手写JSON解析器

这周的 Cassidoo 的每周简讯有这么一个面试题：：

写一个函数，这个函数接收一个正确的 JSON 字符串并将其转化为一个对象（或字典，映射等，这取决于你选择的语言）。示例输入：
fakeParseJSON('{ "data": { "fish": "cake", "array": [1,2,3], "children": [ { "something": "else" }, { "candy": "cane" }, { "sponge": "bob" } ] } } ')

当时，我想这么写：

const fakeParseJSON = JSON.parse;

但是，我想起之前写了一些关于AST的文章，

其中涵盖了编译器管道的概述以及如何操作AST，但是我没有过多介绍如何实现解析器。因为实现JavaScript编译器对我来说是一项艰巨的任务。

那就没必要担心。 JSON也是一种语言，有自己的语法，可以参考规范。根据编写JSON解析器所需的知识和技术转移到编写JS解析器中。

好了，那就开始编写一个JSON解析器吧。

语法

查看规范文档页面，可以看到以下两个图。

左测的语法图（或者叫铁路图）

右侧的McKeeman Form，巴克斯-诺尔范式(BNF)的一种变体。

json
  element

value
  object
  array
  string
  number
  "true"
  "false"
  "null"

object
  '{' ws '}'
  '{' members '}'

两个图其实是等价的。

一个基于视觉，一个基于文本。基于文本语法的语法 —— 巴科斯-诺尔范式，通常被提供给另一个解析这种语法并为其生成解析器的解析器，终于说到解析器了！🤯

在这篇文章中，我们重点关注铁路图上，因为它是可视化的，看起来更友好。

先来看下第一张的铁路图：

所以这就是JSON中“object”的语法。

从左侧开始，沿着箭头的方向走，一直到右侧为止。

圆圈里面是一个字符，例如 {，,，:，}，矩形里面是其它语法的占位符，例如 whitespace（空格）、string 和 value。因此要解析"whitespace"，我们需要查阅"whitepsace"语法。

因此，对于一个对象而言，从左边开始，第一个字符必须是一个左花括号 {，然后往下走会有两种情况：

whitespace → } → 结束
whitespace → string → whitespace → : → value → } → 结束

当然当抵达value的时候，你可以选择继续下去：

→ } → 结束，或者
→ , → whitespace → … → value
你可以继续循环，直到你决定去：
→ } → 结束。
现在已经熟悉了铁路图，我们继续到下一节。

实现解析器

下面我们开始编写代码，代码结构如下：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;
  // TODO
}

初始化 i 将其作为当前字符的索引值，只要 i 值到达 str 的长度，我们就会结束函数。

后面我们来实现“object”语法：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;
  function parseObject() {
    if (str[i] === '{') {
      i++;
      skipWhitespace();

      // 如果不是 '}',
      // 我们接收 string -> whitespace -> ':' -> value -> ... 这样的路径字符串
      while (str[i] !== '}') {
        const key = parseString();
        skipWhitespace();
        eatColon();
        const value = parseValue();
      }
    }
  }
}

我们可以调用 parseObject 来解析类似string和whitespace之类的语法，只要我们实现这些功能，一切都解决了🤞。

还有就是我我忘记加逗号，了。逗号，只会出现在开始第二次whitespace → string → whitespace → : → … 循环之前。

在这个基础上，我们加上了一下几行：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;
  function parseObject() {
    if (str[i] === '{') {
      i++;
      skipWhitespace();

      let initial = true;
      // 如果不是 '}',
      // 就按照这样的路径执行： string -> whitespace -> ':' -> value -> ...
      while (str[i] !== '}') {
        if (!initial) {
          eatComma();
          skipWhitespace();
        }
        const key = parseString();
        skipWhitespace();
        eatColon();
        const value = parseValue();
        initial = false;
      }
      // move to the next character of '}'
      i++;
    }
  }
}

一些命名上的约定：

当我们根据语法解析代码并使用返回值时，命名为parseSomething
当我们期望字符在那里，但是我们没有使用字符时，命名为eatSomething
当字符不存在，我们也可以接受。命名skipSomething

下面来实现eatComma和eatColon

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function eatComma() {
    if (str[i] !== ',') {
      throw new Error('Expected ",".');
    }
    i++;
  }

  function eatColon() {
    if (str[i] !== ':') {
      throw new Error('Expected ":".');
    }
    i++;
  }
}

到目前为止，我们实现了parseObject的语法，但是这个解析函数的返回值是什么呢？

不错，我们需要返回一个JavaScript对象：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;
  function parseObject() {
    if (str[i] === '{') {
      i++;
      skipWhitespace();

      const result = {};

      let initial = true;
      // 如果不是 '}',
      // 就按照这样的路径执行： string -> whitespace -> ':' -> value -> ...
      while (str[i] !== '}') {
        if (!initial) {
          eatComma();
          skipWhitespace();
        }
        const key = parseString();
        skipWhitespace();
        eatColon();
        const value = parseValue();
        result[key] = value;
        initial = false;
      }
      // 移动到下一个字符 '}' 
      i++;

      return result;
    }
  }
}

现在你已经看到我怎么去实现“object“语法，现在是时候让你尝试一下”array“语法了：
images

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function parseArray() {
    if (str[i] === '[') {
      i++;
      skipWhitespace();

      const result = [];
      let initial = true;
      while (str[i] !== ']') {
        if (!initial) {
          eatComma();
        }
        const value = parseValue();
        result.push(value);
        initial = false;
      }
      // 移动到下一个字符 ']'
      i++;
      return result;
    }
  }
}

现在，我们来看一个更有趣的语法，“value”：

如上图的路径：
一个值是以“whitespace”开始，然后接着是以下类型的一种：“string”，“number”，“object”，“array”，“true”，“false” 或者null，最后以一个“whitespace”结束。

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function parseValue() {
    skipWhitespace();
    const value =
      parseString() ??
      parseNumber() ??
      parseObject() ??
      parseArray() ??
      parseKeyword('true', true) ??
      parseKeyword('false', false) ??
      parseKeyword('null', null);
    skipWhitespace();
    return value;
  }
}

这个??叫做空值合并运算符，它类似我们用来设置默认值 foo || default 中的 ||，只要foo是假值，|| 就会返回 default，而空值合并运算符只会在 foo 为 null 或 undefined 时返回 default。可以看个例子：

const foo = null ?? 'default string';
console.log(foo);
// 输出: "default string"

parseKeyword 将检查当前 str.slice(i) 是否与关键字字符串匹配，如果匹配，将返回关键字值：

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function parseKeyword(name, value) {
    if (str.slice(i, i + name.length) === name) {
      i += name.length;
      return value;
    }
  }
}

这个就是parseKeyword的实现。

我们还有 3 个以上的语法要实现，但我为了控制文章篇幅，在下面的 CodeSandbox 中实现这些语法。
CodeSandbox

完成所有语法实现之后，然后返回由parseValue返回的json值：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;
  return parseValue();

  // ...
}

就是这样！

好了，还没有那么快完成朋友，我们只是完成的理想的部分，那么非理想的部分呢？

处理异常输入

作为一个优秀的开发人员，我们也需要优雅地处理非理想情况。对于解析器，这意味着使用适当的错误消息大声警告开发人员。

让我们来处理两个最常见的错误情况：

Unexpected token
Unexpected end of string

在所有的 while 循环中，例如 parseObject 中的 while 循环：

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function parseObject() {
    // ...
    while(str[i] !== '}') {

我们需要确保访问的字符不会超过字符串的长度。这发生在字符串意外结束时，而我们仍然在等待一个结束字符 —— }。比如说下面的例子：

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function parseObject() {
    // ...
    while (i < str.length && str[i] !== '}') {
      // ...
    }
    checkUnexpectedEndOfInput();

    // move to the next character of '}'
    i++;

    return result;
  }
}

更好的优化

你还记得当你还是一个初级开发者的时候，每次遇到一些不清晰的语法错误的时候，你完全不知道哪里出问题了？

现在你有经验了，是时候停止这种恶性循环和吐槽了。

Unexpected token "a"

例如以上的错误，只会让用户很困惑地盯着屏幕，而不知道错误在哪里。

相比去吐槽，其实有很多更好的方式去改善这些错误提示，下面有几点建议可以考虑加到解析器里面：

错误码和标准错误信息

标准关键字对用户谷歌寻求帮助很有用

// 不好的提示
Unexpected token "a"
Unexpected end of input

// 好的提示
JSON_ERROR_001 Unexpected token "a"
JSON_ERROR_002 Unexpected end of input

更好地查看哪里出问题

像 Babel 这样的解析器，会向你显示一个代码框架，它是一个带有下划线、箭头或突出显示错误的代码片段

// 不好的提示
Unexpected token "a" at position 5

// 好的提示
{ "b"a
      ^
JSON_ERROR_001 Unexpected token "a"

一个如何输出代码片段的例子：

function fakeParseJSON(str) {
  // ...
  function printCodeSnippet() {
    const from = Math.max(0, i - 10);
    const trimmed = from > 0;
    const padding = (trimmed ? 3 : 0) + (i - from);
    const snippet = [
      (trimmed ? '...' : '') + str.slice(from, i + 1),
      ' '.repeat(padding) + '^',
      ' '.repeat(padding) + message,
    ].join('\n');
    console.log(snippet);
  }
}

修正错误建议

可以的话，可以说明是哪里出问题以及给出修复建议。

// 不好的提示
Unexpected token "a" at position 5

// 好的提示
{ "b"a
      ^
JSON_ERROR_001 Unexpected token "a".
Expecting a ":" over here, eg:
{ "b": "bar" }
      ^
You can learn more about valid JSON string in http://goo.gl/xxxxx

如果可能，根据解析器目前收集的上下文提供建议

fakeParseJSON('"Lorem ipsum');

// instead of
Expecting a `"` over here, eg:
"Foo Bar"
        ^

// show
Expecting a `"` over here, eg:
"Lorem ipsum"
            ^

基于上下文的建议会让人感觉更有关联性和可操作性。记住所有的建议，用以下几点检查已经更新的CodeSandbox

有意义的错误消息
带有错误指向失败点的代码段
为错误恢复提供建议

推荐阅读Evan Czaplicki的关于如何提高编译器用户体验的一篇文章“编译器错误建议”

完整代码：

function fakeParseJSON(str) {
  let i = 0;

  const value = parseValue();
  expectEndOfInput();
  return value;

  function parseObject() {
    if (str[i] === "{") {
      i++;
      skipWhitespace();

      const result = {};

      let initial = true;
      // if it is not '}',
      // we take the path of string -> whitespace -> ':' -> value -> ...
      while (i < str.length && str[i] !== "}") {
        if (!initial) {
          eatComma();
          skipWhitespace();
        }
        const key = parseString();
        if (key === undefined) {
          expectObjectKey();
        }
        skipWhitespace();
        eatColon();
        const value = parseValue();
        result[key] = value;
        initial = false;
      }
      expectNotEndOfInput("}");
      // move to the next character of '}'
      i++;

      return result;
    }
  }

  function parseArray() {
    if (str[i] === "[") {
      i++;
      skipWhitespace();

      const result = [];
      let initial = true;
      while (i < str.length && str[i] !== "]") {
        if (!initial) {
          eatComma();
        }
        const value = parseValue();
        result.push(value);
        initial = false;
      }
      expectNotEndOfInput("]");
      // move to the next character of ']'
      i++;
      return result;
    }
  }

  function parseValue() {
    skipWhitespace();
    const value =
      parseString() ??
      parseNumber() ??
      parseObject() ??
      parseArray() ??
      parseKeyword("true", true) ??
      parseKeyword("false", false) ??
      parseKeyword("null", null);
    skipWhitespace();
    return value;
  }

  function parseKeyword(name, value) {
    if (str.slice(i, i + name.length) === name) {
      i += name.length;
      return value;
    }
  }

  function skipWhitespace() {
    while (
      str[i] === " " ||
      str[i] === "\n" ||
      str[i] === "\t" ||
      str[i] === "\r"
    ) {
      i++;
    }
  }

  function parseString() {
    if (str[i] === '"') {
      i++;
      let result = "";
      while (i < str.length && str[i] !== '"') {
        if (str[i] === "\\") {
          const char = str[i + 1];
          if (
            char === '"' ||
            char === "\\" ||
            char === "/" ||
            char === "b" ||
            char === "f" ||
            char === "n" ||
            char === "r" ||
            char === "t"
          ) {
            result += char;
            i++;
          } else if (char === "u") {
            if (
              isHexadecimal(str[i + 2]) &&
              isHexadecimal(str[i + 3]) &&
              isHexadecimal(str[i + 4]) &&
              isHexadecimal(str[i + 5])
            ) {
              result += String.fromCharCode(
                parseInt(str.slice(i + 2, i + 6), 16)
              );
              i += 5;
            } else {
              i += 2;
              expectEscapeUnicode(result);
            }
          } else {
            expectEscapeCharacter(result);
          }
        } else {
          result += str[i];
        }
        i++;
      }
      expectNotEndOfInput('"');
      i++;
      return result;
    }
  }

  function isHexadecimal(char) {
    return (
      (char >= "0" && char <= "9") ||
      (char.toLowerCase() >= "a" && char.toLowerCase() <= "f")
    );
  }

  function parseNumber() {
    let start = i;
    if (str[i] === "-") {
      i++;
      expectDigit(str.slice(start, i));
    }
    if (str[i] === "0") {
      i++;
    } else if (str[i] >= "1" && str[i] <= "9") {
      i++;
      while (str[i] >= "0" && str[i] <= "9") {
        i++;
      }
    }

    if (str[i] === ".") {
      i++;
      expectDigit(str.slice(start, i));
      while (str[i] >= "0" && str[i] <= "9") {
        i++;
      }
    }
    if (str[i] === "e" || str[i] === "E") {
      i++;
      if (str[i] === "-" || str[i] === "+") {
        i++;
      }
      expectDigit(str.slice(start, i));
      while (str[i] >= "0" && str[i] <= "9") {
        i++;
      }
    }
    if (i > start) {
      return Number(str.slice(start, i));
    }
  }

  function eatComma() {
    expectCharacter(",");
    i++;
  }

  function eatColon() {
    expectCharacter(":");
    i++;
  }

  // error handling
  function expectNotEndOfInput(expected) {
    if (i === str.length) {
      printCodeSnippet(`Expecting a \`${expected}\` here`);
      throw new Error("JSON_ERROR_0001 Unexpected End of Input");
    }
  }

  function expectEndOfInput() {
    if (i < str.length) {
      printCodeSnippet("Expecting to end here");
      throw new Error("JSON_ERROR_0002 Expected End of Input");
    }
  }

  function expectObjectKey() {
    printCodeSnippet(`Expecting object key here

For example:
{ "foo": "bar" }
  ^^^^^`);
    throw new Error("JSON_ERROR_0003 Expecting JSON Key");
  }

  function expectCharacter(expected) {
    if (str[i] !== expected) {
      printCodeSnippet(`Expecting a \`${expected}\` here`);
      throw new Error("JSON_ERROR_0004 Unexpected token");
    }
  }

  function expectDigit(numSoFar) {
    if (!(str[i] >= "0" && str[i] <= "9")) {
      printCodeSnippet(`JSON_ERROR_0005 Expecting a digit here

For example:
${numSoFar}5
${" ".repeat(numSoFar.length)}^`);
      throw new Error("JSON_ERROR_0006 Expecting a digit");
    }
  }

  function expectEscapeCharacter(strSoFar) {
    printCodeSnippet(`JSON_ERROR_0007 Expecting escape character

For example:
"${strSoFar}\\n"
${" ".repeat(strSoFar.length + 1)}^^
List of escape characters are: \\", \\\\, \\/, \\b, \\f, \\n, \\r, \\t, \\u`);
    throw new Error("JSON_ERROR_0008 Expecting an escape character");
  }

  function expectEscapeUnicode(strSoFar) {
    printCodeSnippet(`Expect escape unicode

For example:
"${strSoFar}\\u0123
${" ".repeat(strSoFar.length + 1)}^^^^^^`);
    throw new Error("JSON_ERROR_0009 Expecting an escape unicode");
  }

  function printCodeSnippet(message) {
    const from = Math.max(0, i - 10);
    const trimmed = from > 0;
    const padding = (trimmed ? 4 : 0) + (i - from);
    const snippet = [
      (trimmed ? "... " : "") + str.slice(from, i + 1),
      " ".repeat(padding) + "^",
      " ".repeat(padding) + message
    ].join("\n");
    console.log(snippet);
  }
}

// console.log("Try uncommenting the fail cases and see their error message");
// console.log("↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓");

// Fail cases:
printFailCase("-");
printFailCase("-1.");
printFailCase("1e");
printFailCase("-1e-2.2");
printFailCase("{");
printFailCase("{}{");
printFailCase('{"a"');
printFailCase('{"a": "b",');
printFailCase('{"a":"b""c"');
printFailCase('{"a":"foo\\}');
printFailCase('{"a":"foo\\u"}');
printFailCase("[");
printFailCase("[][");
printFailCase("[[]");
printFailCase('["]');

function printFailCase(json) {
  try {
    console.log(`fakeParseJSON('${json}')`);
    fakeParseJSON(json);
  } catch (error) {
    console.error(error);
  }
}

总结

要实现解析器，你需要从语法开始。
你可以用铁路图或巴科斯-诺尔范式来使语法正式化。设计语法是最困难的一步。

一旦你解决了语法问题，就可以开始基于语法实现解析器。

错误处理很重要，更重要的是要有有意义的错误消息，以便用户知道如何修复它。

现在，你已经了解了如何实现简单的解析器，现在应该关注更复杂的解析器了：

最后，请关注 @cassidoo，她的每周简讯棒极了。
（完）

以上译文仅用于学习交流，水平有限，难免有错误之处，敬请指正。如果觉得文章对你有帮助，请点个赞吧。

参考

原文链接

posted @ 2020-02-23 17:28 Aarongo 阅读(1813) 评论(1) 编辑收藏举报

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