JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级、易于阅读和编写的文本数据交换格式，广泛用于Web应用、API数据传输和配置文件存储。本文将详细介绍JSON的结构，并通过Python标准库json模块，演示如何实现JSON的读取、写入、查询与修改。

一、JSON基础语法

1. JSON数据结构

JSON支持以下数据类型：

• 对象（Object）：键值对的集合，用{}包裹，键必须为字符串且用双引号括起。
• 数组（Array）：有序的值列表，用[]包裹。
• 字符串（String）：用双引号括起。
• 数值（Number）：整数或浮点数。
• 布尔值（Boolean）：true或false（注意全小写）。
• 空值（Null）：null。

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "is_student": false,
  "scores": [90, 85, 95],
  "address": {
    "city": "Beijing",
    "zipcode": "100000"
  }
}

2. JSON与XML的对比

• 轻量级：JSON比XML结构更简洁，体积更小。
• 易读性：JSON使用键值对，更直观。
• 跨语言支持：JSON是语言无关的，支持多种编程语言解析。

二、Python中操作JSON的工具：json模块

Python标准库的json模块提供了对JSON数据的解析和生成功能，无需额外安装。

1. 安装与导入

import json  # 直接导入即可

三、JSON的读取（解析）

1. 从字符串解析（json.loads()）

将JSON格式的字符串转换为Python对象（字典或列表）。

json_str = '{"name": "Bob", "age": 25}'
data = json.loads(json_str)
print(type(data))  # 输出: <class 'dict'>
print(data["name"])  # 输出: Bob

2. 从文件读取（json.load()）

读取JSON文件内容并转换为Python对象。

with open("data.json", "r", encoding="utf-8") as f:
    data = json.load(f)
print(data["address"]["city"])  # 输出: Beijing

四、JSON的写入（序列化）

1. 将Python对象转为JSON字符串（json.dumps()）

data = {
    "name": "Charlie",
    "hobbies": ["reading", "coding"]
}
json_str = json.dumps(data, indent=2)  # indent参数使输出更易读
print(json_str)
# 输出：
# {
#   "name": "Charlie",
#   "hobbies": ["reading", "coding"]
# }

2. 写入JSON文件（json.dump()）

with open("output.json", "w", encoding="utf-8") as f:
    json.dump(data, f, indent=2)

五、JSON数据的查询与访问

1. 访问嵌套数据

data = {
    "user": {
        "name": "David",
        "contacts": {
            "email": "david@example.com",
            "phone": "123456789"
        }
    }
}

# 访问嵌套键
print(data["user"]["contacts"]["email"])  # 输出: david@example.com

2. 遍历数组

scores = [90, 85, 95]
for score in data["scores"]:
    print(score)  # 输出每个分数

3. 安全访问（避免KeyError）

使用.get()方法防止键不存在的错误：

email = data.get("user", {}).get("contacts", {}).get("email", "N/A")
print(email)  # 若路径存在则返回值，否则返回"N/A"

六、JSON数据的修改与删除

1. 修改数据

data["age"] = 31  # 修改现有键的值
data["new_key"] = "new_value"  # 添加新键值对

2. 删除数据

del data["age"]  # 删除键"age"
popped_value = data.pop("hobbies", None)  # 弹出键"hobbies"，返回默认值None

3. 保存修改后的数据

修改后需要重新写入文件：

with open("updated.json", "w") as f:
    json.dump(data, f, indent=2)

七、错误处理

1. 解析异常处理

try:
    invalid_json = "{name: 'Eve'}"  # 错误：键未用双引号包裹
    data = json.loads(invalid_json)
except json.JSONDecodeError as e:
    print(f"解析失败: {e}")

2. 文件操作异常

try:
    with open("nonexistent.json", "r") as f:
        data = json.load(f)
except FileNotFoundError:
    print("文件不存在！")

八、进阶技巧

1. 处理复杂嵌套结构

使用递归遍历或第三方库（如jsonpath-ng）：

from jsonpath_ng import jsonpath, parse

# 查询所有邮箱地址
expression = parse('$.users[*].contacts.email')
for match in expression.find(data):
    print(match.value)

2. 自定义序列化

对于复杂对象（如自定义类），需定义default函数：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

def encode_person(obj):
    if isinstance(obj, Person):
        return {"name": obj.name, "age": obj.age}
    raise TypeError("类型未支持")

p = Person("Frank", 35)
json_str = json.dumps(p, default=encode_person)

九、总结

JSON因其简洁性和跨平台兼容性成为数据交换的首选格式。通过Python的json模块，可以轻松实现JSON的读写、查询和修改。对于复杂场景，可结合第三方库（如pandas或jsonpath-ng）进一步扩展功能。掌握JSON操作是开发中处理API数据、配置文件和数据持久化的重要技能。

附：常用代码模板

# 读取JSON文件
def read_json(file_path):
    with open(file_path, 'r') as f:
        return json.load(f)

# 写入JSON文件
def write_json(data, file_path):
    with open(file_path, 'w') as f:
        json.dump(data, f, indent=2, ensure_ascii=False)