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Python を使った JSON データの操作

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はじめに

JSON（JavaScript オブジェクト表記法）は、直列化され人間が読みやすい形式でデータを保存するための人気のあるデータ形式です。一般的にサーバーと Web アプリケーションの間でデータを送信するために使用され、NoSQL データベースにデータを保存するための素晴らしい選択肢でもあります。Python では、jsonモジュールを使用して JSON データを操作できます。

成果

  • JSON ファイルの読み書き
  • JSON データのシリアル化と逆シリアル化

JSON の紹介

JSON（JavaScript オブジェクト表記法）は、人間が読み書きしやすく、機械が解析し生成しやすい軽量のデータ交換形式です。JavaScript 言語のサブセットに基づいており、Standard ECMA-262 3rd Edition - December 1999 に準拠しています。JSON は完全に言語非依存のテキスト形式ですが、C 言語ファミリーの言語（C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python など）のプログラマーにとって馴染みのある規約を使用しています。これらの特性により、JSON は理想的なデータ交換言語になっています。

JSON の基本構造は、キーと値のペアのコレクションであるオブジェクトと、値の順序付きリストである配列で構成されています。

以下は JSON オブジェクトの例です：

{
  "name": "Alice",
  "age": 26,
  "city": "New York"
}

この JSON オブジェクトには 3 つのキーと値のペアがあります：

  • "name" : "Alice"
  • "age" : 26
  • "city" : "New York"

以下は JSON 配列の例です：

["apple", "banana", "cherry"]

この JSON 配列には 3 つの値があります："apple"、"banana"、および"cherry"。

JSON オブジェクトには複数のキーと値のペアと配列を含めることができ、JSON 配列には複数のオブジェクトと配列を含めることができます。以下はより複雑な JSON 構造の例です：

{
  "employees": [
    { "firstName": "John", "lastName": "Doe" },
    { "firstName": "Anna", "lastName": "Smith" },
    { "firstName": "Peter", "lastName": "Jones" }
  ],
  "owners": [
    { "name": "Alice", "age": 30 },
    { "name": "Bob", "age": 35 }
  ],
  "office": {
    "name": "Acme Inc.",
    "location": "New York"
  }
}

この JSON オブジェクトには 3 つのキーと値のペアがあります：

  • "employees" : 従業員オブジェクトの配列
  • "owners" : オーナーオブジェクトの配列
  • "office" : オフィスオブジェクト

Json モジュール

Python で JSON オブジェクトを解析するには、json モジュールを使用できます。json モジュールは Python 標準ライブラリの一部であるため、別途インストールする必要はありません。

新しい Python インタプリタセッションを開き、次のコードを入力します：

python3

前の例の JSON オブジェクトを解析する方法の例を次に示します：

import json

json_strings = '{"employees": [{ "firstName": "John", "lastName": "Doe"}, ], "owners": [{ "name": "Alice", "age": 30 }, { "name": "Bob", "age": 35 }], "office": {"name": "Acme Inc."}}'

## JSON オブジェクトを解析する
data = json.loads(json_strings)

## データにアクセスする
employees = data['employees']
owners = data['owners']
office = data['office']

## データを表示する
print(employees)
print(owners)
print(office)

これにより、次のような出力が表示されます：

[{'firstName': 'John', 'lastName': 'Doe'}]
[{'name': 'Alice', 'age': 30}, { "name": "Bob", "age": 35 }]
{'name': 'Acme Inc.'}

その後、Python の辞書やリストと同じように、キーとインデックスを使って JSON オブジェクト内のデータにアクセスできます。たとえば、最初の従業員の名前にアクセスするには、次のコードを使用できます：

first_employee = employees[0]
first_name = first_employee['firstName']
print(first_name)

これにより、次のような出力が表示されます：

John

また、配列をループして各要素のデータにアクセスすることもできます。たとえば、各オーナーの名前と年齢を表示するには、次のコードを使用できます：

for owner in owners:
  name = owner['name']
  age = owner['age']
  print(f'{name} is {age} years old.')

これにより、次のような出力が表示されます：

Alice is 30 years old.
Bob is 35 years old.

JSON ファイルの読み取り

まずは JSON ファイルを読み込んでみましょう。次の内容を持つemployees.jsonファイルがあるとします：

{
  "employees": [
    {
      "firstName": "John",
      "lastName": "Doe"
    },
    {
      "firstName": "Anna",
      "lastName": "Smith"
    },
    {
      "firstName": "Peter",
      "lastName": "Jones"
    }
  ]
}

employees.jsonは/home/labex/projectに存在しています。

Python でこのファイルを読み込むには、次のコードを使用できます：

import json

## ファイルを開く
with open('/home/labex/project/employees.json', 'r') as file:
  ## ファイルの内容を変数に読み込む
  data = json.load(file)

## ファイルの内容を表示する
print(data)

これにより、次のような出力が表示されます：

{'employees': [{'firstName': 'John', 'lastName': 'Doe'}, {'firstName': 'Anna', 'lastName': 'Smith'}, {'firstName': 'Peter', 'lastName': 'Jones'}]}

JSON オブジェクトのキーを使って、ファイル内のデータにアクセスできます。Python の辞書と同じようにです。たとえば、従業員のリストにアクセスするには、employeesキーを使います：

employees = data['employees']
print(employees)

これにより、次のような出力が表示されます：

[{'firstName': 'John', 'lastName': 'Doe'}, {'firstName': 'Anna', 'lastName': 'Smith'}, {'firstName': 'Peter', 'lastName': 'Jones'}]

また、従業員のリストをループして彼らの名前を表示することもできます：

for employee in employees:
  print(employee['firstName'], employee['lastName'])

これにより、次のような出力が表示されます：

John Doe
Anna Smith
Peter Jones

JSON ファイルの書き込み

JSON ファイルを読む方法を知ったので、書き込む方法を学んでみましょう。JSON ファイルにデータを書き込むには、json.dump()関数を使用できます。

学生に関する情報を含む辞書のリストがあるとします。このデータをstudents.jsonという名前のファイルに書き込むことができます。

import json

## 辞書のリスト
students = [
  { "name": "Alice", "age": 26, "major": "Computer Science" },
  { "name": "Bob", "age": 27, "major": "Economics" },
  { "name": "Charlie", "age": 25, "major": "Physics" }
]

## ファイルを開く
with open('students.json', 'w') as file:
  ## データをファイルに書き込む
  json.dump(students, file)

では、データが正しく書き込まれたことを確認しましょう。

with open('students.json', 'r') as file:
  data = json.load(file)
  print(data)

これにより、次のような出力が表示されます。

[
  { "name": "Alice", "age": 26, "major": "Computer Science" },
  { "name": "Bob", "age": 27, "major": "Economics" },
  { "name": "Charlie", "age": 25, "major": "Physics" }
]

また、Python オブジェクトを JSON 文字列に変換するには、json.dumps()関数を使用することもできます。これをファイルに保存したり、ネットワークを介して送信したりすることができます。例を示します。

## 辞書のリストを JSON 文字列に変換する
json_string = json.dumps(students)
print(json_string)

## 文字列をファイルに保存する
with open('students.json', 'w') as file:
  file.write(json_string)

## では、データが正しく書き込まれたことを確認しましょう
with open('students.json', 'r') as file:
  data = json.load(file)
  print(data)

これは前の例と同じ出力になります。

Python オブジェクトと JSON 文字列

Python オブジェクトは、メモリに格納されるリスト、辞書などの形式のデータのコレクションです。一方、JSON 文字列は JSON オブジェクトの直列化された表現です。JSON オブジェクト内のデータを表す文字の文字列ですが、実際のオブジェクトとしてメモリに格納されていません。

students.jsonの内容を読み取るためにread()関数を使用する方法の例を以下に示します。

with open('students.json', 'r') as file:
  json_string = file.read()
  print(json_string)

これにより、次のような出力が表示されます。

[{"name": "Alice", "age": 26, "major": "Computer Science"}, {"name": "Bob", "age": 27, "major": "Economics"}, {"name": "Charlie", "age": 25, "major": "Physics"}]

json_stringの最初の要素を取得しようとすると、文字列の最初の文字が取得されます。

print(json_string[0])

[

これは、json_stringが文字列であり、リスト（Python オブジェクト）ではないためです。リストに変換するには、json.loads()関数を使用できます。

import json

## JSON 文字列を Python オブジェクトに変換する
python_object = json.loads(json_string)
print(python_object)

出力は上記と同様で、シングルクォートとダブルクォートの違いがあります。

[{'name': 'Alice', 'age': 26,'major': 'Computer Science'}, {'name': 'Bob', 'age': 27,'major': 'Economics'}, {'name': 'Charlie', 'age': 25,'major': 'Physics'}]

これで、リストの最初の要素にアクセスできます。

print(python_object[0])

{ "name": "Alice", "age": 26, "major": "Computer Science" }

初心者はしばしば Python オブジェクトと JSON 文字列を混同してしまうので、特に注意してください。

まとめ

おめでとうございます！JSON ファイルに関する実験を完了しました。Python で JSON ファイルを読み書きする方法を学びました。また、Python で JSON データを扱う方法も学びました。

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