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JSON（JavaScript Object Notation）是一种常用于数据交换的轻量级数据格式。它易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。在 Python 中，可以使用内置的 json 模块来处理 JSON 数据。本文将详细介绍如何在 Python 中读取和写入 JSON 数据，以及如何处理复杂的 JSON 结构。

什么是 JSON？

JSON 是一种用于表示数据的文本格式，通常以键值对的形式表示数据项。JSON 数据是纯文本，可以轻松在不同编程语言之间进行交换和解析。

JSON 由以下基本数据类型组成：

• 对象（Object）：由一对大括号 {} 包围的无序键值对，键和值之间用冒号 : 分隔，多个键值对之间用逗号 , 分隔。键必须是字符串，值可以是字符串、数字、布尔值、数组、对象或 null。

• 数组（Array）：由一对中括号 [] 包围的有序值的集合，多个值之间用逗号 , 分隔。值可以是字符串、数字、布尔值、数组、对象或 null。

• 字符串（String）：由双引号 " 包围的字符序列。

• 数字（Number）：整数或浮点数。

• 布尔值（Boolean）：true 或 false。

• 空值（null）：表示空值。

以下是一个简单的 JSON 示例：

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "is_student": false,
  "grades": [85, 92, 78],
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  }
}

读取 JSON 数据

在 Python 中读取 JSON 数据非常简单，可以使用 json 模块中的 load() 或 loads() 函数来实现。load() 用于从文件中读取 JSON 数据，而 loads() 用于从字符串中读取 JSON 数据。

从文件读取 JSON 数据

假设有一个名为 data.json 的 JSON 文件，包含以下内容：

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "is_student": false,
  "grades": [85, 92, 78],
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  }
}

可以使用 json.load() 函数来读取该文件：

import json

# 打开 JSON 文件
with open('data.json', 'r') as file:
    data = json.load(file)

# 打印读取的 JSON 数据
print(data)

运行上述代码后，将输出以下结果：

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "is_student": false,
  "grades": [85, 92, 78],
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  }
}

json.load() 函数将文件内容解析为 Python 字典（或其他适当的数据结构），以供进一步处理。

从字符串读取 JSON 数据

如果 JSON 数据存储在一个字符串中，可以使用 json.loads() 函数来解析它：

import json

# JSON 字符串
json_string = '{"name": "Alice", "age": 30, "is_student": false}'

# 解析 JSON 字符串
data = json.loads(json_string)

# 打印解析后的数据
print(data)

运行上述代码后，将输出以下结果：

{
  "name": "Alice",
  "age": 30,
  "is_student": false
}

json.loads() 函数将 JSON 字符串解析为 Python 字典。

写入 JSON 数据

与读取 JSON 数据类似，Python 中写入 JSON 数据也非常容易。可以使用 json 模块中的 dump() 或 dumps() 函数来实现。dump() 用于将数据写入文件，而 dumps() 用于将数据转换为 JSON 字符串。

写入 JSON 数据到文件

假设有一个 Python 字典，希望将其写入一个名为 output.json 的 JSON 文件中：

import json

# 要写入的数据
data = {
    "name": "Bob",
    "age": 25,
    "is_student": True
}

# 将数据写入 JSON 文件
with open('output.json', 'w') as file:
    json.dump(data, file)

运行上述代码后，将在当前目录下创建一个名为 output.json 的文件，其中包含写入的 JSON 数据。

将数据转换为 JSON 字符串

如果想要将数据转换为 JSON 格式的字符串，可以使用 json.dumps() 函数：

import json

# 要转换的数据
data = {
    "name": "Charlie",
    "age": 35,
    "is_student": False
}

# 将数据转换为 JSON 字符串
json_string = json.dumps(data)

# 打印 JSON 字符串
print(json_string)

运行上述代码后，将输出以下结果：

{"name": "Charlie", "age": 35, "is_student": false}

json.dumps() 函数将 Python 字典转换为 JSON 格式的字符串。

处理复杂的 JSON 结构

有时，JSON 数据可能包含嵌套的对象和数组，处理这些复杂的结构也很容易。可以使用递归来访问和修改 JSON 数据中的嵌套元素。

访问嵌套元素

假设有以下复杂的 JSON 数据：

{
  "name": "David",
  "address": {
    "street": "456 Elm St",
    "city": "Los Angeles"
  },
  "friends": [
    {"name": "Ella", "age": 28},
    {"name": "Frank", "age": 32}
  ]
}

可以通过多层索引来访问嵌套的元素：

import json

# JSON 数据
json_data = {
  "name": "David",
  "address": {
    "street": "456 Elm St",
    "city": "Los Angeles"
  },
  "friends": [
    {"name": "Ella", "age": 28},
    {"name": "Frank", "age": 32}
  ]
}

# 访问嵌套元素
name = json_data["name"]
street = json_data["address"]["street"]
friend_name = json_data["friends"][0]["name"]

print("Name:", name)
print("Street:", street)
print("Friend's Name:", friend_name)

运行上述代码后，将输出以下结果：

Name: David
Street: 456 Elm St
Friend's Name: Ella

修改嵌套元素

如果想要修改 JSON 数据中的某个嵌套元素，也可以轻松实现。

例如，可以修改上述 JSON 数据中 Ella 的年龄：

import json

# JSON 数据
json_data = {
  "name": "David",
  "address": {
    "street": "456 Elm St",
    "city": "Los Angeles"
  },
  "friends": [
    {"name": "Ella", "age": 28},
    {"name": "Frank", "age": 32}
  ]
}

# 修改嵌套元素
json_data["friends"][0]["age"] = 29

# 打印修改后的 JSON 数据
print(json_data)

运行上述代码后，将输出以下结果：

{
  "name": "David",
  "address": {
    "street": "456 Elm St",
    "city": "Los Angeles"
  },
  "friends": [
    {"name": "Ella", "age": 29},
    {"name": "Frank", "age": 32}
  ]
}

处理异常

在读取和解析 JSON 数据时，有可能会出现异常。常见的异常包括 json.JSONDecodeError（解析错误）和 FileNotFoundError（文件不存在）。为了确保代码的稳定性，应该处理这些异常。

下面是一个读取 JSON 文件并处理异常的示例：

import json

try:
    with open('non_existent_file.json', 'r') as file:
        data = json.load(file)
except FileNotFoundError:
    print("File not found.")
except json.JSONDecodeError as e:
    print(f"JSON decode error: {e}")

在上述代码中，首先尝试打开文件并读取 JSON 数据。如果文件不存在，将捕获 FileNotFoundError 异常并打印一条相应的错误消息。如果 JSON 数据解析出现问题，将捕获 json.JSONDecodeError 异常并打印解析错误的详细信息。

总结

Python 的 json 模块提供了强大的功能，用于读取和写入 JSON 数据。无论是处理简单的键值对还是复杂的嵌套结构，Python 都提供了方便的工具来处理 JSON 数据。通过使用这些技巧，可以轻松地与其他应用程序和服务进行数据交互，从而更好地利用和分享数据。

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