掌握 Python 中的 JSON 数据处理

介绍

JSON（JavaScript Object Notation）是一种流行的数据格式，用于以序列化和人类可读的形式存储数据。它通常用于在服务器和 Web 应用程序之间传输数据，也是存储 NoSQL 数据库中数据的一个绝佳选择。在 Python 中，我们可以使用json模块来处理 JSON 数据。

学习目标

读取和写入 JSON 文件
序列化和反序列化 JSON 数据

JSON 简介

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于人类阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。它基于 JavaScript 编程语言的一个子集，即 ECMA-262 第 3 版标准（1999 年 12 月）。JSON 是一种完全独立于语言的文本格式，但使用了与 C 语言家族（包括 C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python 等）程序员熟悉的约定。这些特性使 JSON 成为理想的数据交换语言。

JSON 的基本结构由对象（键值对的集合）和数组（值的有序列表）组成。

以下是一个 JSON 对象的示例：

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

这个 JSON 对象包含三个键值对：

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

以下是一个 JSON 数组的示例：

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

这个 JSON 数组包含三个值："apple"、"banana" 和 "cherry"。

一个 JSON 对象可以包含多个键值对和数组，而一个 JSON 数组可以包含多个对象和数组。以下是一个更复杂的 JSON 结构示例：

{
  "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"
  }
}

这个 JSON 对象包含三个键值对：

"employees" : 一个员工对象数组
"owners" : 一个所有者对象数组
"office" : 一个办公室对象

Json 模块

要在 Python 中解析 JSON 对象，我们可以使用 json 模块。json 模块是 Python 标准库的一部分，因此我们不需要单独安装它。

打开一个新的 Python 解释器会话并输入以下代码：

python3

以下是如何解析上一个示例中的 JSON 对象的示例：

import json

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

## 解析 JSON 对象
data = json.loads(json_strings)

## 访问数据
employees = data['employees']
owners = data['owners']
office = data['office']

## 打印数据
print(employees)
print(owners)
print(office)

这将输出以下内容：

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

然后，你可以像使用 Python 字典或列表一样，使用键和索引访问 JSON 对象中的数据。例如，要访问第一个员工的名字，可以使用以下代码：

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

这将输出以下内容：

John

你还可以遍历数组并访问每个元素的数据。例如，要打印每个所有者的姓名和年龄，可以使用以下代码：

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

这将输出以下内容：

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

读取 JSON 文件

让我们从读取一个 JSON 文件开始。假设我们有一个文件 employees.json，其内容如下：

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

employees.json 文件已经存在于 /home/labex/project 目录中。

要在 Python 中读取此文件，我们可以使用以下代码：

import json

## 打开文件
with open('/home/labex/project/employees.json', 'r') as file:
  ## 将文件内容加载到变量中
  data = json.load(file)

## 打印文件内容
print(data)

这将输出以下内容：

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

我们可以通过使用 JSON 对象的键来访问文件中的数据，就像使用 Python 字典一样。例如，要访问员工列表，我们可以使用 employees 键：

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

这将输出以下内容：

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

我们还可以遍历员工列表并打印他们的姓名：

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

这将输出以下内容：

John Doe
Anna Smith
Peter Jones

写入 JSON 文件

现在我们已经知道如何读取 JSON 文件，接下来让我们学习如何写入 JSON 文件。我们可以使用 json.dump() 函数将数据写入 JSON 文件。

假设我们有一个包含学生信息的字典列表。我们可以将这些数据写入名为 students.json 的文件中，如下所示：

import json

## 一个字典列表
students = [
  { "name": "Alice", "age": 26, "major": "Computer Science" },
  { "name": "Bob", "age": 27, "major": "Economics" },
  { "name": "Charlie", "age": 25, "major": "Physics" }
]

## 打开文件
with open('students.json', 'w') as file:
  ## 将数据写入文件
  json.dump(students, file)

现在让我们验证数据是否正确写入：

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

这将输出以下内容：

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

我们还可以使用 json.dumps() 函数将 Python 对象转换为 JSON 字符串，然后将其保存到文件中或通过网络发送。以下是一个示例：

## 将字典列表转换为 JSON 字符串
json_string = json.dumps(students)
print(json_string)

## 将字符串保存到文件中
with open('students.json', 'w') as file:
  file.write(json_string)

## 现在让我们验证数据是否正确写入
with open('students.json', 'r') as file:
  data = json.load(file)
  print(data)

这将产生与上一个示例相同的输出。

Python 对象与 JSON 字符串

Python 对象是以列表、字典等形式存储在内存中的数据集合。而 JSON 字符串则是 JSON 对象的序列化表示形式。它是一个表示 JSON 对象中数据的字符序列，但并未以实际对象的形式存储在内存中。

以下是如何使用 read() 函数读取 students.json 文件内容的示例：

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

这将输出以下内容：

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

当你尝试获取 json_string 的第一个元素时，你会得到字符串的第一个字符：

print(json_string[0])

这是因为 json_string 是一个字符串，而不是一个列表（Python 对象）。要将其转换为列表，我们可以使用 json.loads() 函数：

import json

## 将 JSON 字符串转换为 Python 对象
python_object = json.loads(json_string)
print(python_object)

输出与上述内容类似，区别在于单引号和双引号的使用：

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

现在我们可以访问列表的第一个元素：

print(python_object[0])

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

初学者常常会混淆 Python 对象和 JSON 字符串，因此需要特别注意。

总结

恭喜！你已经完成了关于 JSON 文件的实验。你学会了如何在 Python 中读取和写入 JSON 文件，同时也掌握了如何在 Python 中处理 JSON 数据。

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读取 JSON 文件

写入 JSON 文件

Python 对象与 JSON 字符串

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