【FFH】啃论文俱乐部---JSON压缩算法解读 原创 精华

Hagon
发布于 2022-9-14 13:03
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大家好! 我是深圳技术大学FSR实验室的同学,在OpenHarmony成长计划啃论文俱乐部里,与华为、软通动力、润和软件、拓维信息、深开鸿等公司一起,学习和研究序列化相关技术
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【简单回顾】

【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—为什么JSON将逐渐取代XML?
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—几种常见的JSON解析器比较
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—JSON-RPC
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—浅谈序列化规范
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—Flatbuffers应用于MQTT协议
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—序列化技术发展及应用综述
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—Apache Avro与Twiste
【FFH】啃论文俱乐部—cJSON在传统C/S模型的应用

JSON压缩算法解读

接下来我们进入关于JSON压缩算法的学习。

为什么需要压缩JSON?

尽管JSON数据格式比XML效率要高,但是它仍然是web服务器和浏览器传输过程中比较低效的数据格式。为什么呢?首先,它将所有的内容都转换为了文本,第二是转换之后的文本过度使用引号,这样会给每个字符串添加多两个字节。第三,它本身没有schema的标准格式,比如在一个消息中序列化多个对象的时候,即使每个对象的属性的键名是重复且相同的,但是转换后的文本数据还是会重复每一个键名。
JSON以前的时候有一个优势,就是可以被Javascript引擎直接解析,但因为现在越来越重视安全性,JSON的这个优势也逐渐消失了,但是因为它比XML效率以及性能都更高,所以许多传统的C/S模式都是选择JSON,比如web服务,当有庞大的数据量以及复杂数据结构需要从web浏览器中传输到服务器的时候,JSON压缩就起到了非常大的作用,然而中间就会存在我们刚刚说的三点问题,我们也不能使用传统的gzip压缩算法,因为浏览器不知道服务器是否支持gzip解压。
下面我们就来看看两种常见的JSON压缩算法,cJSONHPack

cJSON压缩算法(cJSON Compression Algorithm)

cJSON压缩算法的特点就是可以使用自动类型提取压缩JSON数据格式的内容。它成功解决了一个非常重要的问题,就是我们上一小节提到的第三点,将不断重复的键名舍去了,我们我们来看一个例子:
使用cJSON前的数据格式:

[
    {   //表示一个坐标点
        "x":100,
        "y":100
    },
    {   //表示一个长方形
        "x":100,
        "y":100,
        "width":200,
        "height":150
    },
    {},//表示一个空对象
    ... //以下省略数以万计的对象
]

上面未经压缩的数据中,我们可以看到有非常多的空间被重复的键名所占据,比如“x”,“y”等等,当数据非常多的时候,这些看起来不起眼的重复键名会给传输效率带来非常大的影响,其实解决思路也非常简单,因为他们是重复的,那我们只存储一次不就好了?下面我们来按照我们的思路看看cJSON处理过后的数据吧。

{
    "templates":[
        ["x","y"],  //type1
        ["x","y","width","height"] //type2
    ],
    "value":[
        {    //第一个对象:坐标点
            "type":1,
            "values":[
                100,
                100
            ] 
        },
        {    //第二个对象:矩形
            "type":2,
            "values":[
                100,
                100,
                200,
                150
            ]   
        },
        {
            //第三个空对象
        },
        //以下省略数以万计的对象......
    ]
}

从上面的数据中我们可以看到,我们格式化了数据,把键名存储了起来,重复的就不存储,然后值通过“type”索引来对应键名,这样在数据量庞大的时候确实减少了不少空间,但是我们仔细看“templates”内的键名依旧有重复的字段存在。说明了我们还存在优化空间,优化完压缩后效果如下:

{  "function": "cjson",
   "templates": [ 
           [0, "x", "y"],
           [1, "width",  "height"] 
       ],  
   "values": [ 
           [1, 100, 100 ],           //第一个对象:坐标点
           [2, 100, 100, 200, 150 ], //第二个对象:矩形
           []                        //第三个空对象
       ] 
} 

直接看压缩后的代码结构你可能不太能理解,那我们就来看看他的具体原理,为了解决“template”内键名重复的字段,这个算法采用了这个数据结构,每遇到一个要传输的对象,就按顺序把键值存入树的节点中(灰色的节点是被标记的结尾节点指针,表示该节点存储的是某个对象最后一个属性的键值),重复的就不存储,这样就解决了我们的问题,这个键值树的变化过程如下:
【FFH】啃论文俱乐部---JSON压缩算法解读-鸿蒙开发者社区
最后数据在匹配键值的时候就根据 “values” 中所标记的结尾节点指针找到对应键值数组,这样就构成了cJSON的压缩算法。
仔细的同学就会发现,如果一个对象中没有"X"和"Y",只有“width”和“height”,或者键值节点顺序是错的,是不是会出问题?答案是对的,会出现无法匹配的键值的情况,所以这种方法只能在特定的场景下应用,存在一定局限性
总体来说,cJSON在处理非常庞大的数据量的时候效果还是非常客观的。

JSON.HPack压缩算法(HPack Compression Algorithm)

JSON.HPack是一种无损、跨语言、注重性能的JSON数据压缩算法,可以让我们在使用post请求在客户端发送数据到服务器的过程中相对普通JSON格式节省约70%的字符。
其原理本质上也是跟cJSON一样将键值抽离开,举个例子:
使用HPack算法前:

{   
    "id" : 1,  
    "sex" : "Female",  
    "age" : 38,  
    "classOfWorker" : "Private",  
    "maritalStatus" : "Married-civilian  spouse present",  
    "education" : "1st 2nd 3rd or 4th  grade",  
    "race" : "White" 
}

使用HPack算法后:

["id","sex","age","classOfWorker","mari talStatus","education","race"],
[1,"Female",38,"Private","Married-civilian  spouse present","1st 2nd 3rd or 4th  grade","White"] 

可以看到相对于普通JSON以及cJSON少了很多字符,比如引号,各种括号等等,这种压缩算法在数据量庞大的情况下效果也非常可观。
HPack算法提供了几个级别的压缩(从0到4)。等级越高压缩效率越高,每提升一个等级都有引入附加功能。0级压缩通过从结构中分离键值来执行最基本的压缩,并在索引0的元素上创建键名数组,下一个等级就可以通过假设存在重复条目来进一步减小JSON数据的大小。
性能分析
接下来我们直接用数据来看看这几个压缩算法的压缩效率,我们分别用5组大小不同的JSON文件(50KB~1MB),每个JSON文件将使用servlet容器(tomcat)提供给浏览器,并分别用以下算法进行压缩:

  • Original JSON size - 未作修改的JSON数据
  • Minimized - 删除空白和新行(最基本的js优化)
  • Compresse cJSON - 使用CJSON压缩算法进行JSON压缩
  • Compresse HPack - 使用JSON.HPack压缩算法进行JSON压缩
  • Gzipped - 使用gzip和进行JSON压缩
  • Gzipped + Minimized - 使用gzip和删除空白和新行(最基本的js优化)进行JSON压缩
  • Gzipped + Compresse cJSON - 使用gzip和CJSON压缩算法进行JSON压缩
  • Gzipped + Compresse HPack - 使用gzip和JSON.HPack压缩算法进行JSON压缩

下图(TABLE I.RESULTES)是用以上各种方式处理完后的JSON数据大小(bytes),不同列表示不同的JSON数据集,不同行表示使用不同的压缩方式。
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下面第一个图表Y轴表示JSON数据大小(bytes):
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第二张图Y轴是JSON数据大小的百分比(%),原始数据为100%:
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从上面的几个图表中我们可以直观地看到,单独使用cJSON可以把原始数据大小压缩到45%左右,单独使用HPack可以把原始数据大小压缩到8%左右,可见整体上HPack是优于cJSON的。
然而我们可以看到当使用gzip和上面提到的两个压缩算法相结合进行JSON压缩,效果才是最优的,基本可以达到1%~2%的压缩率。
总的来说,HPack比cJSON效率更高,速度也更快,但是在使用压缩算法进行传输的过程中,接收的一端需要进行相应的解压缩操作,否则无法使用被压缩过后的JSON数据,这一步也会存在一定的性能开销,在我们选择使用JSON压缩的时候,也需要考虑到这一点。当可以使用gzip进行压缩的时候,这种方法比其他压缩算法的效率都高,当两者同时结合起来,效果显而易见。

好了,我们这一次完整地了解了JSON序列化的发展,规范,应用以及相关的压缩算法,相信大家不仅对JSON压缩算法有了更深的了解,也对JSON序列化这个技术领域有了深刻的认识。

参考文献

JSON Compression Algorithms

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已于2022-9-14 13:08:00修改
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红叶亦知秋
红叶亦知秋

在技术不断迭代的环境下,能看见未来发展的方向是很重要的技能。

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2022-9-14 14:03:55
0aaron
0aaron

附件英文的图片都转成中文了,读起来方便不少,辛苦

已于2022-9-14 16:10:13修改
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2022-9-14 16:10:05
殇时云起
殇时云起

键名存储这个想法确实厉害,实现出来确实能省不少空间

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2022-9-15 15:44:18
安苒anran0
安苒anran0

您好,读了您的文章我存在如下疑惑:

在浏览器传输数据的时候会自动压缩json吗?

一些传统的后端框架,比如springboot 会自动压缩json吗?

JSON存在压缩的必要我理解,但是在实际开发中有哪些场景会压缩JSON呢?

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2023-8-6 18:45:42
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