Criando um parser JSON rápido em C++ do zero para entender como funciona

Sat, 12 Sep 2026 11:00:00 +0900

No desenvolvimento web e na comunicação entre sistemas, a linguagem de descrição de dados mais amplamente utilizada hoje é sem dúvida o JSON (JavaScript Object Notation). Já existem no mundo parsers JSON excelentes e de alta velocidade como o RapidJSON e o simdjson. Embora na prática as oportunidades de implantar um parser criado por você mesmo em código de produção sejam raras, “criar o próprio parser JSON” é um excelente material de estudo para aprender sobre análise sintática (parsing), gerenciamento de memória, processamento de strings e otimização de desempenho.

Neste artigo, explicarei detalhadamente o processo de construção do zero de um parser JSON rápido e com alta eficiência de memória, aproveitando os recursos modernos do C++17/C++20 (como std::string_view, std::variant, std::from_chars, etc.).

1. Revisão da especificação JSON (RFC 8259)

A especificação do JSON é estritamente definida na RFC 8259. Para escrever um parser, primeiro você precisa entender corretamente a especificação.

Os tipos de dados do JSON são limitados aos seguintes 6 tipos:

Object (Objeto): Uma coleção não ordenada de pares de chave (string) e valor. É cercado por {} e cada par é separado por ,.
Array (Matriz/Arranjo): Uma lista ordenada de valores. É cercada por [] e os valores são separados por ,.
String (Cadeia de caracteres): Uma sequência de caracteres Unicode cercada por aspas duplas "". Inclui escapes com a barra invertida \.
Number (Número): Número inteiro ou de ponto flutuante. Infinito (Infinity) ou não-número (NaN) não são permitidos.
Boolean (Booleano): true ou false.
Null (Nulo): null.

De acordo com a especificação, caracteres de espaço em branco (Space, Horizontal Tab, Line Feed, Carriage Return) podem ser inseridos em qualquer lugar entre os tokens, e é necessário analisar a sintaxe enquanto se ignora esses caracteres.

2. Arquitetura do Parser

O processo de análise (Parsing) é geralmente dividido em duas fases: Análise Léxica (Lexical Analysis) e Análise Sintática (Syntactic Analysis).

graph TD
A["String JSON de Entrada"] --> B["Lexer (Tokenizer)"]
B --> C["Fluxo de Tokens"]
C --> D["Parser (Descida Recursiva)"]
D --> E["AST / Árvore DOM (JsonValue)"]
style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
style E fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px

Lexer (Analisador Léxico / Tokenizer): Lê a string bruta (matriz de caracteres) de entrada a partir do início e a divide em “unidades mínimas com significado (tokens)”.
Parser (Analisador Sintático): Lê a sequência de tokens recebida do lexer e constrói uma estrutura em árvore (Árvore DOM: Document Object Model) seguindo as regras gramaticais.

Na implementação atual, para aumentar a eficiência de memória, o lexer será projetado de forma a não copiar strings, mantendo um ponteiro e o comprimento (std::string_view) da string de entrada original.

3. Design do modelo AST (DOM) e C++ moderno

Para representar os vários tipos de dados do JSON em C++, utilizaremos o std::variant, introduzido no C++17. O std::variant é uma união (Union) com segurança de tipos, sendo ideal para representar dados JSON que possuem tipagem dinâmica.

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#include <string>
#include <vector>
#include <map>
#include <variant>
#include <memory>
#include <string_view>

// Declaração antecipada (Forward declaration)
class JsonValue;

// Definição dos tipos de dados do JSON
using JsonNull = std::nullptr_t;
using JsonBool = bool;
using JsonNumber = double;
using JsonString = std::string;
using JsonArray = std::vector<JsonValue>;
using JsonObject = std::map<std::string, JsonValue>;

// Usando std::variant para permitir manter qualquer um dos tipos
using JsonVariant = std::variant<
 JsonNull,
 JsonBool,
 JsonNumber,
 JsonString,
 JsonArray,
 JsonObject
>;

class JsonValue {
public:
 // O construtor padrão inicializa como Null
 JsonValue() : m_value(nullptr) {}

 // Construtor que permite a conversão implícita de cada tipo
 template <typename T>
 JsonValue(T&& val) : m_value(std::forward<T>(val)) {}

 // Métodos auxiliares para verificação de tipo
 bool isNull() const { return std::holds_alternative<JsonNull>(m_value); }
 bool isBool() const { return std::holds_alternative<JsonBool>(m_value); }
 bool isNumber() const { return std::holds_alternative<JsonNumber>(m_value); }
 bool isString() const { return std::holds_alternative<JsonString>(m_value); }
 bool isArray() const { return std::holds_alternative<JsonArray>(m_value); }
 bool isObject() const { return std::holds_alternative<JsonObject>(m_value); }

 // Métodos auxiliares para obtenção de valor
 template <typename T>
 const T& get() const {
 return std::get<T>(m_value);
 }

private:
 JsonVariant m_value;
};

Projetando dessa forma, é possível expressar de forma concisa e segura as estruturas de dados recursivas JsonArray e JsonObject (em algumas implementações da biblioteca padrão do C++, o uso de tipos incompletos dentro de std::variant é restrito, podendo exigir a alocação de heap com ponteiros inteligentes, mas em compiladores modernos, o código acima geralmente funciona perfeitamente).

4. Implementação do Lexer (Analisador Léxico)

O papel do lexer é ler a string e extrair tokens. Primeiro, definiremos os tipos de tokens.

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enum class TokenType {
 Null,
 True,
 False,
 Number,
 String,
 LBrace, // {
 RBrace, // }
 LBracket, // [
 RBracket, // ]
 Colon, // :
 Comma, // ,
 EndOfFile // EOF
};

struct Token {
 TokenType type;
 std::string_view value;
};

Visualizando as transições de estado internas do lexer com Mermaid, teremos algo assim:

stateDiagram-v2
[*] --> Start : "Pular Espaços em Branco"
Start --> ParseString : "Aspa Dupla ('\"')"
Start --> ParseNumber : "Dígito ou Menos ('-')"
Start --> ParseKeyword : "Caractere ('t', 'f', 'n')"
Start --> ParseSymbol : "Pontuação ('{', '[', etc.)"
ParseString --> Start : "Fim da Aspa ('\"')"
ParseNumber --> Start : "Não-dígito"
ParseKeyword --> Start : "Correspondência de Palavra-chave"
ParseSymbol --> Start : "Caractere Único"

O corpo da implementação do lexer é o seguinte. Ele pula espaços em branco e se ramifica (usando uma instrução switch ou if) dependendo do caractere atual.

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class Lexer {
public:
 explicit Lexer(std::string_view source) : m_source(source), m_position(0) {}

 Token nextToken() {
 skipWhitespace();

 if (isAtEnd()) {
 return { TokenType::EndOfFile, "" };
 }

 char c = peek();

 switch (c) {
 case '{': advance(); return { TokenType::LBrace, "{" };
 case '}': advance(); return { TokenType::RBrace, "}" };
 case '[': advance(); return { TokenType::LBracket, "[" };
 case ']': advance(); return { TokenType::RBracket, "]" };
 case ':': advance(); return { TokenType::Colon, ":" };
 case ',': advance(); return { TokenType::Comma, "," };
 case '"': return lexString();
 default:
 if (c == '-' || std::isdigit(c)) {
 return lexNumber();
 } else if (std::isalpha(c)) {
 return lexKeyword();
 }
 throw std::runtime_error("Unexpected character"); // "Caractere inesperado"
 }
 }

private:
 std::string_view m_source;
 size_t m_position;

 bool isAtEnd() const { return m_position >= m_source.length(); }
 char peek() const { return m_source[m_position]; }
 void advance() { m_position++; }

 void skipWhitespace() {
 while (!isAtEnd()) {
 char c = peek();
 if (c == ' ' || c == '\t' || c == '\n' || c == '\r') {
 advance();
 } else {
 break;
 }
 }
 }

 Token lexString() {
 advance(); // Pula a aspa inicial
 size_t start = m_position;
 while (!isAtEnd() && peek() != '"') {
 // O tratamento de caracteres de escape (como \" ou \\) deveria ser feito rigorosamente aqui
 if (peek() == '\\') {
 advance(); // Pula a barra invertida do escape
 }
 advance();
 }

 if (isAtEnd()) throw std::runtime_error("Unterminated string"); // "String não finalizada"

 std::string_view strVal = m_source.substr(start, m_position - start);
 advance(); // Pula a aspa final
 return { TokenType::String, strVal };
 }

 Token lexNumber() {
 size_t start = m_position;
 while (!isAtEnd() && (std::isdigit(peek()) || peek() == '.' || peek() == 'e' || peek() == 'E' || peek() == '+' || peek() == '-')) {
 advance();
 }
 return { TokenType::Number, m_source.substr(start, m_position - start) };
 }

 Token lexKeyword() {
 size_t start = m_position;
 while (!isAtEnd() && std::isalpha(peek())) {
 advance();
 }
 std::string_view word = m_source.substr(start, m_position - start);

 if (word == "true") return { TokenType::True, word };
 if (word == "false") return { TokenType::False, word };
 if (word == "null") return { TokenType::Null, word };

 throw std::runtime_error("Unknown keyword"); // "Palavra-chave desconhecida"
 }
};

O ponto aqui é que os valores de strings (String) e números (Number) são extraídos como std::string_view. Com isso, durante a fase do lexer, não ocorre nenhuma alocação dinâmica de memória (heap allocation) ou cópia. Trata-se de um design fundamental e diretamente ligado ao desempenho.

5. Implementação do Parser (Analisador Sintático): Análise Sintática de Descida Recursiva

Após a conclusão do lexer, agora é finalmente a vez do parser. Como a gramática do JSON é uma gramática LL(1), ela combina perfeitamente com a Análise Sintática de Descida Recursiva (Recursive Descent Parsing), na qual é possível decidir qual função chamar em seguida “observando apenas um token atual”.

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class Parser {
public:
 explicit Parser(std::string_view source) : m_lexer(source) {
 m_currentToken = m_lexer.nextToken();
 }

 JsonValue parse() {
 JsonValue result = parseValue();
 if (m_currentToken.type != TokenType::EndOfFile) {
 throw std::runtime_error("Extra tokens after root element"); // "Tokens extras após o elemento raiz"
 }
 return result;
 }

private:
 Lexer m_lexer;
 Token m_currentToken;

 void consumeToken() {
 m_currentToken = m_lexer.nextToken();
 }

 void expectAndConsume(TokenType expectedType) {
 if (m_currentToken.type != expectedType) {
 throw std::runtime_error("Unexpected token"); // "Token inesperado"
 }
 consumeToken();
 }

 JsonValue parseValue() {
 switch (m_currentToken.type) {
 case TokenType::Null:
 consumeToken();
 return JsonValue(nullptr);
 case TokenType::True:
 consumeToken();
 return JsonValue(true);
 case TokenType::False:
 consumeToken();
 return JsonValue(false);
 case TokenType::Number:
 return parseNumber();
 case TokenType::String:
 return parseString();
 case TokenType::LBrace:
 return parseObject();
 case TokenType::LBracket:
 return parseArray();
 default:
 throw std::runtime_error("Invalid value"); // "Valor inválido"
 }
 }

 JsonValue parseNumber() {
 std::string_view numStr = m_currentToken.value;
 consumeToken();

 double value = 0.0;
 // Utilizando std::from_chars do C++17 para uma análise (parsing) rápida
 auto [ptr, ec] = std::from_chars(numStr.data(), numStr.data() + numStr.size(), value);
 if (ec != std::errc()) {
 throw std::runtime_error("Invalid number format"); // "Formato de número inválido"
 }
 return JsonValue(value);
 }

 JsonValue parseString() {
 // Originalmente, a decodificação das sequências de escape (\n, \uXXXX, etc.) seria feita aqui,
 // para construir a std::string real.
 std::string str(m_currentToken.value);
 consumeToken();
 return JsonValue(str);
 }

 JsonValue parseArray() {
 consumeToken(); // Consome '['
 JsonArray array;

 if (m_currentToken.type == TokenType::RBracket) {
 consumeToken(); // Array vazio
 return JsonValue(array);
 }

 while (true) {
 array.push_back(parseValue());
 if (m_currentToken.type == TokenType::Comma) {
 consumeToken();
 } else if (m_currentToken.type == TokenType::RBracket) {
 consumeToken();
 break;
 } else {
 throw std::runtime_error("Expected ',' or ']' in array"); // "Esperado ',' ou ']' no array"
 }
 }
 return JsonValue(array);
 }

 JsonValue parseObject() {
 consumeToken(); // Consome '{'
 JsonObject object;

 if (m_currentToken.type == TokenType::RBrace) {
 consumeToken(); // Objeto vazio
 return JsonValue(object);
 }

 while (true) {
 if (m_currentToken.type != TokenType::String) {
 throw std::runtime_error("Expected string key in object"); // "Esperada chave de string no objeto"
 }

 std::string key(m_currentToken.value);
 consumeToken();

 expectAndConsume(TokenType::Colon);

 JsonValue value = parseValue();
 object[key] = value;

 if (m_currentToken.type == TokenType::Comma) {
 consumeToken();
 } else if (m_currentToken.type == TokenType::RBrace) {
 consumeToken();
 break;
 } else {
 throw std::runtime_error("Expected ',' or '}' in object"); // "Esperado ',' ou '}' no objeto"
 }
 }
 return JsonValue(object);
 }
};

O parser de descida recursiva resulta em um código intuitivo e fácil de ler porque a estrutura do código corresponde perfeitamente 1 para 1 com a gramática JSON (BNF). Por exemplo, em parseObject, a sintaxe é analisada na ordem: Chave (String) -> Dois-pontos (Colon) -> Valor (Value).

6. Técnicas de Otimização de Desempenho

Apenas implementar um parser simples não o fará superar as bibliotecas práticas. Apresentarei a seguir algumas técnicas de otimização exclusivas do C++.

6.1. Arquitetura Zero-Copy e `std::string_view`

A maior parte do gargalo de desempenho de um parser reside em “cópias de strings” e “alocações dinâmicas de memória no heap”. O uso excessivo de std::string causará alocações de memória cada vez que uma substring for criada. Para evitar isso, utilizamos extensivamente std::string_view no lexer. O tempo de construção de um std::string_view é concluído em $O(1)$, independentemente do comprimento da string $L$.

6.2. Otimização do Parsing de Números (`std::from_chars`)

As funções padrão std::stod ou sscanf operam dependendo das configurações atuais de localidade (Locale), o que pode resultar na aquisição de travas (locks) para exclusão mútua internamente ou gerar sobrecargas de localização (overhead). O std::from_chars introduzido no C++17 é independente de localidade e não envolve cópia de memória, ostentando portanto um desempenho formidável no parsing de números. A complexidade de tempo é $O(M)$, sendo $M$ o número de dígitos.

6.3. Alocação de Memória e `std::pmr` (Polymorphic Memory Resources)

Durante a construção da AST, ocorre uma grande quantidade de pequenas alocações (fragmentação) devido à criação de nós de std::vector e std::map. Para evitar isso, é eficaz adotar std::pmr::monotonic_buffer_resource do C++17 como um alocador customizado. Ele aloca um grande bloco de memória previamente e de uma só vez; depois disso, a memória é fatiada simplesmente avançando um ponteiro, de forma que o custo de alocação torna-se praticamente zero.

6.4. Aproveitando SIMD (Avançado)

Em parsers de última geração como o simdjson, são utilizadas instruções SIMD, como AVX2 ou NEON, para rastrear strings de 32 ou 64 bytes de uma só vez. Isso acelera drasticamente o salto de espaços em branco ou a procura por aspas. A implementação deste artigo faz o rastreamento caractere por caractere, mas se você buscar ir ainda mais longe, a programação branchless (sem ramificações) e o uso de SIMD são essenciais.

7. Avaliação de Complexidade e Algoritmo

Vamos avaliar a complexidade algorítmica deste parser. Consideramos o comprimento total da string JSON de entrada como $N$ bytes.

Complexidade de Tempo (Time Complexity): O lexer referencia cada caractere um número constante de vezes (geralmente uma), e o parser realiza processamento de tempo constante para cada token. Não há ocorrência de backtracking (releitura). Portanto, a complexidade de tempo global é linear.

$$ T(N) = O(N) $$

Complexidade de Espaço (Space Complexity): A memória alocada para construir a AST (Árvore DOM) é proporcional à quantidade de elementos na string JSON. Mesmo no pior dos casos (por exemplo: um enorme array aninhado [[[[...]]]]), a quantidade de memória necessária permanecerá dentro de um múltiplo constante do tamanho da entrada $N$.

$$ Space(N) \le C \times N \implies O(N) $$

No entanto, no parsing de descida recursiva, a pilha de chamadas (call stack) é consumida proporcionalmente à profundidade (Depth) de aninhamento do JSON. Uma memória de pilha de $O(D)$ é requerida para uma profundidade $D$. Dado que passar um JSON malicioso aninhado infinitamente tem o risco de causar um Stack Overflow, um parser prático precisa implementar um limite na profundidade de recursão (ex: 256 ou 512) ou desenrolar a recursão em loops.

8. Conclusão

Neste artigo, explicamos os passos para criar um parser JSON do zero em C++.

Com o lexer, a string é dividida em tokens e a cópia inútil é reduzida usando std::string_view.
No parser, usa-se a análise sintática de descida recursiva para converter tokens numa AST (std::variant).
Focando em desempenho, aplicações como std::from_chars e estratégias de gerenciamento de memória são utilizadas.

A experiência de ler e interpretar uma especificação de linguagem e implementá-la em código elevará suas habilidades como programador. Usando este artigo como ponto de partida, tente estender seu próprio parser ou serializador (geração de strings JSON) e aventurar-se em otimizações ainda maiores (como introduzir um alocador customizado ou implementação de SIMD).

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