Node.js保留JSON科学计数法与小数格式方法

本文针对Node.js应用中JSON文件处理的特殊需求，即如何精确保存科学计数法数字及其特定格式，提供了一种解决方案。标准JSON序列化无法保留数字的固定小数位和指数格式，可能导致数据格式不符合外部应用要求。为此，文章提出利用ES提案中的JSON.rawJSON结合自定义replacer函数的方法，通过格式化数字为指定小数位数的科学计数法字符串，并确保指数部分符合特定格式（如e+04）。该方案允许开发者在序列化过程中插入“原始”的JSON片段，避免数字被双引号包裹，从而满足对非标准JSON格式的严格要求。同时，文章也提醒开发者注意此方法可能带来的标准兼容性问题，以及JSON.rawJSON的支持情况和性能考量，建议在外部应用有硬性格式要求时使用。

本文探讨了在Node.js应用中，如何处理JSON文件中的科学计数法数字，并确保在读写过程中保留其特定的固定小数位和指数格式。针对标准JSON序列化无法满足此特殊格式需求的问题，文章介绍了利用ES提案中的JSON.rawJSON结合自定义replacer函数的方法，实现对数字格式的精确控制，从而满足特定外部应用对非标准JSON格式的要求。

挑战与问题背景

在Node.js应用中处理JSON文件时，如果其中包含以科学计数法表示且要求保留特定小数位数（例如 2.421500000000000e+04）的数字，通常会遇到挑战。标准JSON规范对数字的表示方式是宽松的，它只关心数值本身，而不关心其在字符串中的具体格式（如是否为科学计数法、小数点后位数）。当Node.js读取此类JSON文件并将其解析为JavaScript数字后，如果再使用JSON.stringify()将其写回文件，原始的格式信息（如固定小数位和科学计数法表示）会丢失。例如，2.421500000000000e+04 可能会被序列化为 24215 或 2.4215e+4，并且小数位数可能被截断。

更进一步，如果为了保留格式而尝试将数字转换为字符串，JSON.stringify() 会默认给字符串添加双引号，这与某些外部应用程序所期望的“未带引号的数字格式”相悖。因此，核心问题是如何在不破坏JSON结构的前提下，将数字以特定的科学计数法和固定小数位格式写入JSON文件，且不被双引号包裹。

解决方案：利用 JSON.rawJSON 和 replacer 函数

为了解决上述问题，我们可以利用ECMAScript提案中的 JSON.rawJSON 方法，结合 JSON.stringify() 的 replacer 回调函数。JSON.rawJSON 允许在序列化过程中插入一个“原始”的JSON片段，这意味着它不会被再次字符串化或添加额外的引号。

JSON.rawJSON 简介

JSON.rawJSON 是一个处于 Stage 3 提案阶段的ECMAScript特性，它允许开发者在 JSON.stringify() 的 replacer 函数中返回一个特殊对象，该对象的值将作为原始的JSON文本直接插入到输出中，而不会被再次解析或转义。这对于需要精确控制输出格式，甚至输出非标准JSON片段的场景非常有用。目前，它已在Node.js 21+、Firefox、Chrome、Edge、Opera等现代环境中得到支持。

实现步骤

1. 定义小数位数常量： 确定需要保留的固定小数位数。
2. 创建 replacer 函数： 这个函数将在 JSON.stringify 遍历对象时被调用，允许我们检查和修改每个键值对。
   • 判断值是否为有限数字： 只有有限数字才需要特殊处理。
   • 格式化为科学计数法： 使用 Number.prototype.toExponential() 方法将数字格式化为科学计数法字符串，并指定所需的小数位数。
   • 处理指数部分格式： 原始问题中的 e+04 格式暗示指数部分可能需要两位数（例如 e+4 变为 e+04）。可以通过正则表达式 replace(/\b\d$/g, "0$&") 来实现，确保单数字的指数前补零。
   • 使用 JSON.rawJSON 封装： 将格式化后的字符串传递给 JSON.rawJSON()，确保它作为原始JSON片段插入。
3. 使用 JSON.stringify 序列化： 将对象和自定义的 replacer 函数传递给 JSON.stringify()。

示例代码

/**
 * 精确控制JSON中科学计数法数字格式的序列化工具。
 * 适用于需要将数字以特定科学计数法和固定小数位格式写入JSON，
 * 且不希望被双引号包裹的场景。
 */

// 定义需要保留的小数位数
const DECIMALS = 14; 

/**
 * 自定义 replacer 函数，用于 JSON.stringify。
 * 针对有限数字，将其格式化为指定小数位数的科学计数法，
 * 并使用 JSON.rawJSON 确保其作为原始JSON片段插入。
 * 
 * @param {string} key 当前处理的属性名。
 * @param {*} val 当前处理的属性值。
 * @returns {*} 序列化后的值，或 JSON.rawJSON 对象。
 */
const customScientificNotationReplacer = (key, val) => {
    // 检查值是否为有限数字
    if (!Number.isFinite(val)) {
        return val; // 非数字或无限/NaN值直接返回
    }

    // 将数字格式化为科学计数法字符串，并指定小数位数
    let formattedString = val.toExponential(DECIMALS);

    // 针对指数部分进行格式化，例如将 'e+4' 变为 'e+04'
    // 正则表达式 /\b\d$/g 匹配单词边界后紧跟一个数字的字符串末尾
    // '0$&' 表示在匹配到的数字前添加 '0'
    formattedString = formattedString.replace(/\b\d$/g, "0$&");

    // 使用 JSON.rawJSON 封装格式化后的字符串，
    // 确保它作为原始JSON文本插入，不会被再次字符串化或添加引号
    return JSON.rawJSON(formattedString);
};

// 示例对象
const dataToSerialize = { 
    "value": 2.421500000000000e+04,
    "anotherValue": 1.23e-7,
    "largeValue": 9.876543210987654e+20,
    "smallValue": 1.234567890123456e-10,
    "stringValue": "hello",
    "booleanValue": true,
    "nullValue": null
};

// 使用自定义 replacer 进行序列化
const resultJSON = JSON.stringify(dataToSerialize, customScientificNotationReplacer, 2);

console.log(resultJSON);

/*
预期输出 (格式可能因 Node.js 版本和具体实现略有差异，但核心格式应保持):
{
  "value": 2.42150000000000e+04,
  "anotherValue": 1.23000000000000e-07,
  "largeValue": 9.87654321098765e+20,
  "smallValue": 1.23456789012346e-10,
  "stringValue": "hello",
  "booleanValue": true,
  "nullValue": null
}
*/

在上述代码中，DECIMALS 常量定义了小数部分的位数。customScientificNotationReplacer 函数是核心，它通过 val.toExponential(DECIMALS) 将数字转换为科学计数法字符串，并通过正则表达式 replace(/\b\d$/g, "0$&") 确保指数部分（如 e+4）被格式化为 e+04。最后，JSON.rawJSON() 将这个精确格式化的字符串标记为“原始”JSON内容，使得 JSON.stringify 在输出时不会对其进行额外的处理（如添加双引号）。

注意事项

1. 标准兼容性： 这种方法生成的JSON在严格意义上可能不完全符合JSON规范中对数字的定义（即数字不应包含额外的格式信息，且不应以字符串形式出现但又没有引号）。它主要用于满足特定外部系统对非标准格式的严格要求。
2. JSON.rawJSON 的支持： JSON.rawJSON 是一个较新的ECMAScript提案特性。在使用前，请确保您的Node.js版本（Node.js 21+）或目标浏览器环境支持此特性。在不支持的环境中，此方法将无法工作。
3. 性能考量： 对于极大的JSON文件和频繁的操作，自定义 replacer 函数可能会带来一定的性能开销，因为它需要对每个数字进行字符串格式化和正则匹配。
4. 替代方案： 如果外部应用程序能够接受标准JSON格式的数字，或者能够解析带引号的字符串作为数字，那么更推荐使用标准 JSON.stringify()，或在外部应用层面进行解析和格式化，以保持更好的JSON规范兼容性。此方案是针对“别无选择”且外部系统有硬性格式要求时的解决方案。

总结

在Node.js中处理JSON文件并精确控制科学计数法数字的输出格式是一个相对特殊的需求，尤其当外部系统对格式有非标准的严格要求时。通过利用 JSON.stringify() 的 replacer 回调函数和 JSON.rawJSON 这个ES提案特性，我们可以有效地将数字格式化为所需的科学计数法和固定小数位表示，并确保它们在JSON输出中不被额外引用。尽管此方法在一定程度上偏离了标准JSON的最佳实践，但它为解决特定场景下的格式兼容性问题提供了一个强大且灵活的方案。在实际应用中，务必权衡其带来的便利性与对JSON标准兼容性的影响。

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