每秒解析千兆字节的JSON解析器开源，秒杀一大波解析器！

Posted 2021-04-30 前端之巅

译者｜无明

编辑｜覃云

近日，GitHub 开源了一 JSON 解析器 simdjson，将其与其他常用解析器进行对比实验，结果显示，simdjson 的解析速度达到 2.2GB/s，远远秒杀其他解析器，在下文中，我们将为大家详细介绍 simdjson。以下全文为 simdjson 在 GitHub 上的文档。

JSON 文档在互联网上无处不在，服务器花费大量时间来解析这些文档。我们希望在进行完全验证（包括字符编码）的同时尽可能使用常用的 SIMD 指令来加速 JSON 的解析。

一些性能结果

相比最先进的解析器（如 RapidJSON），我们可能使用四分之一或更少的指令，也只有 sajson 的一半。据我们所知，simdjson 是第一个在商用处理器上以每秒千兆字节速度运行的完全验证 JSON 解析器。

在 Skylake 处理器上，各种解析器解析 twitter.json 文件的速度（以 GB/s 为单位）如下所示。

基本要求

• 通过 Visual Studio 2017 或更高版本支持 Linux、macOS 以及 Windows 等平台；

• 带有 AVX2 的处理器；

• 支持最近的 C++ 编译器（例如，GNU GCC 或 LLVM CLANG 或 Visual Studio 2017），我们假设是 C++ 17，GNU GCC 7 或更高版本，或者 LLVM 的 clang 6 或更高版本；

• 提供一些基准测试脚本，可以是 bash 和其他常用的实用命令程序，但是是可选的。

许可

代码采用 Apache License 2.0 许可。

在 Windows 下，我们使用 windows/dirent_portable.h 文件（在我们的库代码之外）构建了一些工具：基于自由的 MIT 许可。

代码示例

#include "simdjson/jsonparser.h"

/...

const char * filename = ... //

// use whatever means you want to get a string of your JSON document
std::string_view p = get_corpus(filename);
ParsedJson pj;
pj.allocateCapacity(p.size()); // allocate memory for parsing up to p.size() bytes
bool is_ok = json_parse(p, pj); // do the parsing, return false on error
// parsing is done!
// You can safely delete the string content
free((void*)p.data());
// the ParsedJson document can be used here
// js can be reused with other json_parse calls.

如果你不介意为每个新的 JSON 文档分配内存，也可以使用更简单的 API：

#include "simdjson/jsonparser.h"

/...

const char * filename = ... //
std::string_view p = get_corpus(filename);
ParsedJson pj = build_parsed_json(p); // do the parsing
// you no longer need p at this point, can do aligned_free((void*)p.data())
if( ! pj.isValid() ) {
    // something went wrong
}

用法

简单的头文件

头文件可以看一下代码库的“singleheader”，用法可以看一下“amalgamation_demo.cpp”文件。这里不要求使用特定的构建系统：只需要将文件复制到项目中的路径中即可。然后，你就可以包含它们：

#include <iostream>
#include "simdjson.h"
#include "simdjson.cpp"
int main(int argc, char *argv[]) {
  const char * filename = argv[1]; 
  std::string_view p = get_corpus(filename);
  ParsedJson pj = build_parsed_json(p); // do the parsing
  if( ! pj.isValid() ) {
    std::cout << "not valid" << std::endl;
  } else {
    std::cout << "valid" << std::endl;
  }
  return EXIT_SUCCESS;
}

注意：在某些环境中，可能需要预编译 simdjson.cpp，而不是包含它。

在 Linux 或 macOS 等平台上使用旧版 Makefile

要求：最近的 clang（或 gcc）和 make。我们建议至少使用 GNU GCC/G ++ 7 或 LLVM clang 6，Linux 或 macOS 系统。

测试：

make
make test

运行基准测试：

make parse
./parse jsonexamples/twitter.json

在 Linux 上，parse 命令提供了性能计数器的详细分析。

运行其他作为比较的基准测试（使用其他解析器）：

make benchmark

使用 Linux 或 macOS 等平台上的 CMake

要求：需要最新版本的 cmake，在 macOS 上，安装 cmake 的最简单方法可能是使用 brew。

brew install cmake

你需要一个像 clang 或 gcc 这样的新版编译器。我们建议至少使用 GNU GCC/G ++ 7 或 LLVM clang 6。例如，你可以使用 brew 安装最新的编译器：

brew install gcc@8

可选：你需要通过设置 CC 和 CXX 变量告诉 cmake 你希望使用哪个编译器。在 bash 中，你可以使用 export CC = gcc-7 和 export CXX = g++-7 等命令。

构建：在项目代码库中执行以下命令：

mkdir build
cd build
cmake ..
make
make test

CMake 将会构建出一个库。默认情况下，它构建的是一个共享库（例如，Linux 上的 libsimdjson.so）。

你可以构建一个静态库：

mkdir buildstatic
cd buildstatic
cmake -DSIMDJSON_BUILD_STATIC=ON ..
make 
make test

在某些情况下，你可能希望指定编译器，尤其是当系统默认编译器太旧的情况下。你可以按以下步骤操作：

brew install gcc@8
mkdir build
cd build
export CXX=g++-8 CC=gcc-8
cmake ..
make
make test

通过 Visual Studio 在 Windows 上使用 CMake

我们假设你拥有一台至少装有 Visual Studio 2017 的普通 Windows PC，并支持 AVX2 的 x64 处理器（2013 Haswell 或更高版本）。

• 从 GitHub 获取 simdjson 代码，例如，使用 GitHub Desktop 克隆它。

• 安装 CMake。在安装时，请确保可以从命令行使用 cmake。请选择最新版本的 cmake。

• 在 simdjson 中创建一个子目录，例如 VisualStudio。

• 在 shell 中转到这个新创建的目录。

• 在 shell 中键入 cmake -DCMAKE_GENERATOR_PLATFORM=x64 ..（或者，如果要构建 DLL，可以使用命令行 cmake -DCMAKE_GENERATOR_PLATFORM=x64 -DSIMDJSON_BUILD_STATIC=OFF ..）。

• 最后一个命令在新创建的目录（例如 simdjson.sln）中创建了一个 Visual Studio 解决方案文件。在 Visual Studio 中打开这个文件。你现在应该能够构建项目并运行测试。例如，在“Solution Explorer”窗口中，右键单击“ALL_BUILD”，并选择“Build”。要测试代码，仍然在 Solution Explorer 窗口中，选择 RUN_TESTS，再选择 Build。

工具

• json2json mydoc.json 解析文档，构造模型，然后将结果输出到标准输出。

• json2json -d mydoc.json 解析文档，构造模型，然后将模型输出到标准输出。格式在随附的文件 tape.md 中有描述。

• minify mydoc.json 缩小 JSON 文档，将结果输出到标准输出。缩小意味着删除不必要的空格。

范围

我们提供了一个非常快的解析器。它根据各种规格对输入进行完全的验证。解析器会构建一个不可变（只读）的 DOM（文档对象模型），供后续访问。

为了简化工程，我们做了一些假设。

• 支持 UTF-8（以及 ASCII），没有别的（没有 Latin，没有 UTF-16）。我们不认为这是一个真正的限制，因为我们不认为会有哪个严肃的应用程序需要在没有 ASCII 或 UTF-8 编码的情况下处理 JSON 数据。

• 我们将字符串存储为以 NULL 作为终止符的 C 字符串。因此，我们假设字符串中不包含 NULL 字符。

• 我们假设支持 AVX2，这在 AMD 和英特尔生产的所有最新主流 x86 处理器中都可用。不支持非 x86 处理器，尽管我们可以支持。我们计划支持 ARM 处理器。

• 如果发生故障，我们只会报告故障，而不会指出问题的性质。

• 在规范允许的情况下，我们允许对象内存在重复的 key。

• 性能针对跨越几千字节到几兆字节的 JSON 文档进行了优化：解析很多小型 JSON 文档和一个大 JSON 文档的性能问题是不一样的。

我们的目标不是要提供通用的 JSON 库。像 RapidJSON 这样的库不仅提供了解析功能，它还可以用来生成 JSON，并提供了各种其他方便的功能。我们只解析文档。

特性

• 不需改输入的字符串。（像 sajson 和 RapidJSON 这样的解析器使用输入字符串作为缓冲区。）

• 将整数和浮点数解析为单独的类型，这样可以支持 [-9223372036854775808,9223372036854775808] 区间的 64 位整数，就像 Java 的 long 或 C/C++ 的 long long。在区分整数和浮点数的解析器中，并非所有解析器都支持 64 位整数。（例如，sajson 不支持包含大于或等于 2147483648 整数的 JSON 文件。FreeJSON 将长整数解析为浮点数。）当我们无法将整数表示为带符号的 64 位值时，我们就拒绝解析 JSON 文档。

• 在解析过程中进行完整的 UTF-8 验证。（像 fastjson、gason 和 dropbox json11 这样的解析器不会进行 UTF-8 验证。）

• 完全验证数字。（像 gason 和 ultranjson 这样的解析器会接受 [0e+] 这样的数字。）

• 验证字符串内容中的未转义字符。（像 fastjson 和 ultrajson 这样的解析器接受字符串中未转义的换行符和制表符。）

架构

解析器分三个阶段：

• 阶段 1，（查找标记）快速标识结构元素、字符串等。我们在这个阶段验证 UTF-8 编码。

• 阶段 2，（结构构建）构建排序的“树”（物化为磁带），以方便访问数据。我们在这个阶段解析字符串和数字。

访问已解析的文档

以下是将解析后的 JSON 转储回字符串的代码示例：

ParsedJson::iterator pjh(pj);
    if (!pjh.isOk()) {
      std::cerr << " Could not iterate parsed result. " << std::endl;
      return EXIT_FAILURE;
    }
    compute_dump(pj);
    //
    // where compute_dump is :

void compute_dump(ParsedJson::iterator &pjh) {
  if (pjh.is_object()) {
    std::cout << "{";
    if (pjh.down()) {
      pjh.print(std::cout); // must be a string
      std::cout << ":";
      pjh.next();
      compute_dump(pjh); // let us recurse
      while (pjh.next()) {
        std::cout << ",";
        pjh.print(std::cout);
        std::cout << ":";
        pjh.next();
        compute_dump(pjh); // let us recurse
      }
      pjh.up();
    }
    std::cout << "}";
  } else if (pjh.is_array()) {
    std::cout << "[";
    if (pjh.down()) {
      compute_dump(pjh); // let us recurse
      while (pjh.next()) {
        std::cout << ",";
        compute_dump(pjh); // let us recurse
      }
      pjh.up();
    }
    std::cout << "]";
  } else {
    pjh.print(std::cout); // just print the lone value
  }
}

下面的函数将找出所有的 user.id 整数：

void simdjson_traverse(std::vector<int64_t> &answer, ParsedJson::iterator &i) {
  switch (i.get_type()) {
  case '{':
    if (i.down()) {
      do {
        bool founduser = equals(i.get_string(), "user");
        i.next(); // move to value
        if (i.is_object()) {
          if (founduser && i.move_to_key("id")) {
            if (i.is_integer()) {
              answer.push_back(i.get_integer());
            }
            i.up();
          }
          simdjson_traverse(answer, i);
        } else if (i.is_array()) {
          simdjson_traverse(answer, i);
        }
      } while (i.next());
      i.up();
    }
    break;
  case '[':
    if (i.down()) {
      do {
        if (i.is_object_or_array()) {
          simdjson_traverse(answer, i);
        }
      } while (i.next());
      i.up();
    }
    break;
  case 'l':
  case 'd':
  case 'n':
  case 't':
  case 'f':
  default:
    break;
  }
}

深度比较

如果你想了解各种解析器如何验证给定的 JSON 文件：

make allparserscheckfile
./allparserscheckfile myfile.json

性能比较：

make parsingcompetition
./parsingcompetition myfile.json

更广泛的比较：

make allparsingcompetition
./allparsingcompetition myfile.json

英文原文：https://github.com/lemire/simdjson

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