非数をJSONに入れようとするとどうなるか

JSON には非数(NaN)は入れられない。入れられるフォーマットになっていないので仕方ない。
無限大も入れられない。入れられるフォーマットになっていないので仕方ない。
仕方ないんだけど、入れようとしたらどうなってしまうのか、各言語の対応を見ていく。

Ruby

まずはソースコード：

ruby

require "json"

def test(e)
  print( e.inspect, ":" )
  begin
    puts([e].to_json)
  rescue=>e
    p e
  end
end

test( Float::NAN )
test( Float::INFINITY )

これを実行すると：

NaN:#<JSON::GeneratorError: 865: NaN not allowed in JSON>
Infinity:#<JSON::GeneratorError: 862: Infinity not allowed in JSON>

となる。
両者とも例外。まあそうだよね。

2022.02.03 追記

ruby

require "json"

def test(e)
  print( e.inspect, ":" )
  begin
    p JSON.dump([e])
  rescue=>e
    p e
  end
end

test( Float::NAN )
test( Float::INFINITY )

これを実行すると:

NaN:"[NaN]"
Infinity:"[Infinity]"

JSON として不正。ひどい。なぜなのか。なぜ to_json と JSON.dump で挙動が違うのか。

Go

まずはソースコード：

go

package main

import (
	"encoding/json"
	"fmt"
	"math"
)

func test(val float64) {
	e := []float64{val}
	j, err := json.Marshal(e)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	} else {
		fmt.Println(string(j))
	}
}

func main() {
	test(math.NaN())
	test(math.Inf(1))
}

実行するとこうなる：

json: unsupported value: NaN
json: unsupported value: +Inf

go なので例外でも panic でもなく、エラーになる。

JavaScript(node)

まずはソースコード：

javascript(node)

"use strict";

const test = (e)=>{
  try{
    console.log( ">%s: %s", e, JSON.stringify( [e] ) );
  }
  catch(err){
    console.log( ">%s: %s", e, err);
  }
};

test(NaN);
test(Infinity);
// 以下は今回の記事と関係ないけど面白いので：
test(undefined);
test(null);
test({a:undefined});
test({a:null});

実行するとこうなる：

>NaN: [null]
>Infinity: [null]
>undefined: [null]
>null: [null]
>[object Object]: [{}]
>[object Object]: [{"a":null}]

例外にもエラーにもならず、黙って null にされる。
今回の記事と関係ないけど、null や undefined などを JSON.stringify に食べさせると下表のようになる：

入力	返戻値	typeof(返戻値)
undefined	undefined	undefined
null	'null'	string
[undefined]	'[null]'	string
[null]	'[null]'	string
{a:undefined}	'{}'	string
{a:null}	'{"a":null}'	string

JavaScript 難しい。

C#

初出時は

見出しに「C#」と普通に書く方法がわからないのでバッククオートでくくってみた。

と書いていたんだけど、見出しの # C# に続けて半角スペースを打てばよいという編集リクエストを @htsign さんから頂いたので修正した。
ありがとうございます。

それはさておきソースコード：
まずはソースコード：

C#

using System;
using System.IO;
using System.Runtime.Serialization;
using System.Runtime.Serialization.Json;

namespace NanJSON
{
  class Hoge
  {
    static void Main()
    {
      Test(Double.NaN);
      Test(Double.PositiveInfinity);
    }

    private static void Test(double val)
    {
      var ary = new Double[] { val };
      using (var ms = new MemoryStream())
      using (var sr = new StreamReader(ms))
      {
        var serializer = new DataContractJsonSerializer(typeof(Double[]));
        serializer.WriteObject(ms, ary);
        ms.Position = 0;
        var json = sr.ReadToEnd();
        Console.WriteLine("{0} : {1}", val, json);
      }
    }
  }
}

実行するとこうなる：

NaN : [NaN]
Infinity : [INF]

ひどい。JSON として valid ではない。
実行環境は macOS 10.14.3 で、

• csc: 2.8.2.62916 (2ad4aabc)
• mono: 5.18.0.268 (tarball Tue Mar 12 08:29:42 GMT 2019)

である。
10分ぐらい調べた範囲では、回避策はない。ひどい。

Python3

まずはソースコード：

python3

import json
import sys

def test(val):
  try:
    j = json.dumps( [val] )
    print( "%s: %s" % ( val, j ) )
  except:
    print( "%s: %s" % ( val, sys.exc_info()[1] ) )

test( float("nan") )
test( float("infinity") )

実行するとこうなる：

nan: [NaN]
inf: [Infinity]

ひどい。JSON として valid ではない。

Python3 の場合は回避策がある。

j = json.dumps( [val] )
を
j = json.dumps( [val], allow_nan=False )
に変更すればよい。

そうすると、出力は

nan: Out of range float values are not JSON compliant
inf: Out of range float values are not JSON compliant

になる。正しい。なんでこちらがデフォルトじゃないんだろう。

Perl

まずはソースコード：

perl

use strict;
use warnings;
use utf8;
use JSON;

sub test{
  my $val = shift;
  my $json = encode_json( [$val] );
  print( $val, ":", $json, "\n" );
}

my $inf = 9**9**9;
my $nan = $inf - $inf;
test($nan);
test($inf);

無限大と非数の定数や関数がないらしい。
これを実行するとこうなる：

nan:[nan]
inf:[inf]

これもひどい。
ほとんど調べてないけど、パット見 回避策はなさそう。
ちなみに perl は v5.18.2

PHP

まずはソースコード：

PHP7

<?php

function test($val)
{
  $json = json_encode([$val]);
  echo $val, ": ";
  if (is_string($json)){
    echo $json, "\n";
  } else {
    var_export($json);
    echo " / ";
    var_export(json_last_error_msg());
    echo "\n";
  }
}

test( INF );
test( NAN );

動かすとこうなる：

INF: false / 'Inf and NaN cannot be JSON encoded'
NAN: false / 'Inf and NaN cannot be JSON encoded'

ドキュメントを見ると

成功した場合に、JSON エンコードされた文字列を返します。 失敗した場合に FALSE を返します。

という PHP のことをよく知らない私にはやや意外な I/F になっていて、それがちゃんと機能しているようだ。

初出時

とはいえ、エラーの原因などについて知る方法はなさそうな感じ。残念。

と書いていたが、エラーを取る関数を間違えていただけだった。実際は上記の通り（そして @rana_kualu　さんのコメントの通り) エラーの原因も取れる。
さらに、そういうオプションを指定すれば例外にすることもできるようだ。
素晴らしい。

ちなみに、上記ソースコードで if (is_string($json)) となっている箇所を if ($json) としてはいけない。

json_encode(0) は、"0" であり、 "0" は falsy なので不幸になる。

C++

C++ には私の知る限り標準的な JSON encoder / parse はない。
よく使われていそうな JSON ライブラリがどうしているのか、二例調査した。

picojson

仕事で使ったことがある。ヘッダのみなので導入が楽。
で。これを使ったソースコード：

c++17

// clang++ -std=c++17 -Wall -O0
#include <iostream>
#include <limits>
#include <string>
#include <vector>
#include "picojson/picojson.h" // https://github.com/kazuho/picojson

void test(double v) {
  std::cout << v << ":";
  try {
    std::vector<picojson::value> ary{picojson::value(v)};
    picojson::value obj(ary);
    std::cout << obj.serialize() << std::endl;
  } catch (std::overflow_error &e) {
    std::cout << "overflow error" << std::endl;
  }
}

int main() {
  test(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  test(std::numeric_limits<double>::infinity());
}

実行するとこうなる：

nan:overflow error
inf:overflow error

ちゃんと例外になる。

NaN の場合も std::overflow_error なのはどうなんだとか、

throw std::overflow_error("");

と、メッセージなしなのはちょっととか、思わなくもないけれど、困ることはないと思う。

json11

picojson の他にライブラリ無いかなと思って探して最初に見つけたもの。

というわけでソースコード：

c++17

// clang++ -std=c++17 -Wall -O0
#include <iostream>
#include <limits>
#include <string>
#include <vector>
#include "json11/json11.hpp" // https://github.com/dropbox/json11/

void test(double v) {
  std::cout << v << ":";
  try {
    json11::Json o = json11::Json::array{v};
    std::cout << o.dump() << std::endl;
  } catch (std::exception &e) {
    std::cout << e.what() << std::endl;
  }
}

int main() {
  test(1);
  test(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  test(std::numeric_limits<double>::infinity());
}

実行するとこうなる：

nan:[null]
inf:[null]

だまって null にされる。
std::isfinite を呼んでいる場所 を見る限りオプションなどはない模様。

jsoncpp

jsonc をパースしてくれるので最近使っている jsoncpp。

というわけでソースコード：

c++

// clang++ -std=c++17 -Wall -O2
#include "json/json.h"
#include <iostream>
#include <limits>
#include <string>

void testDefault(double v) {
  std::cout << "  " << v << ":";
  try {
    Json::Value jv(v);
    std::cout << jv << std::endl;
  } catch (std::exception &e) {
    std::cout << typeid(e).name() << ":" << e.what() << std::endl;
  }
}

void testSpecial(double v) {
  std::cout << "  " << v << ":";
  try {
    Json::StreamWriterBuilder builder;
    builder["useSpecialFloats"] = true;
    std::cout << Json::writeString(builder, v) << std::endl;
  } catch (std::exception &e) {
    std::cout << typeid(e).name() << ":" << e.what() << std::endl;
  }
}

int main() {
  std::cout << "default:\n";
  testDefault(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  testDefault(std::numeric_limits<double>::infinity());
  std::cout << "useSpecialFloats:true\n";
  testSpecial(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  testSpecial(std::numeric_limits<double>::infinity());
}

実行するとこうなる：

default:
  nan:null
  inf:1e+9999
useSpecialFloats:true
  nan:NaN
  inf:Infinity

非数は黙って null にされる。よろしくない。

無限大は 1e+9999 にするという新しい展開。なるほどとも思うけど、8倍精度浮動小数の最大値がおよそ $1.6113 × 10^{78913}$ らしいので、もう一桁か二桁ほしいところだったかも。

useSpecialFloats というオプションがあって、これを使うと非数が NaN に、無限大が Infinity になり、JSON としては不正になる。よろしくない。

まとめ

各言語の対応をまとめると：

言語	対応	評価(私見)
Ruby	to_json は例外。JSON.dump は NaN Infinity 等になる	だめ
Go	エラー	Very Good
JavaScript(node)	null に変換する	微妙
C#	NaN, INF にする	だめ
Python3	NaN, Infinity にする(回避可能)	ややだめ
Perl	nan, inf にする	だめ
PHP	失敗を意味する FALSE を返す。別途関数で原因も取れる。	Very Good
C++ + picojson	例外	Good
C++ + json11	null に変換する	微妙
C++ + jsoncpp	非数は null に無限は 1e+9999 にする。設定によっては NaN などにする	微妙

という感じ。

※ 初出時 PHP は「Good」だったが、ちゃんと原因も取れるようなので「Very Good」に変更した。
※ 初出時 ruby は「Very Good」だった。to_json は Very Good　だけど、 JSON.dump が だめ なので、総合で だめ 。

だめな人が多くてびっくりした。