Gson源码设计学习

一、概述

在Java、Android相关的开发中，经常会用到Json自动解析框架，其中比较常见的一个就是Google推出的Gson。

关于Gson的使用，这个系列文章已经讲的很全面了，就不重复写了。

你真的会用Gson吗?Gson使用指南
http://www.jianshu.com/p/e740196225a4

Gson源码分析的文章相对较少。本文尝试对Gson源码进行简明且较全面的分析，重点关注其中的设计思想。基于Gson 2.8.0，建议结合源码阅读。

Google / Gson – GitHub
https://github.com/google/gson

文章开始前，先简单回顾一下Gson基本用法。

Gson gson = new Gson();

// 解析数据（使用Class）
String json1 = "{\"key\":\"value\"}";
Data data1 = gson.fromJson(json, Data.class);

// 解析带泛型的数据（使用TypeToken）
String json2 = "[{\"key\",\"value1\"},{\"key\",\"value2\"}]";
List<Data> list = gson.fromJson(json2, new TypeToken<List<Data>>(){}.getType());

// 序列化数据
Data data3 = new Data();
String json3 = gson.toJson(data3);

二、主要接口

TypeToken：类型处理工具类

Gson解析数据时要知道Java对象的类型（包括其泛型），TypeToken工具类可以方便的处理类型。

例如给Gson传一个List<String>类型的Type对象，可以用下面的方式。TypeToken提供了protected权限的构造函数，通过继承一个匿名类即可实例化，getType返回一个ParameterizedType实例。

Type type = new TypeToken<List<String>>(){}.getType();

Type是Java中的接口，表示对象类型。Type有一个实现类Class（普通类型，例如Object、ArrayList）和几个子类接口：
GenericArrayType（数组类型，例如String[]）
ParameterizedType（泛型类型，例如List<String>）
WildcardType（形如? extends ClassA、？super ClassB）
TypeVariable（类型变量）
参考：Java Type详解
http://blog.csdn.net/gdutxiaoxu/article/details/68926515

JsonToken：Json流式操作API

Gson封装了一组偏底层的JsonToken API。JsonToken是一个枚举类型，每种类型表示一个原始Json元素，例如：

BEGIN_ARRAY：对应[
BEGIN_OBJECT：对应{
NULL：对应null

public enum JsonToken {
  BEGIN_ARRAY,
  END_ARRAY,
  BEGIN_OBJECT,
  END_OBJECT,
  NAME,
  STRING,
  NUMBER,
  BOOLEAN,
  NULL,
  END_DOCUMENT
}

JsonReader、JsonWriter：JsonString转JsonToken

JsonReader和JsonWriter用于读写Json字符串，在Json字符串和JsonToken之间转换。

JsonToken、JsonReader、JsonReader通过数据流的形式操作Json，都放在包com.google.gson.stream中，也称为Stream API。

JsonElement：Json元素树

Gson还封装了一组JsonElement API。抽象类JsonElement表示一个Json元素，每个JsonElement可包含0到多个子JsonElement，形成树结构。JsonElement的子类有：

JsonPrimitive：Json基本类型，例如1, "text", true
JsonObject：Json对象，例如{"key", "val"}
JsonArray：Json数组，例如[{"key", "val1"}, {"key", "val2"}]
JsonNull：Json Null元素，即null

JsonSerializer、JsonDeserializer：JsonElement转JavaObject

JsonSerializer和JsonDeserializer用于实现JsonElement树到Java对象之间的转换。

public interface JsonSerializer<T> {
    public JsonElement serialize(T src, Type typeOfSrc, JsonSerializationContext context);
}

public interface JsonDeserializer<T> {
    public T deserialize(JsonElement json, Type typeOfT, JsonDeserializationContext context)
      throws JsonParseException;
}

TypeAdapter：JsonToken转JavaObject

接口定义

TypeAdapter是一个抽象类，除了一些共通方法，还包含了两个抽象方法：

write：序列化，Java对象 –> JsonToken –> JsonWriter
read：反序列化，JsonReader –> JsonToken –> Java对象

public abstract class TypeAdapter<T> {

    public abstract void write(JsonWriter out, T value) throws IOException;

    public abstract T read(JsonReader in) throws IOException;

    // …
}

TypeAdapter与Serializer对比

	TypeAdapter	JsonSerializer、JsonDeserializer
引入版本	2.0	1.x
Stream API	支持	不支持，要先生成JsonElement
内存占用	较小	较大
效率	较高	较低
作用范围	序列化和反序列化	序列化或反序列化

TypeAdapters

TypeAdapters类中包含了一些基本类型的TypeAdapter实现，具体可以自行阅读源码。

TypeAdapterFactory：创建TypeAdapter

TypeAdapterFactory用于创建TypeAdapter。传入特定的type，Factory返回相应的TypeAdapter实例。如果不支持这种类型，则返回null。

public interface TypeAdapterFactory {
  <T> TypeAdapter<T> create(Gson gson, TypeToken<T> type);
}

Gson、GsonBuilder

通常使用Gson对象来序列化/反序列化Json数据。

Gson对象中包含了一系列的配置属性。对于常规简单情况，可以直接用new Gson()方式创建一个全部使用默认配置的Gson实例。如果需要自定义各种配置，则可使用GsonBuilder创建。

Gson对象内部是线程安全的，因此创建了一个Gson实例后，可以在多线程之间反复使用。

// Gson工具类封装
public class GsonUtils {

    private static final Gson gson;

    static {
        gson = new GsonBuilder()
                // …
                .create();
    }

    public static Gson getGson() {
        return gson;
    }

    public static <T> T fromJson(String json, Class<T> clazz) {
        return gson.fromJson(json, clazz);
    }

    public static <T> String toJson(T obj) {
        return gson.toJson(obj);
    }
}

三、Gson设计学习

解析时Java对象的创建

在解析数据时，会给Gson传入Java对象的Type。Gson需要从Type创建对象实例，其中绝大多数对象都是通过ConstructorConstructor工具类创建的。

大部分类型的实例创建，直接通过反射调用默认无参构造函数。
对于List、Map、Set等接口类型，创建默认实现类ArrayList、HashMap、HashSet等的对象。
对于没有默认构造函数的其他类型，可以向Gson注册InstanceCreator自己创建。
Primitive及封装类型、数组类型等，在相应的TypeAdapter中自己创建，不调用ConstructorConstructor。

public class User {
    private final Context context;
    private long id;
    private String name;
    public User(Context context) {
        this.context = context;
    }
    // …
}

public class UserInstanceCreator implements InstanceCreator<User> {
    @Override
    public User createInstance(Type type) {
        return new User(ContextProvider.getDefaultContext());
    }
}

Gson gson = new GsonBuilder()
    .registerTypeAdapter(User.class, new UserInstanceCreator())
    .create();

TypeAdapter获取过程

Gson在序列化/反序列化前，都需要先知道Java对象的Type，获取到对应的TypeAdapter，再进行操作。

Gson.getAdapter()方法可以根据传入的TypeToken，返回对应的TypeAdapter。下面对其代码进行分析。

TypeAdapter缓存

Gson有个ConcurrentHashMap缓存，先从缓存取已经生成了的TypeAdapter。

private final Map<TypeToken<?>, TypeAdapter<?>> typeTokenCache = new ConcurrentHashMap<TypeToken<?>, TypeAdapter<?>>();

TypeAdapter<?> cached = typeTokenCache.get(type == null ? NULL_KEY_SURROGATE : type);
if (cached != null) {
    return (TypeAdapter<T>) cached;
}

遍历TypeAdapterFactory创建TypeAdapter

Gson中还有一个List<TypeAdapterFactory>，按优先级保存了若干TypeAdapterFactory。

如果上一步TypeAdapter没有缓存，则需要创建。Gson依次遍历每个TypeAdapterFactory并调用create，直到有一个Factory返回了非空的TypeAdapter对象。

private final List<TypeAdapterFactory> factories;

for (TypeAdapterFactory factory : factories) {
    TypeAdapter<T> candidate = factory.create(this, type);
    if (candidate != null) {
        call.setDelegate(candidate);
        typeTokenCache.put(type, candidate);
        return candidate;
    }
}

递归调用问题的解决

Factory在创建Adapter时，可能会嵌套递归调用Gson.getAdapter方法导致死循环、堆栈溢出。为了解决这个问题，getAdapter在调用Factory前会先保存一个空的FutureTypeAdapter到ThreadLocal中；之后Factory再嵌套调用getAdapter时取到的是FutureTypeAdapter；当获取到最终的Adapter后再设置到这个FutureTypeAdapter中。

This thread local guards against reentrant calls to getAdapter(). In certain object graphs, creating an adapter for a type may recursively require an adapter for the same type! Without intervention, the recursive lookup would stack overflow. We cheat by returning a proxy type adapter. The proxy is wired up once the initial adapter has been created.

DelegateAdapter设计：拦截器效果

Gson中有些TypeAdapter会有类似网络框架拦截器的效果(Interceptor)，例如只在部分情况处理序列化/反序列化，或插入一些操作，剩下的再交给其他匹配的TypeAdapter处理。

为了实现这种效果，Gson中设计了DelegateAdapter机制。通过调用Gson.getDelegateAdapter方法并传入跳过的Factory，Gson会遍历优先级更低的Factory创建DelegateAdapter。

// skipPast即为跳过的Factory，遍历比skipPast优先级更低的Factory创建DelegateAdapter
public <T> TypeAdapter<T> getDelegateAdapter(TypeAdapterFactory skipPast, TypeToken<T> type);

如下就是DelegateAdapter的一个应用，可以统计Gson序列化/反序列化了多少对象。

class StatsTypeAdapterFactory implements TypeAdapterFactory {
    public int numReads = 0;
    public int numWrites = 0;

    public <T> TypeAdapter<T> create(Gson gson, TypeToken<T> type) {
        final TypeAdapter<T> delegate = gson.getDelegateAdapter(this, type);
        return new TypeAdapter<T>() {
            public void write(JsonWriter out, T value) throws IOException {
                ++numWrites;
                delegate.write(out, value);
            }
            public T read(JsonReader in) throws IOException {
                ++numReads;
                return delegate.read(in);
            }
        };
    }
}

自定义TypeAdapter/TypeAdapterFactory

当需要自己处理特定数据类型时，可以用GsonBuilder配置生成Gson对象，如下：

Gson gson = new GsonBuilder()
    .registerTypeAdapter(Test1.class, new Test1Adapter())
    .registerTypeHierarchyAdapter(Test2.class, new Test2Deserializer())
    .registerTypeAdapterFactory(new Test3AdapterFactory())
    .create();

其中：

registerTypeAdapter，可传入JsonSerializer、JsonDeserializer、InstanceCreator、TypeAdapter，处理特定类型数据
registerTypeHierarchyAdapter，可传入JsonSerializer、JsonDeserializer、TypeAdapter，处理特定类型及其子类数据
registerTypeAdapterFactory，注册自定义的Factory

Builder中注册的JsonSerializer/JsonDeserializer/TypeAdapter都会被转换成TypeAdapterFactory，最终加入到Gson的Factory列表中。

自定义的Factory，比Gson内置的大部分Factory优先级高（除了个别特殊的内置Factory）。

TypeAdapters.JSON_ELEMENT：JsonToken转JsonElement

JSON_ELEMENT的作用是转换JsonToken和JsonElement。

有时需要自己序列化/反序列化Java对象，除了自定义TypeAdapter/Serializer，还可以直接让Gson将Json字符串转换到JsonElement树，之后再处理。

例如某个网络请求，不同的code对应不同的data结构，可以直接把data定义为JsonElement类型，由Gson解析成JsonElement树，之后再根据code在业务代码中处理。

{
    "code": 0,
    "data": {
        "key": "value"
    }
}

{
    "code": 1,
    "data": "msg"
}

class Response {
    int code;
    JsonElement data;
}

String json = "…";
Response response = new Gson().fromJson(json, Response.class);
if (response != null) {
    switch (response.code) {
        case 0: // …
            break;
        case 1: // …
            break;
    }
}

TreeTypeAdapter

前面提到，在Gson 1.x中只有JsonSerializer/JsonDeserializer，2.0才开始引入TypeAdapter。TreeTypeAdapter就是适配Serializer而设计的。

一方面TreeTypeAdapter将JsonToken转换到JsonElement树，再调用Serializer，这也是其名称中“Tree”的由来；另一方面TreeTypeAdapter支持只设置JsonSerializer或JsonDeserializer之一，另一个则通过调用DelegateAdapter来处理。

TreeTypeAdapter.read方法如下(write方法类似)，如果有Deserializer则转换到JsonElement并使用Deserializer，否则调用DelegateAdapter处理。

public final class TreeTypeAdapter<T> extends TypeAdapter<T> {

    @Override
    public T read(JsonReader in) throws IOException {
        if (deserializer == null) {
            return delegate().read(in);
        }
        JsonElement value = Streams.parse(in);
        if (value.isJsonNull()) {
            return null;
        }
        return deserializer.deserialize(value, typeToken.getType(), context);
    }

    private TypeAdapter<T> delegate() {
        TypeAdapter<T> d = delegate;
        return d != null ? d : (delegate = gson.getDelegateAdapter(skipPast, typeToken));
    }

    // …
}

JsonAdapter注解：设置自定义TypeAdapter

给数据类型自定义TypeAdapter/TypeAdapterFactory或JsonSerializer/JsonDeserializer，除了用GsonBuilder配置，也可以直接用JsonAdapter注解。这个注解可作用于类和成员变量。

@JsonAdapter(UserDeserializer.class)
class User {
    @JsonAdapter(IdTypeAdapter.class)
    public long id;
    public String name;
}

JsonAdapter的实现在JsonAdapterAnnotationTypeAdapterFactory中，这个Factory的create方法会判断如果Type有JsonAdapter注解，则根据注解创建对应的Adapter/Serializer处理。

需要注意的是，由于JsonAdapterAnnotationTypeAdapterFactory在Gson中的优先级很低（具体可以看Gson构造函数源码），因此JsonAdapter注解修饰绝大多数Gson原生支持数据类型时是无效的，包括Primitive和封装类型(int/Integer/long/Long…)、String、数组、Collection及Map的子类等。

ReflectiveTypeAdapterFactory：反射解析Java对象

ReflectiveTypeAdapterFactory是Gson中优先级最低、但使用很频繁的Factory，前面所有Factory都没有处理的Type，最终都会由这个Factory创建Adapter来处理。

ReflectiveTypeAdapterFactory.Adapter通过反射读取Java对象的每个Field，然后根据相应的名字和类型，再调用其他匹配的Adapter来处理。

FieldNamingStrategy与SerializedName注解：字段名映射配置

ReflectiveTypeAdapterFactory.Adapter读取Java对象的Field，默认对应到Json中的字段名就是FieldName，但也可以改变这个规则。

通过GsonBuilder.setFieldNamingStrategy，可以设置FieldNamingStrategy，按照一定的规则转换命名风格。例如设置为FieldNamingPolicy.LOWER_CASE_WITH_UNDERSCORES，则Java字段someFieldName对应Json中的some_field_name字段。
通过SerializedName注解，可以指定Field对应的Json字段名，还可以用alternate指定解析时尝试多个候选项。

public class MyClass {
    @SerializedName("name")
    String a;
    @SerializedName(value="name1", alternate={"name2", "name3"})
    String b;
    String c;
}

Expose注解：字段过滤

ReflectiveTypeAdapterFactory.Adapter默认处理Java对象的每个Field(static和transient成员除外)，也可以用Expose注解配置。

Expose注解有serialize、deserialize两个字段，默认均为true，设置为false则不处理这个字段
没有Expose注解的字段默认均处理，如果设置了GsonBuilder.excludeFieldsWithoutExposeAnnotation，则跳过所有没添加Expose注解的字段。

public class User {
    @Expose
    private String firstName;
    @Expose(serialize = false)
    private String lastName;
    @Expose (serialize = false, deserialize = false)
    private String emailAddress;
    private String password;
}

Excluder、ExclusionStrategy、Since/Until注解：Class和字段过滤

Excluder用于忽略指定的类和Field。

前面已经提到可以使用Expose注解忽略特定字段。此外还可以忽略带有特定修饰符的Field（Modifier）、根据Since/Until注解指定的版本忽略、忽略内部类、使用ExclusionStrategy忽略等。具体用法可参考下文，不再详细介绍。

你真的会用Gson吗?Gson使用指南（三） http://www.jianshu.com/p/0e40a52c0063

实现方面，对Field的忽略，是由ReflectiveTypeAdapterFactory调用Excluder实现的。对于Class的忽略，Excluder自身也是一个TypeAdapterFactory，且优先级高于绝大多数Factory，在Excluder.create方法中判断如果Type的序列化或反序列化需要忽略，则进行相应的拦截处理。

Gson Design Document

在Gson官方的Design Document中，还列举了一些Gson设计过程中遇到的问题，例如解析时如何创建对象实例，为什么Gson中的大部分类都是final的，等等。

https://github.com/google/gson/blob/master/GsonDesignDocument.md

四、参考资料与扩展阅读

通过自定义TypeAdapter对Gson进行封装，解决一些开发中经常遇到的问题，可阅读这篇文章

Gson TypeAdapter使用技巧几例：数据免判空、解析后校验、预处理
https://www.paincker.com/gson-technic

其他参考资料

Google / Gson – GitHub
https://github.com/google/gson
你真的会用Gson吗?Gson使用指南
http://www.jianshu.com/p/e740196225a4
Java Type详解
http://blog.csdn.net/gdutxiaoxu/article/details/68926515

来自为知笔记(Wiz)

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本文由jzj1993原创，转载请注明来源：https://www.paincker.com/gson-study
（标注了原文链接的文章除外）

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