<Object> 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(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {        Node<K,V>[] 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<K,V> 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(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) {            Node<K,V>[] 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<K,V> 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(Consumer<? super K> action) {            Node<K,V>[] 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<K,V> 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(Consumer<? super V> action) {            Node<K,V>[] 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<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)                        action.accept(e.value);                }                if (modCount != mc)                    throw new ConcurrentModificationException();            }        }

TreeMap基于key做排序处理，最符合有序性要求，其迭代实现如下：

    // java.util.TreeMap#forEach    @Override    public void forEach(BiConsumer<? super 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<K, V> 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 <K,V> TreeMap.Entry<K,V> successor(Entry<K,V> t) {        if (t == null)            return null;        else if (t.right != null) {            Entry<K,V> p = t.right;            while (p.left != null)                p = p.left;            return p;        } else {            Entry<K,V> p = t.parent;            Entry<K,V> ch = t;            while (p != null && ch == p.right) {                ch = p;                p = p.parent;            }            return p;        }    }

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.LinkedHashMap#forEach    public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {        if (action == null)            throw new NullPointerException();        int mc = modCount;        // 仅通过维护插入时的链表，即可实现有序迭代        for (LinkedHashMap.Entry<K,V> e = head; e != null; e = e.after)            action.accept(e.key, e.value);        if (modCount != mc)            throw new ConcurrentModificationException();    }

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。