Go每日一库之186：sonic（高性能JSON库)

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Go每日一库之186：sonic（高性能JSON库)

2024-06-19 04:26| 来源: 网络整理| 查看: 265

介绍

我们在日常开发中，常常会对JSON进行序列化和反序列化。Golang提供了encoding/json包对JSON进行Marshal/Unmarshal操作。但是在大规模数据场景下，该包的性能和开销确实会有点不够看。在生产环境下，JSON 序列化和反序列化会被频繁的使用到。在测试中，CPU使用率接近 10%，其中极端情况下超过 40%。因此，JSON 库的性能是提高机器利用率的关键问题。

Sonic是一款由字节跳动开发的一个全新的高性能、适用广泛的 JSON 库。在设计上借鉴了多款JSON库，同时为了实现对标准库的真正插拔式替换，Sonic使用了 JIT** （即时编译）**。

Sonic的特色

我们可以看出：Sonic是一个主打快的JSON库。

运行时对象绑定，无需代码生成完备的 JSON 操作 API快，更快，还要更快！

Sonic的设计

针对编解码动态汇编的函数调用开销，使用 JIT 技术在运行时组装与模式对应的字节码（汇编指令），最终将其以 Golang 函数的形式缓存在堆外内存上。针对大数据和小数据共存的实际场景，使用预处理判断（字符串大小、浮点数精度等）将 SIMD 与标量指令相结合，从而实现对实际情况的最佳适应。对于 Golang 语言编译优化的不足，使用 C/Clang 编写和编译核心计算函数，并且开发了一套 asm2asm 工具，将经过充分优化的 x86 汇编代码转换为 Plan9 格式，最终加载到 Golang 运行时中。考虑到解析和跳过解析之间的速度差异很大，惰性加载机制当然也在 AST 解析器中使用了，但以一种更具适应性和高效性的方式来降低多键查询的开销。

在细节上，Sonic进行了一些进一步的优化：

由于 Golang 中的原生汇编函数不能被内联，发现其成本甚至超过了 C 编译器的优化所带来的改善。所以在 JIT 中重新实现了一组轻量级的函数调用：全局函数表+静态偏移量，用于调用指令使用寄存器传递参数Sync.Map 一开始被用来缓存编解码器，但是对于准静态（读远多于写），元素较少（通常不足几十个）的场景，它的性能并不理想，所以使用开放寻址哈希和 RCU 技术重新实现了一个高性能且并发安全的缓存。

详细设计文档可查阅introduction

安装使用

当前我使用的go version是1.21。

官方建议的版本:

Go 1.16~1.21Linux / MacOS / Windows（需要 Go1.17 以上）Amd64 架构代码语言：javascript复制# 下载sonic依赖 $ go get github.com/bytedance/sonic基本使用

sonic提供了许多功能。本文仅列举其中较为有特色的功能。感兴趣的同学可以去看一下官方的examples

序列化/反序列化

sonic的使用类似于标准包encoding/json包的使用.

代码语言：javascript复制func base() { m := map[string]interface{}{ "name": "z3", "age": 20, } // sonic序列化 byt, err := sonic.Marshal(&m) if err != nil { log.Println(err) } fmt.Printf("json: %+v\n", string(byt)) // sonic反序列化 um := make(map[string]interface{}) err = sonic.Unmarshal(byt, &um) if err != nil { log.Println(err) } fmt.Printf("unjson: %+v\n", um) } // print // json: {"name":"z3","age":20} // unjson: map[age:20 name:z3]

sonic还支持流式的输入输出

Sonic 支持解码 io.Reader 中输入的 json，或将对象编码为 json 后输出至 io.Writer，以处理多个值并减少内存消耗

代码语言：javascript复制func base() { m := map[string]interface{}{ "name": "z3", "age": 20, } // 流式io编解码 // 编码 var encbuf bytes.Buffer enc := sonic.ConfigDefault.NewEncoder(&encbuf) if err := enc.Encode(m); err != nil { log.Fatal(err) } else { fmt.Printf("cutomize encoder: %+v", encbuf.String()) } // 解码 var decbuf bytes.Buffer decbuf.WriteString(encbuf.String()) clear(m) dec := sonic.ConfigDefault.NewDecoder(&decbuf) if err := dec.Decode(&m); err != nil { log.Fatal(err) } else { fmt.Printf("cutomize decoder: %+v\n", m) } } // print // cutomize encoder: {"name":"z3","age":20} // cutomize decoder: map[age:20 name:z3]配置

在上面的自定义流式编码解码器，细心的朋友可能看到我们创建编码器和解码器的时候，是通过sonic.ConfigDefault.NewEncoder() / sonic.ConfigDefault.NewDecoder()这两个函数进行调用的。那么sonic.ConfigDefault是什么？

我们可以通过查看源码:

代码语言：javascript复制var ( // ConfigDefault is the default config of APIs, aiming at efficiency and safty. // ConfigDefault api的默认配置,针对效率和安全。 ConfigDefault = Config{}.Froze() // ConfigStd is the standard config of APIs, aiming at being compatible with encoding/json. // ConfigStd是api的标准配置，旨在与encoding/json兼容。 ConfigStd = Config{ EscapeHTML : true, SortMapKeys: true, CompactMarshaler: true, CopyString : true, ValidateString : true, }.Froze() // ConfigFastest is the fastest config of APIs, aiming at speed. // ConfigFastest是api的最快配置，旨在提高速度。 ConfigFastest = Config{ NoQuoteTextMarshaler: true, }.Froze() )

sonic提供了三种常用的Config配置。这些配置中对一些场景已经预定义好了对应的Config。

其实我们使用的sonic.Marshal()函数就是调用了默认的ConfigDefault

代码语言：javascript复制// Marshal returns the JSON encoding bytes of v. func Marshal(val interface{}) ([]byte, error) { return ConfigDefault.Marshal(val) } // Unmarshal parses the JSON-encoded data and stores the result in the value pointed to by v. // NOTICE: This API copies given buffer by default, // if you want to pass JSON more efficiently, use UnmarshalString instead. func Unmarshal(buf []byte, val interface{}) error { return ConfigDefault.Unmarshal(buf, val) }

但是在一些场景下我们不满足于sonic预定义的三个Config。此时我们可以定义自己的Config进行个性化的编码和解码。

首先先看一下Config的结构。

代码语言：javascript复制// Config is a combination of sonic/encoder.Options and sonic/decoder.Options type Config struct { // EscapeHTML indicates encoder to escape all HTML characters // after serializing into JSON (see https://pkg.go.dev/encoding/json#HTMLEscape). // WARNING: This hurts performance A LOT, USE WITH CARE. EscapeHTML bool // SortMapKeys indicates encoder that the keys of a map needs to be sorted // before serializing into JSON. // WARNING: This hurts performance A LOT, USE WITH CARE. SortMapKeys bool // CompactMarshaler indicates encoder that the output JSON from json.Marshaler // is always compact and needs no validation CompactMarshaler bool // NoQuoteTextMarshaler indicates encoder that the output text from encoding.TextMarshaler // is always escaped string and needs no quoting NoQuoteTextMarshaler bool // NoNullSliceOrMap indicates encoder that all empty Array or Object are encoded as '[]' or '{}', // instead of 'null' NoNullSliceOrMap bool // UseInt64 indicates decoder to unmarshal an integer into an interface{} as an // int64 instead of as a float64. UseInt64 bool // UseNumber indicates decoder to unmarshal a number into an interface{} as a // json.Number instead of as a float64. UseNumber bool // UseUnicodeErrors indicates decoder to return an error when encounter invalid // UTF-8 escape sequences. UseUnicodeErrors bool // DisallowUnknownFields indicates decoder to return an error when the destination // is a struct and the input contains object keys which do not match any // non-ignored, exported fields in the destination. DisallowUnknownFields bool // CopyString indicates decoder to decode string values by copying instead of referring. CopyString bool // ValidateString indicates decoder and encoder to valid string values: decoder will return errors // when unescaped control chars(\u0000-\u001f) in the string value of JSON. ValidateString bool }

由于字段较多。笔者就选择几个字段进行演示，其他字段使用方式都是一致。

假设我们希望对JSON序列化按照key进行排序以及将JSON编码成紧凑的格式。我们可以配置Config进行Marshal操作

代码语言：javascript复制func base() { snc := sonic.Config{ CompactMarshaler: true, SortMapKeys: true, }.Froze() snc.Marshal(obj) }

考虑到排序带来的性能损失（约 10% ）， sonic 默认不会启用这个功能。 Sonic 默认将基本类型（ struct ， map 等）编码为紧凑格式的 JSON ，除非使用 json.RawMessage or json.Marshaler 进行编码： sonic 确保输出的 JSON 合法，但出于性能考虑，不会加工成紧凑格式。我们提供选项 encoder.CompactMarshaler 来添加此过程，

Ast.Node

sonic提供了Ast.Node的功能。Sonic/ast.Node 是完全独立的 JSON 抽象语法树库。它实现了序列化和反序列化，并提供了获取和修改通用数据的鲁棒的 API。

先来简单介绍一下Ast.Node：ast.Node 通常指的是编程语言中的抽象语法树（Abstract Syntax Tree）节点。抽象语法树是编程语言代码在编译器中的内部表示，它以树状结构展现代码的语法结构，便于编译器进行语法分析、语义分析、优化等操作。

在很多编程语言的编译器或解释器实现中，抽象语法树中的每个元素（节点）都会有对应的数据结构表示，通常这些数据结构会被称为 ast.Node 或类似的名字。每个 ast.Node 表示源代码中的一个语法结构，如表达式、语句、函数声明等。

抽象语法树的节点可以包含以下信息：

节点的类型：例如表达式、语句、函数调用等。节点的内容：节点所代表的源代码的内容。子节点：一些节点可能包含子节点，这些子节点也是抽象语法树的节点，用于构建更复杂的语法结构。属性：一些节点可能会包含附加的属性，如变量名、操作符类型等。

我们通过几个案例理解一下Ast.Node的使用。

准备数据

代码语言：javascript复制data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}`

将数据转换为Ast.Node

通过传入bytes或者string返回一个Ast.Node。其中你可以指定path获取JSON中的子路径元素。

每个路径参数必须是整数或者字符串

整数是目标索引(>=0)，表示以数组形式搜索当前节点。字符串为目标key，表示搜索当前节点为对象。代码语言：javascript复制// 函数签名: func Get(src []byte, path ...interface{}) (ast.Node, error) { return GetFromString(string(src), path...) } // GetFromString与Get相同，只是src是字符串，这样可以减少不必要的内存拷贝。 func GetFromString(src string, path ...interface{}) (ast.Node, error) { return ast.NewSearcher(src).GetByPath(path...) }

获取当前节点的完整数据

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // no path return all json string root, err := sonic.GetFromString(data) if err != nil { log.Panic(err) } if raw, err := root.Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(raw) } } // print // 2023/08/26 17:15:52 {"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}

根据path或者索引获取数据

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // no path return all json string root, err := sonic.GetFromString(data) if err != nil { log.Panic(err) } // according to path(根据key,查询当前node下的元素) if path, err := root.GetByPath("name").Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } // indexOrget (同时提供index和key进行索引和key的匹配) if path, err := root.IndexOrGet(1, "info").Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } // index (按照index进行查找当前node下的元素) // root.Index(1).Index(0).Raw()意味着 // root.Index(1) == "info" // root.Index(1).Index(0) == "num" // root.Index(1).Index(0).Raw() == "[11,22,33]" if path, err := root.Index(1).Index(0).Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } } // print // 2023/08/26 17:17:49 "z3" // 2023/08/26 17:17:49 {"num": [11,22,33]} // 2023/08/26 17:17:49 [11,22,33]

Ast.Node支持链式调用。故我们可以从root node节点，根据path路径向下搜索指定的元素。

index和key混用

代码语言：javascript复制user := root.GetByPath("statuses", 3, "user") // === root.Get("status").Index(3).Get("user")

根据path进行修改数据

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // no path return all json string root, err := sonic.GetFromString(data) if err != nil { log.Panic(err) } // according to path if path, err := root.GetByPath("name").Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } // indexOrget (同时提供index和key进行索引和key的匹配) if path, err := root.IndexOrGet(1, "info").Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } // index if path, err := root.Index(1).Index(0).Raw(); err != nil { log.Panic(err) } else { log.Println(path) } // set // ast提供了很多go类型转换node的函数 if _, err := root.Index(1).SetByIndex(0, ast.NewArray([]ast.Node{ ast.NewNumber("101"), ast.NewNumber("202"), })); err != nil { log.Panic(err) } raw, _ := root.Raw() log.Println(raw) } // print // 2023/08/26 17:23:55 "z3" // 2023/08/26 17:23:55 {"num": [11,22,33]} // 2023/08/26 17:23:55 [11,22,33] // 2023/08/26 17:23:55 {"name":"z3","info":{"num":[101,202]}}

序列化

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // no path return all json string root, err := sonic.GetFromString(data) if err != nil { log.Panic(err) } bts, _ := root.MarshalJSON() log.Println("Ast.Node(Marshal): ", string(bts)) btes, _ := json.Marshal(&root) log.Println("encoding/json (Marshal): ", string(btes)) } // print // 2023/08/26 17:39:06 Ast.Node(Marshal): {"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}} // 2023/08/26 17:39:06 encoding/json (Marshal): {"name":"z3","info":{"num":[11,22,33]}}

⚠: 使用json.Marshal() （必须传递指向节点的指针）

API

Ast.Node提供了许多有特色的API，感兴趣的朋友可以去试一下。

合法性检查： Check(), Error(), Valid(), Exist()索引： Index(), Get(), IndexPair(), IndexOrGet(), GetByPath()转换至 go 内置类型： Int64(), Float64(), String(), Number(), Bool(), Map[UseNumber|UseNode](), Array[UseNumber|UseNode](), Interface[UseNumber|UseNode]()go 类型打包： NewRaw(), NewNumber(), NewNull(), NewBool(), NewString(), NewObject(), NewArray()迭代： Values(), Properties(), ForEach(), SortKeys()修改： Set(), SetByIndex(), Add()最佳实践

预热

由于 Sonic 使用 golang-asm 作为 JIT 汇编器，这个库并不适用于运行时编译，第一次运行一个大型模式可能会导致请求超时甚至进程内存溢出。为了更好地稳定性，我们建议在运行大型模式或在内存有限的应用中，在使用 Marshal()/Unmarshal() 前运行 Pretouch()。

拷贝字符串

当解码没有转义字符的字符串时， sonic 会从原始的 JSON 缓冲区内引用而不是复制到新的一个缓冲区中。这对 CPU 的性能方面很有帮助，但是可能因此在解码后对象仍在使用的时候将整个 JSON 缓冲区保留在内存中。实践中我们发现，通过引用 JSON 缓冲区引入的额外内存通常是解码后对象的 20% 至 80% ，一旦应用长期保留这些对象（如缓存以备重用），服务器所使用的内存可能会增加。我们提供了选项 decoder.CopyString() 供用户选择，不引用 JSON 缓冲区。这可能在一定程度上降低 CPU 性能

代码语言：javascript复制func base() { // 在sonic.Config中进行配置 snc := sonic.Config{ CopyString: true, }.Froze() }

传递字符串还是字节数组

为了和 encoding/json 保持一致，我们提供了传递 []byte 作为参数的 API ，但考虑到安全性，字符串到字节的复制是同时进行的，这在原始 JSON 非常大时可能会导致性能损失。因此，你可以使用 UnmarshalString() 和 GetFromString() 来传递字符串，只要你的原始数据是字符串，或零拷贝类型转换对于你的字节数组是安全的。我们也提供了 MarshalString() 的 API ，以便对编码的 JSON 字节数组进行零拷贝类型转换，因为 sonic 输出的字节始终是重复并且唯一的，所以这样是安全的。

零拷贝类型转换是一种技术，它允许你在不进行实际数据复制的情况下，将一种数据类型转换为另一种数据类型。这种转换通过操作原始内存块的指针和切片来实现，避免了额外的数据复制，从而提高性能并减少内存开销. 需要注意的是，零拷贝类型转换虽然可以提高性能，但也可能引入一些安全和可维护性的问题，特别是当直接操作指针或内存映射时。

性能优化

在完全解析的场景下， Unmarshal() 表现得比 Get()+Node.Interface() 更好。

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // complete parsing m := map[string]interface{}{} sonic.Unmarshal([]byte(data), &m) }

但是如果你只有特定 JSON的部分模式，你可以将 Get() 和 Unmarshal() 结合使用：

代码语言：javascript复制func base() { data := `{"name": "z3","info":{"num": [11,22,33]}}` // complete parsing m := map[string]interface{}{} sonic.Unmarshal([]byte(data), &m) // partial parsing clear(m) node, err := sonic.GetFromString(data, "info", "num", 1) if err != nil { panic(err) } log.Println(node.Raw()) }参考

github.com/sonic

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