5. JsonFactory工厂而已,还蛮有料,这是我没想到的

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前言

各位好,我是YourBatman。前面用四篇文章介绍完了Jackson底层流式API的读(JsonParser)、写(JsonGenerator)操作,我们清楚的知道,这哥俩都是abstract抽象类,使用时并没有显示的去new它们的(子类)实例,均通过一个工厂来搞定,这便就是本文的主角JsonFactory

通过名称就知道,这是工厂设计模式。Jackson它并不建议你直接new读/写实例,因为那过于麻烦。为了对使用者屏蔽这些复杂的构造细节,于是就有了JsonFactory实例工厂的出现。

可能有的人会说,一个对象工厂有什么好了解的,很简单嘛。非也非也,一件事情本身的复杂度并不会凭空消失,而是从一个地方转移到另外一个地方,这另外一个地方指的就是JsonFactory。因此按照本系列的定位,了解它你绕不过去。

版本约定

  • Jackson版本:2.11.0
  • Spring Framework版本:5.2.6.RELEASE
  • Spring Boot版本:2.3.0.RELEASE

正文

JsonFactory是Jackson的(最)主要工厂类,用于 配置和构建JsonGeneratorJsonParser,这个工厂实例是线程安全的,因此可以重复使用。

作为一个实例工厂,它最重要的职责当然是创建实例对象。本工厂职责并不单一,它负责读、写两种实例的创建工作。

创建JsonGenerator实例


JsonGenerator它负责向目的地写数据,因此强调的是目的地在哪?如何写?

如截图所示,一共有六个重载方法用于构建JsonGenerator实例,多个重载方法目的是对使用者友好,我们可以认为最终效果是一样的。比如,底层实现是:

JsonFactory:

    @Override
    public JsonGenerator createGenerator(OutputStream out, JsonEncoding enc) throws IOException {
        IOContext ctxt = _createContext(out, false);
        ctxt.setEncoding(enc);
        
        // 如果编码是UTF-8
        if (enc == JsonEncoding.UTF8) {
            return _createUTF8Generator(_decorate(out, ctxt), ctxt);
        }
        // 使用指定的编码把OutputStream包装为一个writer
        Writer w = _createWriter(out, enc, ctxt);
        return _createGenerator(_decorate(w, ctxt), ctxt);
    }

这就解释了,为何在详解JsonGenerator的这篇文章中,我一直以UTF8JsonGenerator作为实例进行讲解,因为例子中指定的编码就是UTF-8嘛。当然,即使你自己不显示的指定编码集,默认情况下Jackson也是使用UTF-8:

JsonFactory:

    @Override
    public JsonGenerator createGenerator(OutputStream out) throws IOException {
        return createGenerator(out, JsonEncoding.UTF8);
    }

示例:

@Test
public void test1() throws IOException {
    JsonFactory jsonFactory = new JsonFactory();

    JsonGenerator jsonGenerator1 = jsonFactory.createGenerator(System.out);
    JsonGenerator jsonGenerator2 = jsonFactory.createGenerator(System.out, JsonEncoding.UTF8);

    System.out.println(jsonGenerator1);
    System.out.println(jsonGenerator2);
}

运行程序,输出:

com.fasterxml.jackson.core.json.UTF8JsonGenerator@cb51256
com.fasterxml.jackson.core.json.UTF8JsonGenerator@59906517

创建JsonParser实例


JsonParser它负责从一个JSON字符串中提取出值,因此它强调的是数据从哪来?如何解析?

如截图所示,一共11个重载方法(其实最后一个不属于重载)用于构建JsonParser实例,它的底层实现是根据不同的数据媒介,使用了不同的处理方式,最终生成UTF8StreamJsonParser/ReaderBasedJsonParser

你会发现这几个重载方法均无需我们指定编码集,那它是如何确定使用何种编码去解码形如byte[]数组这种数据来源的呢?这得益于其内部的编码自动发现机制实现,也就是ByteSourceJsonBootstrapper#detectEncoding()这个方法。

示例:

@Test
public void test2() throws IOException {
    JsonFactory jsonFactory = new JsonFactory();

    JsonParser jsonParser1 = jsonFactory.createParser("{}");
    // JsonParser jsonParser2 = jsonFactory.createParser(new FileReader("..."));
    JsonParser jsonParser3 = jsonFactory.createNonBlockingByteArrayParser();

    System.out.println(jsonParser1);
    // System.out.println(jsonParser2);
    System.out.println(jsonParser3);
}

运行程序,输出:

com.fasterxml.jackson.core.json.ReaderBasedJsonParser@5f3a4b84
com.fasterxml.jackson.core.json.async.NonBlockingJsonParser@27f723

创建非阻塞实例

值得注意的是,上面截图的11个方法中,最后一个并非重载。它创建的是一个非阻塞JSON解析器,也就是NonBlockingJsonParser,并且它还没有指定入参(数据源)。

NonBlockingJsonParser是Jackson在2.9版本新增的的一个解析器,目标是进一步提升效率、性能。但它也有局限的地方:只能解析使用UTF-8编码的内容,否则抛出异常

当然喽,现在UTF-8编码几乎成为了标准编码手段,问题不大。但是呢,我自己玩了玩NonBlockingJsonParser,发现复杂度增加不少(玩半天才玩明白),效果却并不显著,因此这里了解一下便可,至少目前不建议深入探究。

小贴士:不管是Spring还是Redis的反序列化,使用的均是普通的解析器(阻塞IO)。因为JSON解析过程从来都不会是性能瓶颈(特殊场景除外)

JsonFactory的Feature

除了JsonGenerator和JsonParser有Feature来控制行为外,JsonFactory也有自己的Feature特征,来控制自己的行为,可以理解为它对读/写均生效。

同样的也是一个内部枚举类:

public enum Feature {
    INTERN_FIELD_NAMES(true),
    CANONICALIZE_FIELD_NAMES(true),
    FAIL_ON_SYMBOL_HASH_OVERFLOW(true),
    USE_THREAD_LOCAL_FOR_BUFFER_RECYCLING(true)
}
小贴士:枚举值均为bool类型,括号内为默认值

每个枚举值都控制着JsonFactory不同的行为。

INTERN_FIELD_NAMES(true)

这是Jackson所谓的key缓存:对JSON的字段名是否调用String#intern方法,放进字符串常量池里,以提高效率,默认是true。

小贴士:Jackson在调用String#intern之前使用 InternCache(继承自ConcurrentHashMap)挡了一层,以防止高并发条件下intern效果不显著问题

intern()方法的作用这个老生常谈的话题了,解释为:当调用intern方法时,如果字符串池已经包含一个等于此String对象的字符串(内容相等),则返回池中的字符串。否则,将此 String放进池子里。下面写个例子增加感受感受:

@Test
public void test2() {
    String str1 = "a";
    String str2 = "b";
    String str3 = "ab";
    String str4 = str1 + str2;
    String str5 = new String("ab");

    System.out.println(str5.equals(str3)); // true
    System.out.println(str5 == str3); // false

    // str5.intern()去常量池里找到了ab,所以直接返回常量池里的地址值了,因此是true
    System.out.println(str5.intern() == str3); // true
    System.out.println(str5.intern() == str4); // false
}

可想而知,开启这个小功能的意义还是蛮大的。因为同一个格式的JSON串被多次解析的可能性是非常之大的,想想你的Rest API接口,被调用多少次就会进行了多少次JSON解析(想想高并发场景)。这是一种用空间换时间的思想,所以小小功能,大大能量。

小贴士:如果你的应用对内存很敏感,你可以关闭此特征。但,真的有这种应用吗?有吗?

值得注意的是:此特征必须是CANONICALIZE_FIELD_NAMES也为true(开启)的情况下才有效,否则是无效的。

CANONICALIZE_FIELD_NAMES(true)

是否需要规范化属性名。所谓的规范化处理,就是去字符串池里尝试找一个字符串出来,默认值为true。规范化借助的是ByteQuadsCanonicalizer去处理,简而言之会根据Hash值来计算每个属性名存放的位置~

小贴士:ByteQuadsCanonicalizer拥有一套优秀的Hash算法来规范化属性存储,提高效率,抵御攻击(见下特征)

此特征开启了,INTERN_FIELD_NAMES特征的开启才有意义~

FAIL_ON_SYMBOL_HASH_OVERFLOW(true)

ByteQuadsCanonicalizer处理hash碰撞达到一个阈值时,是否快速失败。

什么时候能达到阈值?官方的说明是:若触发了阈值,这基本可以确定是Dos(denial-of-service)攻击,制造了非常多的相同Hash值的key,这在正常情况下几乎是没有发生的可能性的。

所以,开启此特征值,可以防止攻击,在提高性能的同时也确保了安全。

USE_THREAD_LOCAL_FOR_BUFFER_RECYCLING(true)

是否使用BufferRecycler、ThreadLocal、SoftReference来有效的重用底层的输入/输出缓冲区。这个特性在后端服务(JavaEE)环境下是很有意义的,提效明显。但是对于在Android环境下就不见得了~

总而言之言而总之,JsonFactory的这几个特征值都建议开启,也就是维持默认即可。

定制读/写实例

读写行为的控制是通过各自的Feature来控制的,JsonFactory作为一个功能并非单一的工厂类,需要既能够定制化读JsonParser,也能定制化写JsonGenerator。

为此,对应的API它都提供了三份(一份定制化自己的Feature):

public JsonFactory enable(JsonFactory.Feature f);
public JsonFactory enable(JsonParser.Feature f);
public JsonFactory enable(JsonGenerator.Feature f);

public JsonFactory disable(JsonFactory.Feature f);
public JsonFactory disable(JsonParser.Feature f);
public JsonFactory disable(JsonGenerator.Feature f);

// 合二为一的Configure方法
public JsonFactory configure(JsonFactory.Feature f, boolean state);
public JsonFactory configure(JsonParser.Feature f, boolean state);
public JsonFactory configure(JsonGenerator.Feature f, boolean state);

使用示例:

@Test
public void test3() throws IOException {
    String jsonStr = "{\"age\":18, \"age\": 28 }";

    JsonFactory factory = new JsonFactory();
    factory.enable(JsonParser.Feature.STRICT_DUPLICATE_DETECTION);

    try (JsonParser jsonParser = factory.createParser(jsonStr)) {
        // 使用factory定制将不生效
        // factory.enable(JsonParser.Feature.STRICT_DUPLICATE_DETECTION);

        while (jsonParser.nextToken() != JsonToken.END_OBJECT) {
            String fieldname = jsonParser.getCurrentName();
            if ("age".equals(fieldname)) {
                jsonParser.nextToken();
                System.out.println(jsonParser.getIntValue());
            }
        }
    }
}

运行程序,抛出异常。证明特征开启成功,符合预期

com.fasterxml.jackson.core.JsonParseException: Duplicate field 'age'
 at [Source: (String)"{"age":18, "age": 28 }"; line: 1, column: 17]

在使用JsonFactory定制化读/写实例的时需要特别注意:请务必确保在factory.createXXX()之前配置好对应的Feature特征,若在实例创建好之后再弄的话,对已经创建的实例无效。

小贴士:实例创建好后若你还想定制,可以使用实例 自己的对应API操作

JsonFactoryBuilder

JsonFactory负责基类和实现类的双重任务,是比较重的,分离得也不彻底。同时,现在都2020年了,对于这种构建类工厂如果还不用Builder模式就现在太out了,书写起来也非常不便:

@Test
public void test4() throws IOException {
    JsonFactory jsonFactory = new JsonFactory();
    // jsonFactory自己的特征
    jsonFactory.enable(JsonFactory.Feature.INTERN_FIELD_NAMES);
    jsonFactory.enable(JsonFactory.Feature.CANONICALIZE_FIELD_NAMES);
    jsonFactory.enable(JsonFactory.Feature.USE_THREAD_LOCAL_FOR_BUFFER_RECYCLING);

    // JsonParser的特征
    jsonFactory.enable(JsonParser.Feature.ALLOW_SINGLE_QUOTES);
    jsonFactory.enable(JsonParser.Feature.ALLOW_BACKSLASH_ESCAPING_ANY_CHARACTER);

    // JsonGenerator的特征
    jsonFactory.enable(JsonGenerator.Feature.QUOTE_FIELD_NAMES);
    jsonFactory.enable(JsonGenerator.Feature.ESCAPE_NON_ASCII);

    // 创建读/写实例
    // jsonFactory.createParser(...);
    // jsonFactory.createGenerator(...);
}

功能实现上没毛病,但总显得不够优雅。同时上面也说了:定制化操作一定得在create创建动作之前执行,这全靠程序员自行控制。

Jackson在2.10版本新增了一个JsonFactoryBuilder构件类,让我们能够基于builder模式优雅的构建出一个JsonFactory实例。

小贴士:2.10版本是2019.09发布的

比如上面例子的代码使用JsonFactoryBuilder可重构为:

@Test
public void test4() throws IOException {
    JsonFactory jsonFactory = new JsonFactoryBuilder()
            // jsonFactory自己的特征
            .enable(INTERN_FIELD_NAMES)
            .enable(CANONICALIZE_FIELD_NAMES)
            .enable(USE_THREAD_LOCAL_FOR_BUFFER_RECYCLING)
            // JsonParser的特征
            .enable(ALLOW_SINGLE_QUOTES, ALLOW_BACKSLASH_ESCAPING_ANY_CHARACTER)
            // JsonGenerator的特征
            .enable(QUOTE_FIELD_NAMES, ESCAPE_NON_ASCII)

            .build();

    // 创建读/写实例
    // jsonFactory.createParser(...);
    // jsonFactory.createGenerator(...);
}

对比起来,使用Builder模式优雅太多了。

因为JsonFactory是线程安全的,因此一般情况下全局我们只需要一个JsonFactory实例即可,推荐使用JsonFactoryBuilder去完成你的构建。

小贴士:使用JsonFactoryBuilder确保你的Jackson版本至少是2.10版本哦~

SPI方式

从源码包里发现,JsonFactory是支持Java SPI方式构建实例的。

文件内容为:

com.fasterxml.jackson.core.JsonFactory

因此,我可以使用Java SPI的方式得到一个JsonFactory实例:

@Test
public void test5() {
    ServiceLoader jsonFactories = ServiceLoader.load(JsonFactory.class);
    System.out.println(jsonFactories.iterator().next());
}

运行程序,妥妥的输出:

com.fasterxml.jackson.core.JsonFactory@4abdb505

这种方式,玩玩即可,在这里没实际用途。

总结

本文围绕JsonFactory工厂为核心,讲解了它是如何创建、定制读/写实例的。对于自己的实例的创建共有三种方式:

  1. 直接new实例
  2. 使用JsonFactoryBuilder构建(需要2.10或以上版本)
  3. SPI方式创建实例

其中方式2是被推荐的,如果你的版本较低,就老老实实使用方式1呗。至于方式3嘛,玩玩就行,别当真。

至此,jackson-core的三大核心内容:JsonGenerator、JsonParser、JsonFactory全部介绍完了,它们是jackson 其它所有模块 的基石,需要掌握扎实喽。

下篇文章更有意思,会分析Jackson里Feature机制的设计,使用补码、掩码来实现是高效的体现,同时设计上也非常优美,下文见。

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