O que é JSON?

JavaScript Object Notation (JSON) é uma representação de dados baseado em chave-valor, seguindo a sintaxe dos objetos da linguagem JavaScript. Popularizou-se como uma forma de transmissão de dados pela Web, como uma alternativa à estrutura XML.

Outras linguagens também oferecem suporte para se trabalhar com dados nesse formato. Por exemplo, a biblioteca nativa json permite converter strings no formato JSON para dicionários da linguagem Python.

Para que essa conversão seja possível, é necessário estabelecer uma relação entre os tipos primitivos dessas duas linguagens. Essa correspondência é bastante simples pois ambas as linguagem oferecem um tipo primitivo para strings (texto), valores numéricos (inteiros e floats), tipos booleanos (True, False) e listas, dicionários e o valor nulo (Null no caso do JavaScript e None no caso do Python).

Nesse artigo, veremos como transformar dados em JSON em dataframes em quatro exemplos. - Um exemplo básico; - Um exemplo intermediário - Um exemplo avançado; - E um exemplo um pouco mais avançado.

O exemplo de dados no formato JSON utilizado nesse artigo é adaptado daquele presente na página de documentação da Mozilla Web Docs, e que pode ser consultado nesse link.

Exemplo básico

Nesse primeiro exemplo, transformaremos a string no formato JSON em um dicionário em Python utilizando a biblioteca nativa json.

import json

A variável single_character é string com um único objeto no formato JSON. Esse objeto temos as chaves 'name', 'age', 'secretIdentity' e 'powers', e seus respectivos valores.

Note que o valor correspondente a chave 'powers' é uma lista de strings. O uso de listas (ou arrays do JavaScript) codifica uma relação de um-para-muitos. No caso, um super-heroí possui vários poderes.

single_character = '''
{
      "name": "Molecule Man",
      "age": 29,
      "secretIdentity": "Dan Jukes",
      "powers": [
        "Radiation resistance",
        "Turning tiny",
        "Radiation blast"
      ]
    }
'''

superhero = json.loads(single_character)

Podemos transformar (ou decodificar) esses dados em um dicionário Python utilizando a função json.loads. E magicamente, temos um dicionário.

superhero

{'name': 'Molecule Man',
 'age': 29,
 'secretIdentity': 'Dan Jukes',
 'powers': ['Radiation resistance', 'Turning tiny', 'Radiation blast']}

Um pandas Dataframe pode ser construído a partir de uma lista de dicionários. Mas se passarmos esse simples dicionário superhero para o construtor do dataframe, também obtemos um dataframe.

import pandas as pd

pd.DataFrame(superhero)

Note que o atributo powers, que codifica uma lista de três poderes, e ele se desdobra em três registros (linhas).

Porém, esse mesmo resultado pode ser obtido utilizando a função pd.read_json

pd.read_json(single_character)

Exemplo Intermediário

Nesse próximo exemplo, a variável squad é uma lista de heróis, e ainda temos o mesmo atributo powers com uma lista de poderes para esses heróis.

squad = '''
 [
    {
      "name": "Molecule Man",
      "age": 29,
      "secretIdentity": "Dan Jukes",
      "powers": [
        "Radiation resistance",
        "Turning tiny",
        "Radiation blast"
      ]
    },
    {
      "name": "Madame Uppercut",
      "age": 39,
      "secretIdentity": "Jane Wilson",
      "powers": [
        "Million tonne punch",
        "Damage resistance",
        "Superhuman reflexes"
      ]
    },
    {
      "name": "Eternal Flame",
      "age": 1000000,
      "secretIdentity": "Unknown",
      "powers": [
        "Immortality",
        "Heat Immunity",
        "Inferno",
        "Teleportation",
        "Interdimensional travel"
      ]
    }
  ]
'''

Nesse caso função pd.read_json não desdobra os valores da coluna powers. Os valores dessa coluna são diversas listas.

pd.read_json(squad)

Caso se queira desdobrar esse relacionamento um-para-vários, é possível utilizar o método explode.

pd.read_json(squad).explode('powers')

Exemplo Avançado

No próximo exemplo, os temos as informações do esquadrão de super-heróis: nomes, cidade, ano de formação, base secreta, além da relação de membros.

Novamente temos uma relação de um-para-muitos: um esquadrão e vários super-heróis. Nesse exemplo, vamos omitir a relação um-para-muitos entre heróis e poderes.

squad_advanced = '''{
  "squadName": "Super hero squad",
  "homeTown": "Metro City",
  "formed": 2016,
  "secretBase": "Super tower",
  "active": true,
  "members": [
    {
      "name": "Molecule Man",
      "age": 29,
      "secretIdentity": "Dan Jukes",
      "powers" : "molecule powers"
    },
    {
      "name": "Madame Uppercut",
      "age": 39,
      "secretIdentity": "Jane Wilson",
      "powers" : "badass"
    },
    {
      "name": "Eternal Flame",
      "age": 1000000,
      "secretIdentity": "Unknown",
      "powers" : "flame"
    }
  ]
}
'''

O dataframe resultante da função pd.read_json possui os atributos do esquadrão nome, cidade, ano de formação, base secreta e se está ou não em atividade.

Os valores da coluna members no entanto, são dicionários correspondentes aos super-heróis.

pd.read_json(squad_advanced)

Ao utilizar o método explode para desdobrar essa relação os valores da coluna members corresponderá às chaves dos dicionários.

Muito provavelmente, esse não é o resultado esperado para as nossas análises, conforme podemos ver.

pd.read_json(squad_advanced).explode('members')

Nesses casos podemos utilizar a função pd.json_normalize para obter melhores resultados.

Contudo, essa função aceita dicionários Python, por isso é necessário utilizar a função json.loads para decodificar os dados JSON.

Essa função recebe o parâmetro record_paths que indica qual é o atributo principal dos dados, nesse caso o atributo members com informações dos nossos três super-heróis.

squad_dict = json.loads(squad_advanced)

pd.json_normalize(squad_dict, record_path='members')

Para manter os atributos que se refere às informações do esquadrão, utilizamos os parâmetros meta e passamos a lista de atributos que queremos manter.

Note que os valores desses atributos são repetidos para cada um dos três super-heróis.

pd.json_normalize(squad_dict, 
                  record_path='members', 
                  meta=['squadName', 'homeTown', 'secretBase'])

Um exemplo um pouco mais avançado

Nesse último caso, vamos unir o que aprendemos nos dois últimos exemplos. Para tanto, voltamos com a relação um-para-vários presente no atributo powers.

squad_more_advanced = '''
{
  "squadName": "Super hero squad",
  "homeTown": "Metro City",
  "formed": 2016,
  "secretBase": "Super tower",
  "active": true,
  "members": [
    {
      "name": "Molecule Man",
      "age": 29,
      "secretIdentity": "Dan Jukes",
      "powers": [
        "Radiation resistance",
        "Turning tiny",
        "Radiation blast"
      ]
    },
    {
      "name": "Madame Uppercut",
      "age": 39,
      "secretIdentity": "Jane Wilson",
      "powers": [
        "Million tonne punch",
        "Damage resistance",
        "Superhuman reflexes"
      ]
    },
    {
      "name": "Eternal Flame",
      "age": 1000000,
      "secretIdentity": "Unknown",
      "powers": [
        "Immortality",
        "Heat Immunity",
        "Inferno",
        "Teleportation",
        "Interdimensional travel"
      ]
    }
  ]
}
'''

Então, seguimos os mesmos passos:

1. Decodificamos os dados em JSON em dicionários;
2. Utilizamos a função pd.json_normalize definindo os parâmetros record_paths para chave que contém os nossos principais dados, e meta para aquelas chaves que queremos manter;

squad_dict_2 = json.loads(squad_more_advanced)

df = pd.json_normalize(squad_dict_2, 
                  record_path='members', 
                  meta=['squadName', 'homeTown', 'secretBase'])

df

A coluna que corresponde a chave powers, que mantém informações sobre os poderes dos super-heróis, mantém listas com nomes dos poderes de cada super-herói.

Poderíamos desdobrar os valores dessa coluna utilizando o método explode, conforme pode-se ver a seguir.

df.explode('powers')

Conclusão

JSON permite estruturar dados nos mais diferentes formatos. Atributos podem manter listas de valores, ou até mesmo lista de dicionários. As possibilidades são numerosas.

Nesse artigo, comentamos sobre o uso de algumas funções e métodos para transformados dados no formato JSON em dataframes, sendo elas:

1. json.loads
2. pd.read_json
3. dataframe.explode
4. pd.json_normalize