Numpy复杂数组的Json编码和解码器

在本文中，我们将介绍如何使用Python中的Json编码和解码器来处理Numpy中的复杂数组。由于Json是一个轻量级的数据交换格式，它在数据传输和存储方面非常有用。Numpy则是Python中最常用的科学计算库之一，它提供了丰富的数组和矩阵运算功能。但是，Numpy中的数组可能是复杂的、嵌套的或带有元数据，这使得它们不适合直接编码为Json。因此，我们需要使用特定的编码器和解码器来处理它们。

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Json编码器

Json编码器是一个将Python对象转换为Json字符串的函数。在Python中，我们可以使用内置的json模块来实现这一点。例如，我们可以将一个简单的Numpy数组编码为Json：

import json
import numpy as np

arr = np.array([1, 2, 3])
json_str = json.dumps(arr.tolist())
print(json_str)
# 输出: "[1, 2, 3]"

这里，我们首先将Numpy数组转换为Python列表，然后将其传递给dumps函数。该函数将返回一个包含Json字符串的字符串。如你所见，输出的字符串与Python列表的表示方式非常相似。

但是，当我们将复杂数组进行编码时，情况就变得更加复杂了。让我们考虑一个带有元数据的多维数组：

data = np.array([[(1, 'a'), (2, 'b')], [(3, 'c'), (4, 'd')]], dtype=[('val', 'i'), ('char', 'U1')])

该数组包含两个形状为(2,2)的块，每个块包含一个整数和一个字符。此外，该数组还有一个名为‘val’和‘char’的元数据，分别表示每个元素的值和字符。

我们可以使用以下代码通过Json编码器将此数组编码为字符串：

def encode_complex(obj):
    if isinstance(obj, np.ndarray) and obj.ndim > 1:
        return {'__np_complex__': True, 'data': obj.tolist(), 'dtype': str(obj.dtype)}
    elif isinstance(obj, np.generic):
        return obj.item()
    else:
        return json.JSONEncoder().default(obj)

json_str = json.dumps(data, default=encode_complex)
print(json_str)
# 输出: {"__np_complex__": true, "data": [[[1, "a"], [2, "b"]], [[3, "c"], [4, "d"]]], "dtype": "|[('val', '<i4'), ('char', '<U1')]"}

这里，我们使用一个自定义的编码器来处理Numpy数组。该函数遵循以下规则:

对于多维数组，我们将其转换为一个包含数组的字典。字典包含‘np_complex’为True的键和三个值：数据、数据类型和一个标志。标志指示该对象是Numpy数组，这是为了方便以后的解码器使用。
对于Numpy中的标量，我们返回其Python等效项。
对于其他对象，我们使用默认的Json编码器来处理它们。

Json解码器

Json解码器是一个将Json字符串转换为Python对象的函数。在Python中，我们可以使用内置的json模块来实现这一点。例如，将一个简单的Json字符串解码为Python列表：

json_str = '[1, 2, 3]'
arr = json.loads(json_str)
print(arr)
# 输出: [1, 2, 3]

当然，当我们编码复杂的Numpy数组时，我们需要相应地编写解码器代码。让我们看一下如何编写一个自定义的解码器：

def decode_complex(obj):
    if '__np_complex__' in obj and obj['__np_complex__']:
        data = np.array(obj['data'], dtype=np.dtype(obj['dtype']))
        return data
    else:
        return obj

arr_str = '{"__np_complex__": true, "data": [[[1, "a"], [2, "b"]], [[3, "c"], [4, "d"]]], "dtype": "|[('val', '<i4'), ('char', '<U1')]"}'
arr = json.loads(arr_str, object_hook=decode_complex)
print(arr)
# 输出:
# array([[(1, 'a'), (2, 'b')],
#        [(3, 'c'), (4, 'd')]],
#       dtype=[('val', '<i4'), ('char', '<U1')])

该解码器采用以下规则：