Simdjson:一个超高速的JSON解析工具

JSON文档在Internet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)时尽可能使用常用的SIMD指令来加速JSON本身的解析。

表现结果

simdjson使用的指令比最先进的解析器RapidJSON少四分之三,比sajson少百分之五十。据我们所知,simdjson是第一个在商用处理器上以每秒千兆字节运行的完全验证的JSON解析器。

在Skylake处理器上,twitter.json文件上各种处理器的解析速度(以GB / s为单位)如下。

解析器 GB /秒
simdjson 2.2
RapidJSON编码验证 0.51
RapidJSON编码验证,原位 0.71
sajson(原状,动态) 0.70
sajson(insitu,static) 0.97
dropbox 0.14
FASTJSON 0.26
gason 0.85
ultrajson 0.42
jsmn 0.28
cJSON 0.34

要求

我们通过Visual Studio 2017或更高版本支持Linux或macOS等平台以及Windows;

带有AVX2的处理器(即,2013年发布的Haswell微体系结构的Intel处理器和2017年发布的Zen微体系结构的AMD处理器);

最近的C ++编译器(例如,GNU GCC或LLVM CLANG或Visual Studio 2017),我们假设C ++ 17。GNU GCC 7或更高版本或LLVM的clang 6或更高版本。

License

此代码在Apache License 2.0下提供。

在Windows下,我们使用 windows/dirent_portable.h 文件(在我们的库代码之外)构建一些工具

代码示例

#include "simdjson/jsonparser.h"

/...

const char * filename = ... //

//使用您想要的任何方式获取JSON文档的字符串
std::string_view p = get_corpus(filename);
ParsedJson pj;
pj.allocateCapacity(p.size());//分配内存以解析p.size()字节
const int res = json_parse(p, pj); //进行解析,成功时返回0 
//解析完成!
if(res!= 0){
     //您可以使用“simdjson / simdjson.h”标头来访问错误消息 
   std::cout << "Error parsing:" << simdjson::errorMsg(res) << std::endl;
}
//你可以安全地删除字符串内容
free((void*)p.data());
//可以在这里使用ParsedJson文档
// js可以与其他json_parse调用一起使用。

如果您不介意为每个新的JSON文档分配内存开销,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);  //进行解析
//此时你不再需要p,可以执行aligned_free((void *)p.data())
if( ! pj.isValid() ) {
     //出错了 
}

用法:简单的版本

有关用法,请参阅“singleheader”存储库的文件“amalgamation_demo.cpp”。这不需要特定的构建系统:只需在包含路径中复制项目中的文件即可。然后,您可以非常简单地包含它们:

#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;
}

我们需要AVX2指令的硬件支持。您必须确保指示编译器根据需要使用这些说明。在GNU GCC或LLVM clang等编译器下, -march=native 最近的Intel处理器(Haswell或更好)上使用的标志就足够了。为了便于二进制文件的可移植性,您还可以直接指定Haswell处理器( -march=haswell )。您也可以使用标志 -mavx2 -mbmi2 。在Visual Studio下,您需要定位x64并添加标志 /arch:AVX2

注意:在某些设置中,可能需要预编译 simdjson.cpp 而不是包含它。

用法(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.需要像Linux或macOS这样的系统。

测试:

make
make test

要运行基准测试:

make parse
./parse jsonexamples/twitter.json

在Linux下,该 parse 命令提供了性能计数器的详细分析。

运行比较基准测试(与其他解析器):

make benchmark

用法(在Linux或macOS等平台上使用CMake)

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

brew install cmake

在Linux上 有一个 相同的Brew也可以以相同的方式工作

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

brew install gcc@8

可选:您需要通过设置CC和CXX变量告诉cmake您希望使用哪个编译器。bash下,你可以用诸如命令这样做 export CC=gcc-7export CXX=g++-7

构建:在项目存储库中,执行以下操作:

mkdir build
cd build
cmake ..
make
make test

默认情况下,它构建一个共享库(例如,Linux上的libsimdjson.so)。

您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,您可能希望指定编译器,尤其是在系统上的默认编译器太旧的情况下。您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

用法(使用Visual Studio在Windows上进行CMake)

我们假设您有一台普通的Windows PC,至少包含Visual Studio 2017和支持AVX2的x64处理器(2013 Intel 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 。安装时,请确保 cmake 从命令行询问是否可用。请选择最新版本的cmake;

在simdjson中创建一个子目录,例如 VisualStudio;

使用shell,转到这个新创建的目录;

cmake -DCMAKE_GENERATOR_PLATFORM=x64 ..VisualStudio 存储库中键入shell 。(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中创建了一个Visual Studio解决方案文件(例如 simdjson.sln )。在Visual Studio中打开此文件。您现在应该能够构建项目并运行测试。例如,在 Solution Explorer 窗口(可从 View 菜单中获得)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 并选择 Build

用法(在Windows,Linux和MacOS上使用vcpkg)

Windows,Linux和MacOS上的 vcpkg 用户可以 simdjson 使用他们喜欢的shell中的一个命令下载和安装。

在Linux和MacOS上:

$ ./vcpkg install simdjson

将构建并安装 simdjson 为静态库。

在Windows(64位)上:

.\vcpkg.exe install simdjson:x64-windows

将构建并安装 simdjson 为共享库。

.\vcpkg.exe install simdjson:x64-windows-static

将构建并安装 simdjson 为静态库。

这些命令还将打印出有关如何使用MSBuild或基于CMake的项目库的说明。

如果您发现 simdjson 附带的版本 vcpkg 已过期,请随时通过提交 vcpkg 问题或创建PR 向社区报告。

工具

json2json mydoc.json 解析文档,构造模型,然后将结果转储回标准输出

json2json -d mydoc.json 解析文档,构造模型,然后将模型(作为磁带)转储到标准输出。磁带格式在随附文件中描述 tape.md

minify mydoc.json`缩小JSON文档,将结果输出到标准输出。缩小意味着删除不需要的空格字符。

范围

我们提供快速解析器。它根据各种规格完全验证输入。解析器构建一个有用的不可变(只读)DOM(文档 – 对象模型),以后可以访问它。

为了简化工程,我们做了一些假设:

我们支持UTF-8(以及ASCII),没有别的(没有拉丁语,没有UTF-16)。我们不认为这是一个真正的限制,因为我们认为没有任何严重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;

JSON文档中的所有字符串最多可包含UTF-8(4GB)中的4294967295个字节。要强制执行此约束,我们拒绝解析包含超过4294967295字节(4GB)的文档。这应该适应大多数JSON文档;

我们假设AVX2支持在AMD和英特尔生产的所有最新主流x86处理器中都可用。尽管可以完成,但不包括对非x86处理器的支持。我们计划支持ARM处理器(请求帮助);

如果发生故障,我们只会报告故障,而不会指出问题的性质。(这可以在不影响性能的情况下轻松改进);

在规范允许的情况下,我们允许对象内的重复键(像sajson这样的其他解析器也这样做);

性能针对跨越至少几十千字节到几兆字节的JSON文档进行了优化:必须解析许多小型JSON文档或一个真正庞大的JSON文档的性能问题是不同的。

我们的目标不是提供通用的JSON库。像RapidJSON这样的库提供的不仅仅是解析,它还可以帮助您生成JSON并提供各种其他方便的功能。我们只解析文档。

特征

输入字符串未修改,(像sajson和RapidJSON这样的解析器使用输入字符串作为缓冲区)。

我们将整数和浮点数解析为单独的类型,这允许我们支持[-9223372036854775808,9223372036854775808]中的大型64位整数,如Java long 或C / C ++ 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拒绝整数大于或等于2147483648的JSON文件.FreeJSON将解析包含过长整数的文件,如18446744073709551616作为浮点数)当我们无法将整数表示为带符号的64位时值,我们拒绝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);完全验证了这些数字(像gason和ultranjson这样的解析器将接受 [0e+] 为有效的JSON);验证未转义字符的字符串内容(像fastjson和ultrajson这样的解析器接受未转义的换行符和字符串中的标签)。

Architecture

解析器分两个阶段工作:

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

阶段2.(结构构建)涉及构建排序的“树”(具体化为磁带)以浏览数据。在此阶段解析字符串和数字。

导航已解析的文档

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
  }
}

以下函数将查找所有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;
  }
}

深入比较

如果您想了解各种解析器如何验证给定的JSON文件:

make allparserscheckfile
./allparserscheckfile myfile.json

对于性能比较:

make parsingcompetition
./parsingcompetition myfile.json

进行更广泛的比较:

make allparsingcompetition
./allparsingcompetition myfile.json

*参考来源 github ,由周大涛编译,转载请注明来自FreeBuf.COM

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