1. JSON基础与Python json 模块
json（javascript object notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成。在python中，我们可以使用内置的json模块来处理json数据，实现python对象与json字符串之间的转换，以及与json文件的读写操作。
json模块主要提供以下四个核心函数：
- json.dumps(): 将Python对象序列化为JSON格式的字符串。
- json.loads(): 将JSON格式的字符串反序列化为Python对象。
- json.dump(): 将Python对象序列化并写入到JSON文件中。
- json.load(): 从JSON文件中读取数据并反序列化为Python对象。
2. 基本的JSON文件读写操作
为了持久化程序中的数据，例如游戏排行榜，我们可以将Python字典或列表保存到JSON文件中，并在程序启动时加载。
以下是一个基本的JSON文件读写示例，演示了如何将一个字典写入文件，然后从文件中读取：
import json
# 1. 初始化一个排行榜字典（示例，实际中可能为空或有默认值）
initial_top5 = {
"1": 0,
"2": 0,
"3": 0,
"4": 0,
"5": 0
}
# 2. 将Python字典序列化为JSON字符串，并写入文件
# 'indent=4' 参数用于美化输出，使JSON文件更易读
try:
with open('topfive.json', 'w', encoding='utf-8') as outfile:
json.dump(initial_top5, outfile, indent=4)
print("排行榜已成功写入 topfive.json 文件。")
except IOError as e:
print(f"写入文件失败: {e}")
# 3. 从JSON文件中读取数据，并反序列化为Python对象
try:
with open('topfive.json', 'r', encoding='utf-8') as openfile:
loaded_leaderboard = json.load(openfile)
print("\n从 topfive.json 文件加载的排行榜数据:")
print(loaded_leaderboard)
print(f"数据类型: {type(loaded_leaderboard)}")
print(f"第一名分数: {loaded_leaderboard['1']}")
except FileNotFoundError:
print("topfive.json 文件不存在。")
except IOError as e:
print(f"读取文件失败: {e}")
except KeyError:
print("加载的排行榜数据结构不正确。")注意事项：
- with open(...) 语句是Python中处理文件I/O的推荐方式，它能确保文件在使用完毕后被正确关闭，即使发生错误。
- encoding='utf-8' 确保了文件读写的编码一致性，避免中文或其他特殊字符乱码。
- indent 参数在json.dump()和json.dumps()中用于指定输出JSON的缩进级别，有助于提高文件的可读性。
3. 构建动态排行榜系统
对于一个动态更新的排行榜，例如游戏分数排行榜，我们通常需要：加载现有数据、添加新分数、对分数进行排序，并只保留前N个最高分。将排行榜数据存储为列表（数组）而不是字典键值对，会使排序和截断操作更加直观和高效。
3.1 排行榜数据结构的选择
将排行榜分数存储为简单的数字列表（例如 [200, 180, 130, 120, 100]）比使用带字符串键的字典（例如 {"1": 200, "2": 180}）更灵活。当使用列表时，可以直接利用Python的列表排序功能，并且通过切片操作轻松截断列表以保持固定长度。
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3.2 加载排行榜数据 (load_leaderboard)
此函数负责从JSON文件中加载当前的排行榜数据。考虑到文件可能不存在（首次运行程序），或文件内容损坏，我们需要添加错误处理机制。
import json
LEADERBOARD_FILE = "top_five.json" # 定义排行榜文件名
MAX_LEADERBOARD_SIZE = 5 # 定义排行榜最大记录数
def load_leaderboard():
"""
从JSON文件中加载排行榜数据。
如果文件不存在或加载失败，则返回一个空列表。
"""
try:
with open(LEADERBOARD_FILE, "r", encoding='utf-8') as infile:
leaderboard = json.load(infile)
# 确保加载的是列表类型，避免潜在的KeyError
if not isinstance(leaderboard, list):
print(f"警告: {LEADERBOARD_FILE} 内容不是列表，已重置排行榜。")
return []
return leaderboard
except FileNotFoundError:
# 文件不存在时，返回空列表，表示排行榜为空
print(f"{LEADERBOARD_FILE} 文件未找到，将创建新的排行榜。")
return []
except json.JSONDecodeError:
# JSON文件格式错误时，返回空列表
print(f"错误: {LEADERBOARD_FILE} 文件格式不正确，已重置排行榜。")
return []
except IOError as e:
print(f"读取 {LEADERBOARD_FILE} 文件时发生I/O错误: {e}，已重置排行榜。")
return []
3.3 更新排行榜数据 (update_leaderboard)
此函数负责处理新的分数。它会加载现有排行榜，将新分数添加到列表中，然后对列表进行排序（降序），最后截断列表以只保留前N个分数，并将更新后的排行榜保存回文件。
def update_leaderboard(new_score):
"""
更新排行榜，将新分数添加到排行榜中，并保持排序和固定长度。
"""
if not isinstance(new_score, (int, float)):
print(f"警告: 无效分数类型 '{type(new_score)}'，分数必须是数字。")
return
leaderboard = load_leaderboard()
# 添加新分数
leaderboard.append(new_score)
# 按分数降序排列排行榜
leaderboard.sort(reverse=True)
# 只保留前 MAX_LEADERBOARD_SIZE 个分数
leaderboard = leaderboard[:MAX_LEADERBOARD_SIZE]
# 将更新后的排行榜保存回文件
try:
with open(LEADERBOARD_FILE, "w", encoding='utf-8') as outfile:
json.dump(leaderboard, outfile, indent=4)
print(f"新分数 {new_score} 已处理，排行榜已更新。")
except IOError as e:
print(f"写入 {LEADERBOARD_FILE} 文件失败: {e}")
3.4 完整示例与运行效果
结合上述函数，我们可以实现一个完整的动态排行榜管理系统：
# 示例用法：
print("--- 初始化和首次更新 ---")
update_leaderboard(100)
update_leaderboard(200)
update_leaderboard(120)
update_leaderboard(130)
update_leaderboard(180)
print("当前排行榜:", load_leaderboard()) # 应该显示 [200, 180, 130, 120, 100]
print("\n--- 添加较低分数，不应改变排行榜 ---")
update_leaderboard(90) # 90 低于当前最低分100，不应进入前5
update_leaderboard(10) # 10 同样不应进入
print("当前排行榜:", load_leaderboard()) # 应该仍然是 [200, 180, 130, 120, 100]
print("\n--- 添加一个高分，应替换最低分 ---")
update_leaderboard(500) # 500 是最高分，应进入排行榜，替换100
print("当前排行榜:", load_leaderboard()) # 应该显示 [500, 200, 180, 130, 120]
print("\n--- 尝试添加非数字分数 ---")
update_leaderboard("abc") # 应该发出警告且不处理
print("当前排行榜:", load_leaderboard())运行输出示例：
--- 初始化和首次更新 --- top_five.json 文件未找到，将创建新的排行榜。 新分数 100 已处理，排行榜已更新。 新分数 200 已处理，排行榜已更新。 新分数 120 已处理，排行榜已更新。 新分数 130 已处理，排行榜已更新。 新分数 180 已处理，排行榜已更新。 当前排行榜: [200, 180, 130, 120, 100] --- 添加较低分数，不应改变排行榜 --- 新分数 90 已处理，排行榜已更新。 新分数 10 已处理，排行榜已更新。 当前排行榜: [200, 180, 130, 120, 100] --- 添加一个高分，应替换最低分 --- 新分数 500 已处理，排行榜已更新。 当前排行榜: [500, 200, 180, 130, 120] --- 尝试添加非数字分数 --- 警告: 无效分数类型 ''，分数必须是数字。 当前排行榜: [500, 200, 180, 130, 120]
4. 最佳实践与进阶考量
- 健壮的错误处理： 在文件I/O操作中，try-except块是必不可少的。它能处理文件不存在（FileNotFoundError）、文件内容损坏（json.JSONDecodeError）或权限问题（IOError）等情况，确保程序不会崩溃并能优雅地恢复。
- 数据类型一致性： 确保排行榜中存储的分数始终是数字类型（整数或浮点数），这对于正确的排序至关重要。在update_leaderboard函数中增加对new_score类型的检查是一个好习惯。
- 排行榜容量管理： 通过MAX_LEADERBOARD_SIZE常量，可以方便地调整排行榜的显示数量。
- 存储玩家名称和分数： 如果需要存储玩家名称及其分数，可以将排行榜的每个元素从简单的数字变为字典，例如 [{'name': 'Alice', 'score': 500}, {'name': 'Bob', 'score': 200}]。此时，排序时需要使用key参数，如 leaderboard.sort(key=lambda x: x['score'], reverse=True)。
- 并发写入问题： 在多线程或多进程环境中，如果多个部分可能同时尝试写入同一个JSON文件，可能会导致数据损坏或不一致。对于这种情况，需要引入文件锁（例如fcntl模块在Unix-like系统上）或使用更复杂的数据库系统来管理数据。对于大多数单用户或简单的游戏应用，直接写入JSON文件通常足够。
总结
通过本教程，我们学习了如何利用Python的json模块实现一个功能完善的动态排行榜系统。这包括了JSON文件的基本读写、排行榜数据结构的优化（使用列表），以及实现加载、更新、排序和截断排行榜的核心逻辑。通过良好的错误处理和代码组织，我们可以确保排行榜数据在程序运行之间持久化，并提供流畅的用户体验。
