自定义Key类型的字典无法序列化的N种解决方案

当我们使用System.Text.Json.JsonSerializer对一个字典对象进行序列化的时候，默认情况下字典的Key不能是一个自定义的类型，本文介绍几种解决方案。

一、问题重现
二、自定义JsonConverter能解决吗？
三、自定义TypeConverter能解决问题吗？
四、以键值对集合的形式序列化
五、转换成合法的字典
六、自定义读写

一、问题重现

我们先通过如下这个简单的例子来重现上述这个问题。如代码片段所示，我们定义了一个名为Point（代表二维坐标点）的只读结构体作为待序列化字典的Key。Point可以通过结构化的表达式来表示，我们同时还定义了Parse方法将表达式转换成Point对象。

using System.Diagnostics;
using System.Text.Json;

var dictionary = new Dictionary<Point, int>
{
    { new Point(1.0, 1.0), 1 },
    { new Point(2.0, 2.0), 2 },
    { new Point(3.0, 3.0), 3 }
};

try
{
    var json = JsonSerializer.Serialize(dictionary);
    Console.WriteLine(json);

    var dictionary2 = JsonSerializer.Deserialize<Dictionary<Point, int>>(json)!;
    Debug.Assert(dictionary2[new Point(1.0, 1.0)] == 1);
    Debug.Assert(dictionary2[new Point(2.0, 2.0)] == 2);
    Debug.Assert(dictionary2[new Point(3.0, 3.0)] == 3);
}
catch (Exception ex)
{
    Console.WriteLine(ex.Message);
}


public readonly record struct Point(double X, double Y)
{
    public override string ToString()=> $"({X}, {Y})";
    public static Point Parse(string s)
    {
        var tokens = s.Trim('(',')').Split(',', StringSplitOptions.TrimEntries);
        if (tokens.Length != 2)
        {
            throw new FormatException("Invalid format");
        }
        return new Point(double.Parse(tokens[0]), double.Parse(tokens[1]));
    }
}

当我们使用JsonSerializer序列化多一个Dictionary<Point, int>类型的对象时，会抛出一个NotSupportedException异常，如下所示的信息解释了错误的根源：Point类型不能作为被序列化字典对象的Key。顺便说一下，如果使用Newtonsoft.Json，这样的字典可以序列化成功，但是反序列化会失败。

二、自定义JsonConverter<Point>能解决吗？

遇到这样的问题我们首先想到的是：既然不执行针对Point的序列化/反序列化，那么我们可以对应相应的JsonConverter自行完成序列化/反序列化工作。为此我们定义了如下这个PointConverter，将Point的表达式作为序列化输出结果，同时调用Parse方法生成反序列化的结果。

public class PointConverter : JsonConverter<Point>
{
    public override Point Read(ref Utf8JsonReader reader, Type typeToConvert, JsonSerializerOptions options)=> Point.Parse(reader.GetString()!);
    public override void Write(Utf8JsonWriter writer, Point value, JsonSerializerOptions options) => writer.WriteStringValue(value.ToString());
}

我们将这个PointConverter对象添加到创建的JsonSerializerOptions配置选项中，并将后者传入序列化和反序列化方法中。

var options = new JsonSerializerOptions
{
    WriteIndented = true,
    Converters = { new PointConverter() }
};
var json = JsonSerializer.Serialize(dictionary, options);
Console.WriteLine(json);

var dictionary2 = JsonSerializer.Deserialize<Dictionary<Point, int>>(json, options)!;
Debug.Assert(dictionary2[new Point(1.0, 1.0)] == 1);
Debug.Assert(dictionary2[new Point(2.0, 2.0)] == 2);
Debug.Assert(dictionary2[new Point(3.0, 3.0)] == 3);

不幸的是，这样的解决方案无效，序列化时依然会抛出相同的异常。

三、自定义TypeConverter能解决问题吗？

JsonConverter的目的本质上就是希望将Point对象视为字符串进行处理，既然自定义JsonConverter无法解决这个问题，我们是否可以注册相应的类型转换其来解决它呢？为此我们定义了如下这个PointTypeConverter 类型，使它来完成针对Point和字符串之间的类型转换。

public class PointTypeConverter : TypeConverter
{
    public override bool CanConvertFrom(ITypeDescriptorContext? context, Type sourceType) => sourceType == typeof(string);
    public override bool CanConvertTo(ITypeDescriptorContext? context, Type? destinationType) => destinationType == typeof(string);
    public override object ConvertFrom(ITypeDescriptorContext? context, CultureInfo? culture, object value) => Point.Parse((string)value);
    public override object ConvertTo(ITypeDescriptorContext? context, CultureInfo? culture, object? value, Type destinationType) => value?.ToString()!;
}

我们利用标注的TypeConverterAttribute特性将PointTypeConverter注册到Point类型上。

[TypeConverter(typeof(PointTypeConverter))]
public readonly record struct Point(double X, double Y)
{
    public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
    public static Point Parse(string s)
    {
        var tokens = s.Trim('(',')').Split(',', StringSplitOptions.TrimEntries);
        if (tokens.Length != 2)
        {
            throw new FormatException("Invalid format");
        }
        return new Point(double.Parse(tokens[0]), double.Parse(tokens[1]));
    }
}

实验证明，这种解决方案依然无效，序列化时还是会抛出相同的异常。顺便说一下，这种解决方案对于Newtonsoft.Json是适用的。

四、以键值对集合的形式序列化

为Point定义JsonConverter之所以不能解决我们的问题，是因为异常并不是在试图序列化Point对象时抛出来的，而是在在默认的规则序列化字典对象时，不合法的Key类型没有通过验证。如果希望通过自定义JsonConverter的方式来解决，目标类型不应该时Point类型，而应该时字典类型，为此我们定义了如下这个PointKeyedDictionaryConverter<TValue>类型。

我们知道字典本质上就是键值对的集合，而集合针对元素类型并没有特殊的约束，所以我们完全可以按照键值对集合的方式来进行序列化和反序列化。如代码把片段所示，用于序列化的Write方法中，我们利用作为参数的JsonSerializerOptions 得到针对IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>类型的JsonConverter，并利用它以键值对的形式对字典进行序列化。

public class PointKeyedDictionaryConverter<TValue> : JsonConverter<Dictionary<Point, TValue>>
{
    public override Dictionary<Point, TValue>? Read(ref Utf8JsonReader reader, Type typeToConvert, JsonSerializerOptions options)
    {
        var enumerableConverter = (JsonConverter<IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>>)options.GetConverter(typeof(IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>));
        return enumerableConverter.Read(ref reader, typeof(IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>), options)?.ToDictionary(kvp => kvp.Key, kvp => kvp.Value);
    }
    public override void Write(Utf8JsonWriter writer, Dictionary<Point, TValue> value, JsonSerializerOptions options)
    {
        var enumerableConverter = (JsonConverter<IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>>)options.GetConverter(typeof(IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>));
        enumerableConverter.Write(writer, value, options);
    }
}

用于反序列化的Read方法中，我们采用相同的方式得到这个针对IEnumerable<KeyValuePair<Point, TValue>>类型的JsonConverter，并将其反序列化成键值对集合，在转换成返回的字典。

var options = new JsonSerializerOptions
{
    WriteIndented = true,
    Converters = { new PointConverter(), new PointKeyedDictionaryConverter<int>()}
};

我们将PointKeyedDictionaryConverter<int>添加到创建的JsonSerializerOptions配置选项的JsonConverter列表中。从如下所示的输出结果可以看出，我们创建的字典确实是以键值对集合的形式进行序列化的。

五、转换成合法的字典

既然作为字典Key的Point可以转换成字符串，那么可以还有另一种解法，那就是将以Point为Key的字典转换成以字符串为Key的字典，为此我们按照如下的方式重写的PointKeyedDictionaryConverter<TValue>。如代码片段所示，重写的Writer方法利用传入的JsonSerializerOptions配置选项得到针对Dictionary<string, TValue>的JsonConverter，然后将待序列化的Dictionary<Point, TValue> 对象转换成Dictionary<string, TValue> 交给它进行序列化。

public class PointKeyedDictionaryConverter<TValue> : JsonConverter<Dictionary<Point, TValue>>
{
    public override Dictionary<Point, TValue>? Read(ref Utf8JsonReader reader, Type typeToConvert, JsonSerializerOptions options)
    {
        var converter = (JsonConverter<Dictionary<string, TValue>>)options.GetConverter(typeof(Dictionary<string, TValue>))!;
        return converter.Read(ref reader, typeof(Dictionary<string, TValue>), options)
            ?.ToDictionary(kv => Point.Parse(kv.Key), kv=> kv.Value);
    }
    public override void Write(Utf8JsonWriter writer, Dictionary<Point, TValue> value, JsonSerializerOptions options)
    {
        var converter = (JsonConverter<Dictionary<string, TValue>>)options.GetConverter(typeof(Dictionary<string, TValue>))!;
        converter.Write(writer, value.ToDictionary(kv => kv.Key.ToString(), kv => kv.Value), options);
    }
}

重写的Read方法采用相同的方式得到JsonConverter<Dictionary<string, TValue>>对象，并利用它执行反序列化生成Dictionary<string, TValue> 对象。我们最终将它转换成需要的Dictionary<Point, TValue> 对象。从如下所示的输出可以看出，这次的序列化生成的JSON会更加精炼，因为这次是以字典类型输出JSON字符串的。

六、自定义读写

虽然以上两种方式都能解决我们的问题，而且从最终JSON字符串输出的长度来看，第二种具有更好的性能，但是它们都有一个问题，那么就是需要创建中间对象。第一种方案需要创建一个键值对集合，第二种方案则需要创建一个Dictionary<string, TValue> 对象，如果对性能有更高的追求，它们都不是一种好的解决方案。既让我们都已经在自定义JsonConverter，完全可以自行可控制JSON内容的读写，为此我们再次重写了PointKeyedDictionaryConverter<TValue>。

public class PointKeyedDictionaryConverter<TValue> : JsonConverter<Dictionary<Point, TValue>>
{
    public override Dictionary<Point, TValue>? Read(ref Utf8JsonReader reader, Type typeToConvert, JsonSerializerOptions options)
    {
        JsonConverter<TValue>? valueConverter = null;
        Dictionary<Point, TValue>? dictionary = null;
        while (reader.Read())
        {
            if (reader.TokenType == JsonTokenType.EndObject)
            {
                return dictionary;
            }
            valueConverter ??= (JsonConverter<TValue>)options.GetConverter(typeof(TValue))!;
            dictionary ??= [];
            var key = Point.Parse(reader.GetString()!);
            reader.Read();
            var value = valueConverter.Read(ref reader, typeof(TValue), options)!;
            dictionary.Add(key, value);
        }
        return dictionary;
    }
    public override void Write(Utf8JsonWriter writer, Dictionary<Point, TValue> value, JsonSerializerOptions options)
    {
        writer.WriteStartObject();
        JsonConverter<TValue>? valueConverter = null;
        foreach (var (k, v) in value)
        {
            valueConverter ??= (JsonConverter<TValue>)options.GetConverter(typeof(TValue))!;
            writer.WritePropertyName(k.ToString());
            valueConverter.Write(writer, v, options);
        }
        writer.WriteEndObject();
    }
}

如上面的代码片段所示，在重写的Write方法中，我们调用Utf8JsonWriter 的WriteStartObject和 WriteEndObject方法以对象的形式输出字典。在这中间，我们便利字典的每个键值对，并以“属性”的形式对它们进行输出（Key和Value分别是属性名和值）。在Read方法中，我们创建一个空的Dictionary<Point, TValue> 对象，在一个循环中利用Utf8JsonReader先后读取作为Key的字符串和Value值，最终将Key转换成Point类型，并添加到创建的字典中。从如下所示的输出结果可以看出，这次生成的JSON具有与上面相同的结构。