JSON數(shù)據(jù)傳輸效率研究

高 靜， 段會川

(山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014)

0 引 言

選擇一種合適的數(shù)據(jù)傳輸格式是Web開發(fā)不可忽視的問題，而數(shù)據(jù)傳輸效率是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，因此對不同數(shù)據(jù)傳輸格式的傳輸效率進(jìn)行研究就顯得尤為重要。目前，已有對XML和FSV格式的數(shù)據(jù)傳輸開銷的研究[1]，而JSON序列化機(jī)制因易于編碼和便于機(jī)器解析而受到越來越多的關(guān)注，對JSON的數(shù)據(jù)傳輸開銷仍未有研究。本文將對XML、FSV及JSON從數(shù)據(jù)傳輸開銷、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間以及客戶端數(shù)據(jù)反序列化效率3個(gè)角度進(jìn)行比較研究，以求給開發(fā)者選擇數(shù)據(jù)傳輸格式提供有力的參考依據(jù)。

1 JSON簡介

JSON作為一種輕量級的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以在多種語言之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。JSON易于閱讀和編碼，且它是JavaScript規(guī)范的子集，能被支持JavaScript的瀏覽器所解析，相比XML，減少了解析時(shí)帶來的性能和兼容性問題，這些特性使JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言。

1.1 JSON語法格式

JSON具有以下主要形式[2-3]：

(1)對象：是一個(gè)無序的“‘名稱/值’對”集合。一個(gè)對象以“{”開始，“}”結(jié)束，每個(gè)“名稱”后跟一個(gè)“：”，“名稱”使用““””括起來“‘名稱/值’”之間使用“，”將其分隔。圖1是JSON創(chuàng)建對象的格式。

圖1 對象格式

下面是一個(gè)簡單示例：

var user={"username":"andy","age":"20"，"sex":"female"}

這個(gè)對象包含了3個(gè)元素username；age；sex,它們的值分別是 andy；20；female。

(2)數(shù)組：是值的有序集合。一個(gè)數(shù)組以“[”開始，“]”結(jié)束，值之間使用“，”將其分隔。圖2是JSON創(chuàng)建數(shù)組的格式。

圖2 數(shù)組格式

下面是一個(gè)簡單示例：

var user=['lily','tom','sara']

這個(gè)例子表明，在數(shù)組user中包含3個(gè)元素‘lily’，‘tom’,‘sara’。

1.2 JSON序列化與反序列化

序列化(Serialization)是將對象狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可保持或傳輸?shù)母袷降倪^程。與序列化相對的就是反序列化，它將流轉(zhuǎn)換為對象。這兩個(gè)過程結(jié)合起來，可以輕松地存儲和傳輸數(shù)據(jù)[4]。

首先服務(wù)器直接生成JavaScript語句，客戶端獲取后直接用eval方法來獲得這個(gè)對象。

var mydate=eval(＂("+dd+")＂);

通過上面這條語句就可以將從服務(wù)器獲得的JSON結(jié)果dd，轉(zhuǎn)換為JSON對象mydate。需要注意的是，要在這個(gè)字符串兩端套上小括號。然后客戶端通過 JavaScript引擎中的eval()函數(shù)反序列化JSON響應(yīng)序列，使之運(yùn)行在客戶的瀏覽器上。

2 數(shù)據(jù)傳輸開銷計(jì)算公式

數(shù)據(jù)傳輸過程中的開銷主要來源于屬性名稱、標(biāo)簽及符號。以一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)表為例，每一列即為一個(gè)屬性，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)表

RamonLawrence對XML及FSV數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷公式[1]已有研究，假設(shè)對于任一屬性a，S表示a的最大模式(Schema)，D表示a的數(shù)據(jù)值(Data)，N表示屬性名稱(Name)，E表示屬性值為空(Empty)的部分所占的比例。則FSV數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷可表示為(S-D)，即最大模式與數(shù)據(jù)值大小之差。

XML分為無空屬性XML和含空屬性XML兩類。若用XML描述第一條數(shù)據(jù)記錄的Tel屬性，可表示為。對于無空屬性XML，即當(dāng)屬性值為空時(shí)，不創(chuàng)建元素，數(shù)據(jù)傳輸開銷表示為(2*N+5)*(1-E)，5表示開關(guān)標(biāo)簽符號(‘<’,‘>’，‘/’)共 5個(gè)。對于含空屬性 XML，即屬性值為空，但標(biāo)簽及屬性名稱仍然保留，若第一條數(shù)據(jù)記錄的Tel屬性值為空，則用XML可表示為，此時(shí)相當(dāng)于E=0，XML數(shù)據(jù)傳輸開銷為2*N+5。

對于JSON，也分為無空屬性JSON和含空屬性JSON兩類。若用JSON表示第一條數(shù)據(jù)記錄，可表示為 {“No”:“1”,“Sex”:“female”,“Tel”:“123”,“Age”:“10”}。對于每個(gè)屬性由于屬性名稱無需成對出現(xiàn)，只需一個(gè)表示，另外包含符號(‘＂’，‘＂’，‘：’，‘，’)共 6 個(gè)，因此，無空屬性JSON(當(dāng)屬性值為空時(shí)，不創(chuàng)建元素)，數(shù)據(jù)傳輸開銷可表示為(N+6)*(1-E)。對于含空屬性JSON(屬性值為空，但標(biāo)簽仍然保留)，若第一條數(shù)據(jù)記錄的 Tel屬性值為空，則可表示為 {“No”:“1”,“Sex”:“female”,“Tel”:“”,“Age”:“10”}，即E=0時(shí)，JSON數(shù)據(jù)傳輸開銷為N+6。

經(jīng)過以上分析，得出不同數(shù)據(jù)傳輸格式開銷計(jì)算公式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)傳輸開銷計(jì)算公式

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集

實(shí)驗(yàn)所引用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集[1]如表3所示。這是RamonLawrence由Java程序DBstats通過JDBC連接樣例數(shù)據(jù)庫得來，其中樣例數(shù)據(jù)庫來自MicrosoftAccess的Northwind數(shù)據(jù)庫，以及UCI KDD和ML庫，還有一些互聯(lián)網(wǎng)上的公用數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)集分為模式級和數(shù)據(jù)級，取得了數(shù)據(jù)級屬性名稱(N)，模式(S)及數(shù)據(jù)值(D)等數(shù)值的大小，所取數(shù)據(jù)均保留兩位有效數(shù)字。其中使用比例(D/S)表示數(shù)據(jù)值占模式大小的比例，未用比例(E)表示屬性值為空的部分所占的比例。

表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集

由表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，各數(shù)據(jù)庫屬性名稱(N)平均值大約為8，模式大小(S)平均值大約為20，數(shù)據(jù)值(D)平均值大約為7，數(shù)據(jù)值占模式大小的比例(D/S)平均值大約為40%，而屬性值為空的部分所占比例平均值大約為7%，這些數(shù)據(jù)對于分析數(shù)據(jù)傳輸開銷具有重要意義。為更直觀地表示，各樣例數(shù)據(jù)庫屬性名稱(N)、模式(S)及數(shù)據(jù)值(D)用折線圖如圖3所示。

圖3 樣例數(shù)據(jù)庫屬性名稱、模式、數(shù)據(jù)值比較

3.2 數(shù)據(jù)傳輸開銷比較

將上節(jié)中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)利用表2中各數(shù)據(jù)傳輸格式開銷公式計(jì)算，得到不同數(shù)據(jù)傳輸格式開銷，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理如表4所示(表中數(shù)據(jù)均保留兩位有效數(shù)字)。

由于各樣例數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄集較大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的精確性，而經(jīng)過對同一數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄的不同數(shù)據(jù)傳輸格式傳輸，可以得到較為公正的結(jié)果。

表4中，以Northwind數(shù)據(jù)庫為例，已知N=8.96,S=15.24,D=6.86，則FSV數(shù)據(jù)傳輸開銷為S-D=8.38，含空屬性XML數(shù)據(jù)傳輸開銷為2*N+5=22.92，無空屬性XML數(shù)據(jù)傳輸開銷為(2*N+5)*(1-E)=22.29，含空屬性JSON數(shù)據(jù)傳輸開銷為N+6=14.96，無空屬性JSON數(shù)據(jù)傳輸開銷為(N+6)*(1-E)=14.55。以此類推，得到不同數(shù)據(jù)傳輸格式的開銷。為便于直觀比較，將不同數(shù)據(jù)傳輸格式的開銷以條形圖形式表示如圖4所示。

表4 不同數(shù)據(jù)傳輸格式開銷量化比較

圖4 不同數(shù)據(jù)傳輸格式開銷直觀比較

從以上圖表中可以看出：

(1)含空屬性JSON的開銷平均值為13.58，無空屬性JSON的開銷平均值為12.61，兩者之間相差0.97，均明顯小于任何一種XML的數(shù)據(jù)傳輸開銷平均值(20.16或18.73)。其中含空屬性JSON比含空屬性XML的開銷小6.58，無空屬性JSON比無空屬性XML的開銷小6.12。這正是JSON簡潔的數(shù)據(jù)描述格式相比XML復(fù)雜的格式標(biāo)簽所帶來的優(yōu)勢。

(2)FSV格式的開銷平均值為13.83，兩種JSON格式的數(shù)據(jù)傳輸開銷平均值均略低于FSV。

綜上，JSON的數(shù)據(jù)傳輸開銷是各數(shù)據(jù)傳輸格式中最小的。而數(shù)據(jù)傳輸開銷的減小必然會帶來數(shù)據(jù)傳輸效率的提高。雖然JSON的數(shù)據(jù)傳輸開銷與FSV相差無幾，但值得一提的是，JSON以其簡潔的編碼形式在數(shù)據(jù)描述方面明顯優(yōu)于FSV。因此，JSON相比較XML與FSV，在數(shù)據(jù)傳輸開銷和數(shù)據(jù)描述簡潔性方面均成為一種理想的數(shù)據(jù)傳輸格式。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸效率比較

為了更好的驗(yàn)證JSON的數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式，我們搭建一個(gè)實(shí)測環(huán)境，實(shí)驗(yàn)通過對不同數(shù)據(jù)傳輸格式傳輸同一組數(shù)據(jù)庫記錄的時(shí)間進(jìn)行比較，間接地比較了數(shù)據(jù)傳輸效率。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定等原因，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會有一些波動，經(jīng)過10次測試取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)傳輸效率比較

經(jīng)過分析表格中數(shù)據(jù)，大體上來看，以JSON格式傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間明顯短于以XML格式傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間，而略短于FSV傳輸數(shù)據(jù)消耗的時(shí)間。這是因?yàn)镴SON生成文件的時(shí)候是利用JSON對象，使用Java String直接寫入腳本，而XML則要生成一個(gè)doc對象[6]，用輸入輸出流的方式寫入XML文件。另外，無空屬性JSON傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間小于無空屬性JSON，無空屬性XML傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間小于含空屬性XML，這是因?yàn)楫?dāng)屬性值為空時(shí)，省略掉格式的標(biāo)簽及符號，可以使傳輸負(fù)擔(dān)減小，這樣傳輸效率就相應(yīng)提高了，傳輸時(shí)間也減短了。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的比較再次證明JSON的數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式。

3.4 客戶端數(shù)據(jù)反序列化效率

在客戶端，從服務(wù)器端傳輸過來JSON或XML的數(shù)據(jù)將被反序列化才能獲取其中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而顯示在客戶端頁面上。其中，XML是基于DOM樹結(jié)構(gòu)的，反序列化XML需要考慮父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，這為反序列化增加了難度。如下是一個(gè)典型的XML格式表示：

而JSON只需要通過JavaScript語言的eval()函數(shù)就可以將JSON數(shù)據(jù)反序列化為JavaScript對象。如下是上述XML示例對應(yīng)的JSON格式：

反序列化JSON通常采用如下方法：

實(shí)驗(yàn)通過一個(gè)簡單的測試程序分別對JSON或XML格式數(shù)據(jù)反序列化時(shí)間進(jìn)行了比較分析，進(jìn)而比較了兩種格式讀取數(shù)據(jù)時(shí)的反序列化效率。為消除偶然誤差，重復(fù)測驗(yàn)10次，數(shù)據(jù)反序列化效率分析如圖5所示。

從圖5中可以看出，JSON反序列化時(shí)間明顯小于XML反序列化時(shí)間，這是與JSON和XML本身特殊的結(jié)構(gòu)分不開的。采用JSON格式的數(shù)據(jù)大大降低了反序列化時(shí)的冗余度，使開發(fā)效率提高。若與AJAX技術(shù)相結(jié)合則會使即時(shí)頁面更新效果更加顯著，更好地提高用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

圖5 XML和JSON數(shù)據(jù)反序列化效率分析

本文提出了JSON數(shù)據(jù)傳輸開銷計(jì)算公式。經(jīng)過對JSON、XML及FSV這3種比較常用的數(shù)據(jù)傳輸格式的開銷、傳輸時(shí)間以及客戶端數(shù)據(jù)反序列化效率的量化比較，發(fā)現(xiàn)JSON的數(shù)據(jù)傳輸效率明顯優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式，這為Web開發(fā)者對數(shù)據(jù)傳輸格式的選擇提供了更有力的參考。同時(shí)JSON便于閱讀和編碼，又是JavaScript規(guī)范的子集，便于機(jī)器解析，減少了解析XML帶來的性能和兼容性問題，因此，對于需考慮流量和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的環(huán)境以及輕量級的應(yīng)用中，JSON應(yīng)成為首選的數(shù)據(jù)傳輸格式。比如在移動應(yīng)用開發(fā)中使用JSON結(jié)合AJAX的模式可以很好的解決移動設(shè)備帶寬受限及網(wǎng)絡(luò)流量要求較高的問題。

然而本文還有進(jìn)一步需要提高的地方，針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w應(yīng)用JSON的數(shù)據(jù)傳輸效率是否會一直優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式，這是值得討論的。因此，有必要針對具體的開發(fā)環(huán)境更為詳細(xì)地討論JSON等數(shù)據(jù)傳輸格式的優(yōu)缺點(diǎn)，這也正是我們后續(xù)工作的內(nèi)容。

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