从零开始: c#纯代码实现完整Json解析器的全过程及注释与自定义格式的支持实现

大家好！我们要深入探讨一个非常常用的技术：JSON反序列化。别小看这个技术，它可是现代编程中不可或缺的一部。JSON解析不仅仅是简单的数据转换，它还涉及到复杂的词法分析和文法解析。这些技术是编译器设计的基础，但这不是我们今天要深入探讨的内容。
我们想通过一些简化的方法和直觉的思考，以纯c#代码为例，分享实现自己的可自定义的JSON解析器的过程，希望大家可以更好地理解数据结构和算法，提升编程能力。
文中完整的代码和项目，已基于MIT协议开源。你可以自由地使用、修改和分发。你可以根据自己的需求进行定制，随意集成。所以，让我们开始吧。

一、先来认识一下JSON

1.1 什么是JSON？

JSON就像是一种"数据语言"，用来在不同的程序之间传递信息。比如：

{"name": "小明","age": 20,"isStudent": true,"hobbies": ["篮球", "音乐", "编程"]
}

你看，这就是一个JSON对象，它很像我们C#中的类. 但JSON里面的取值只有几种有限的基础类型:

string：就是文本，比如"你好";
number：数字，比如123, -1.2, 1E-4;
bool：布尔值true或false;
array：包含多个取值的集合
map：包含多个键值对的集合

很清楚的能看到,用什么语言解析json第一步是需要将json中的取值映射到该语言下的对应类型中. 对于c#, 我们仅需要考虑几个简单类型即可:

string对应text in C#
double,int对应number in C#
bool对应bool in C#
array对应 List<object> in C#
map对应Dictionary<string,object>in C#

1.2 为什么要反序列化？

• 想象一下：你的朋友用微信给你发了一条消息，这条消息需要从"网络格式"转换成你能看懂的文字。JSON反序列化就是做类似的事情.
• 另外就是关于数据的存储,因为复杂的结构化数据不能一直放在内存中,当要进入磁盘持久化时,可以选择将对象存储为JSon,清晰易读,现在很多程序的配置文件都是这么用的.

1.3 为什么要尝试单独实现?

很多自定义的场景,包括但不限于:

• 特殊场景的极限性能考虑,轻量级无需反射
• 特殊注释的实现 ( 根据JSON标准（RFC 8259），JSON格式不支持注释。这就是为什么很多严格的JSON解析器遇到注释会报错。)
• 无需考虑源生成,简单场景直接AOT编译
• 高度频繁修改的对象, 无需修改映射的实体对象.

二、解析主流程

整体流程就像拆快递包裹:拿到大包裹 -> 拆开大包裹 -> 如果大包裹里有小包裹 -> 再拆开小包裹

开始拆快递（Parse方法）↓
拿出小刀准备开箱（创建JsonReader）↓
判断里面是什么（ReadValue方法）↓
根据包装形状决定怎么拆：📦 如果是方盒子{ } → 拆对象（ReadObject）📦 如果是长盒子[ ] → 拆数组（ReadArray）  📦 如果是带""的 → 拆字符串（ReadString）📦 如果是数字 → 拆数字（ReadNumber）📦 如果是true/false → 拆布尔值（ReadBoolean）📦 如果是null → 拆空盒子（ReadNull）↓
把所有东西整理好↓
交给用户（返回结果）

我们暂时用List<object>,Dictionary<string,object>两个对象来描述json. 如1.1中所示的Json可以表现为:

Dictionary<string, object> json = new Dictionary<string, object>(){{ "name","小明" },{ "age",20 },{"isStudent", true},{"hobbies", new List<object>{"篮球", "音乐", "编程" } }};

是不是很简单呢?

类的整体架构如下:

LumJsonDeserializer│└── JsonReader (ref struct)├── ReadValue()        // 读取任意值├── ReadObject()       // 读取对象├── ReadArray()        // 读取数组├── ReadString()       // 读取字符串├── ReadNumber()       // 读取数字├── ReadBoolean()      // 读取布尔值└── ReadNull()         // 读取null

三、解析的具体实现

具体入口如下:

public static object? Parse(string json)
{var reader = new JsonReader(json);return reader.ReadValue();
}private ref struct JsonReader
{public object? ReadValue(){SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过空白和注释var current = _span[_position];return current switch{'{' => ReadObject(),     // 对象'[' => ReadArray(),      // 数组'"' => ReadString(),     // 字符串't' or 'f' => ReadBoolean(), // 布尔值'n' => ReadNull(),       // null_ when IsDigit(current) || current == '-' => ReadNumber(), // 数字'/' => ThrowUnexpectedComment(), // 意外注释_ => ThrowUnexpectedCharacter(current) // 意外字符};}
}

ReadValue()作为总入口，根据当前字符类型分发到具体的读取方法,即核心分发器.

3.1 读取JSON对象,以ReadObject()为例

ReadObject() → ReadString() → ReadValue() → (递归)

ReadObject()最终将创建 Dictionary<string, object?>对象,他主要母的是读取键值对，键必须是字符串.

 private Dictionary<string, object?> ReadObject()
{// 创建一个新的字典来存储解析后的键值对var obj = new Dictionary<string, object?>();_position++; // 跳过对象开始的大括号 '{'SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过可能的空白字符和注释// 检查是否立即遇到结束大括号 '}'（空对象情况）if (TryConsume('}'))return obj; // 如果是空对象，直接返回空字典// 开始循环处理对象中的每个键值对while (true){SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过键之前的空白字符和注释// 验证当前位置是否是双引号（JSON键必须是字符串）if (_span[_position] != '"')ThrowFormatException("Expected string key in object"); // 如果不是双引号，抛出格式异常var key = ReadString(); // 读取键的字符串值SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过键后面的空白字符和注释Consume(':'); // 消费并验证冒号分隔符，如果没有找到则抛出异常SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过冒号后面的空白字符和注释var value = ReadValue(); // 读取值（可以是任何JSON类型：字符串、数字、布尔值、对象、数组等）obj[key] = value; // 将键值对添加到字典中SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过值后面的空白字符和注释// 检查是否遇到对象结束的大括号 '}'if (TryConsume('}'))break; // 如果找到结束大括号，跳出循环Consume(','); // 消费并验证逗号分隔符，用于分隔多个键值对SkipWhitespaceAndComments(); // 跳过逗号后面的空白字符和注释}return obj; // 返回解析完成的字典
}

当需要读取json模式中的值对象时, 这个方法会再次递归调用ReadValue().是不是非常简单?
当然我们除了ReadObject(), 还有ReadValue(), ReadObject(),ReadArray(),ReadString(),ReadNumber(),ReadBoolean(),ReadNull()都需要一一实现, 具体可自行查看代码.

3.2 辅助方法.

• SkipWhitespaceAndComments() - 跳过空白和注释

 private void SkipWhitespaceAndComments(){while (_position < _span.Length){var current = _span[_position];if (char.IsWhiteSpace(current)){_position++;}else if (current == '/' && _position + 1 < _span.Length){var next = _span[_position + 1];if (next == '/'){SkipSingleLineComment(); //跳过单行注释}else if (next == '*'){SkipMultiLineComment(); //跳过多行注释块}else{break;}}else{break;}}}

• TryConsume - 处理掉预期的字符如",)和].
  比如当处于字符串中时

    private bool TryConsume(char expected){SkipWhitespaceAndComments();if (_position < _span.Length && _span[_position] == expected){_position++;return true;}return false;}

四 转义及特殊字符处理

4.1 转义字符

转义字符指的是当json的字符串值对象中含有的特殊含义的字符串,常见的比如有字符串 {"name:":"\"萤火\"初芒"}, 读取出来的字符串应该是含有引号的 "萤火"初芒。但是字符串总中的引号会干扰正常解析流程，造成程序误以为提前引号对提前关闭而出错。
因此需要单独针对转义符号\进行处理。具体方法是，当字符串解析过程ReadString()中，如果遇到转义符号\时，暂不处理，提前跳过标记。

private string ReadString(){_position++; // 跳过 '"'int start = _position;int length = 0;bool hasEscapes = false;// 第一遍：计算长度和检测转义字符while (_position < _span.Length){var current = _span[_position];if (current == '"')break;if (current == '\\') //识别到了转义符号标记{hasEscapes = true;_position++; // 跳过转义字符length++; // 跳过转义字符if (_position >= _span.Length)break;}_position++;length++;}if (_position >= _span.Length || _span[_position] != '"')ThrowFormatException("Unterminated string");var resultSpan = _span.Slice(start, length);_position++; // 跳过结尾的 '"'if (!hasEscapes)return new string(resultSpan);return ProcessStringWithEscapes(resultSpan); //转义字符替换}

在ProcessStringWithEscapes()方法中，处理的转义符号主要有以下集中：

 '"' => '"',    //引号'\\' => '\\',  //斜杠'/' => '/',  //斜杠'b' => '\b', 'f' => '\f','n' => '\n', //换行'r' => '\r', //换行't' => '\t','u' => ProcessUnicodeEscape(span, ref spanIndex),  //处理unicode字符，\u8424\u706b\u521d\u8292 -> 萤火初芒

4.2 数字处理

数字的处理比较简单，可以用库去实现，单这里列出了逐字符解析数字的过程。考虑了负数、小数点、科学计数等。
为了更好的展示自定义的功能，我们加入了对特殊数字表达的解析，如{"name:":.9527}。这样有一个好处，就是存储记录的时候省去了开头的一个0。一般的通用标准库是不支持对纯小数点开头的值.9527解析的。具体代码如下：

   private object ReadNumber()
{int start = _position;if (TryConsume('-'))start = _position;bool isDouble = _span[_position] == '.';if (isDouble) { _position++;}// 快速扫描数字while (_position < _span.Length && IsDigit(_span[_position]))_position++;if (_position < _span.Length && _span[_position] == '.'){if (isDouble){ThrowFormatException("Invalid number format");}isDouble = true;_position++;while (_position < _span.Length && IsDigit(_span[_position]))_position++;}if (_position < _span.Length && (_span[_position] == 'e' || _span[_position] == 'E')){isDouble = true;_position++;if (_position < _span.Length && (_span[_position] == '+' || _span[_position] == '-'))_position++;while (_position < _span.Length && IsDigit(_span[_position]))_position++;}var numberSpan = _span.Slice(start, _position - start);// 方案1：优先尝试解析为整数if (!isDouble && TryParseInteger(numberSpan, out long intValue))return intValue;// 方案2：使用 double.TryParse（优化版）if (TryParseDouble(numberSpan, out double doubleValue))return doubleValue;ThrowFormatException("Invalid number format");return 0;
}

五、最后

我们用c#完整实现了一个Json转换的单文件类，无反射，纯字符解析，完美支持aot。基于该json解析类，基于这个类，我们开发了一个简单读取修改保存的配置文件的库，简单的使用示例如下，可配置应用与任何场景，无需提前定义实体类映射：

// Create
LumConfigManager config = new LumConfigManager();config.Set("findmax", "xx");
config.Set("HotKey", 46);
config.Set("Now", DateTime.Now);
config.Set("TheHotKeys", new int[] { 46, 33, 21 });
config.Set("HotKeys:Mainkey", 426); // Nested configuration
config.Save("d:\\aa.json");// Read existed file
LumConfigManager loadedConfig = new LumConfigManager("d:\\aa.json");
Console.WriteLine(loadedConfig.GetInt("HotKeys:Mainkey"));
Console.WriteLine(loadedConfig.Get("Now"));
var hotkeys = loadedConfig.Get("TheHotKeys") as IList;
foreach (var key in hotkeys)
{Console.WriteLine(key);
}

保存的json文件如下：

{"findmax":"xx","HotKey":46,"Now":"2025/9/11 10:25:50","TheHotKeys":[46,33,21],"HotKeys":{"Mainkey":426}}

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