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JSON stringify及parse方法实现数据深拷贝

来源：互联网收集：自由互联发布时间：2023-02-08

目录引言 JSON.stringify data space replacer JSON.parse 有限状态自动机解析流程数组的处理完整代码引言 JSON 的 stringify 和 parse 两个方法在平时的工作中也很常用，如果没有一些特殊的类型，

引言

JSON 的 stringify 和 parse 两个方法在平时的工作中也很常用，如果没有一些特殊的类型，是实现数据深拷贝的一个原生方式。

下面就这两个方法的一个手动实现思路。

JSON.stringify

JSON.stringify 方法用于将 JavaScript 值转换为 JSON 字符串。该方法有三个参数：

data: 需要转换的数据
replacer：用于转换结果的对象或者数组，可以函数或者数组
space：文本添加缩进、空格和换行符，可以是数字或者字符串，数字的最大值是 10，字符串的最大长度是 10

下面的测试只用到这些类型：

number，string，function，object，array，null，undefined，map，set，weakmap，weakset

但是 JavaScript 数据的严格类型远远不止这几个。

data

首先我们用 JSON.stringify 来打印结果：

const testJson = {
  4: 3,
  n: 1,
  s: 's',
  f: () => { },
  null: null,
  unde: undefined,
  arr: [1, 's', null, undefined, () => { }],
  obj: {
    n: '1',
    s: 's'
  },
  map: new Map(),
  set: new Set([1, 2, 3]),
  wmap: new WeakMap(),
  wset: new WeakSet()
}
const raws = JSON.stringify(testJson)
// {
//  "4":3,"n":1,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null,null,null],
//  "obj":{"n":"1","s":"s"},"map":{},"set":{},"wmap":{},"wset":{}
// }

根据上面的结果，我们可以发现对象内的 function, undefined 被剔除了，map, set 等都被动的转换成了空对象。而数组内的 function 和 undefined 被替换成了 null。

所以我们可以根据上述规则写一个简单的 stringify 方法：

const stringify = (data: any) => {
  // 获取数据的严格类型
  const type = getType(data)
  let res = ''
  switch (type) {
    case 'Object':
      // 处理对象
      res = stringifyObject(data, indent, replacer, space)
      break
    case 'Array':
      // 处理数组
      res = stringifyArray(data, indent, space)
      break
    case 'Number':
      res = `${data}`
      break
    case 'String':
      res = `"${data}"`
      break
    case 'Null':
      res = 'null'
      break
    case 'Set':
    case 'WeakSet':
    case 'Map':
    case 'WeakMap':
      res = '{}'
      break
    default:
      return
  }
  return res
}

实现几个辅助函数：

// 获取严格类型
const getType = (data: any) => {
  return Object.prototype.toString.call(data).slice(8, -1)
}
// 处理对象方法
const stringifyObject = (data: Record<string, any>) => {
  const vals: string[] = []
  for (const key in data) {
    // 递归处理
    const val = stringify(data[key])
    // 如果值为 undefined，我们则需要跳过
    if (val !== undefined) {
      vals.push(`"${key}":${val}`)
    }
  }
  return `{${vals.join(',')}}`
}
// 处理数组方法
const stringifyArray = (data: any[]) => {
  const vals: any[] = []
  for (const val of data) {
    // 递归处理，如果返回 undefined 则替换为 null
    vals.push(stringify(val) || 'null')
  }
  return `[${vals.join(',')}]`
}

到这里就实现了 stringify 的简单版本。下面可以简单测试一下：

const raws = JSON.stringify(testJson)
const cuss = stringify(testJson)
console.log(raws === cuss) // true

后面还有两个参数，我们先实现第三个，第二个参数的作用等下在实现。

space

space 主要是用于添加空格、换行、缩进，但是只要 space 的值是合法的，换行符是默认加上一个的。所以我们要改下 stringify 的方法：

type Replacer = ((key: string, value: any) => any) | null | (string | number)[]
export const stringify = (data: any, replacer?: Replacer, space?: number | string, indent = 1) => {
  const type = getType(data)
  if (typeof space === 'number') {
    if (space <= 0) {
      space = undefined
    } else {
      space = Math.min(10, space)
    }
  } else if (typeof space === 'string') {
    space = space.substring(0, 10)
  } else if (space) {
    space = undefined
  }
  let res = ''
  switch (type) {
    case 'Object':
      res = stringifyObject(data, indent, replacer, space)
      break
    case 'Array':
      res = stringifyArray(data, indent, space)
      break
    // 省略部分代码
  }
  // 省略部分代码
}

对于 space 的不同非法的值，我们可以在控制台上进行一些简单的测试就可以得出，像 -1 这种其实是不生效的。

而我处理的是只能是数字和字符串，数字必须是 1 - 10，字符串的最长长度是 10 位，其余的都重置为 undefined。

因为像数组和对象的这种嵌套，缩进其实是要跟着动的，这里就新增了 indent 字段，初始为 1，后续递归就 + 1。

// 新增分隔符处理方法
const handleSeparator = (space: number | string, indent: number, prefix: string = '', suffix: string = '') => {
  let separator = prefix + '\n'
  if (typeof space === 'number') {
    separator += ' '.repeat(space).repeat(indent)
  } else {
    separator += space.repeat(indent)
  }
  return separator + suffix
}
// 对象方法修改
const stringifyObject = (data: Record<string, any>, indent: number, replacer?: Replacer, space?: number | string) => {
  const vals: string[] = []
  for (const key in data) {
    const val = stringify(data[key], null, space, indent + 1)
    if (val !== undefined) {
      vals.push(`"${key}":${space ? ' ' : ''}${val}`)
    }
  }
  // 新增 space 处理
  if (space) {
    const val = vals.join(handleSeparator(space, indent, ','))
    if (!val) {
      return '{}'
    }
    const front = handleSeparator(space, indent, '{')
    const back = handleSeparator(space, indent - 1, '', '}')
    return front + val + back
  }
  return `{${vals.join(',')}}`
}
// 数组处理方法
const stringifyArray = (data: any[], indent: number, space?: number | string) => {
  const vals: any[] = []
  for (const val of data) {
    vals.push(stringify(val) || 'null')
  }
  // 新增 space 处理
  if (space) {
    const front = handleSeparator(space, indent, '[')
    const val = vals.join(handleSeparator(space, indent, ','))
    const back = handleSeparator(space, indent - 1, '', ']')
    return front + val + back
  }
  return `[${vals.join(',')}]`
}

replacer

replacer 参数有两个类型，数组类型是用来过滤对象类型内的字段，只保留数组内的 key，而函数类型有点奇怪，有点不明白，函数的参数是 key 和 value，初始的 key 为空， value 就是当前的对象的值。

所以这里我们需要修改两处地方：

export const stringify = (data: any, replacer?: Replacer, space?: number | string, indent = 1) => {
  // 如果 replacer 为函数的话，直接返回函数运行后的值
  if (typeof replacer === 'function') {
    return replacer('', data)
  }
  const type = getType(data)
  // 省略部分代码
}
const stringifyObject = (data: Record<string, any>, indent: number, replacer?: Replacer, space?: number | string) => {
  const filter = getType(replacer) === 'Array' ? replacer : null
  const vals: string[] = []
  for (const key in data) {
    const val = stringify(data[key], null, space, indent + 1)
    if (
      val !== undefined &&
      (
        // 如果是数组，则当前的 key 必须是在 replacer 数组内
        !filter ||
        (filter as (string | number)[]).includes(key) ||
        (filter as (string | number)[]).includes(+key)
      )
    ) {
      vals.push(`"${key}":${space ? ' ' : ''}${val}`)
    }
  }
  // 省略部分代码
}

到这里， stringify 的方法差不多了。下面是完整代码：

type Replacer = ((key: string, value: any) => any) | null | (string | number)[]
const getType = (data: any) => {
  return Object.prototype.toString.call(data).slice(8, -1)
}
const handleSeparator = (space: number | string, indent: number, prefix: string = '', suffix: string = '') => {
  let separator = prefix + '\n'
  if (typeof space === 'number') {
    separator += ' '.repeat(space).repeat(indent)
  } else {
    separator += space.repeat(indent)
  }
  return separator + suffix
}
const stringifyObject = (data: Record<string, any>, indent: number, replacer?: Replacer, space?: number | string) => {
  const filter = getType(replacer) === 'Array' ? replacer : null
  const vals: string[] = []
  for (const key in data) {
    const val = stringify(data[key], null, space, indent + 1)
    if (
      val !== undefined &&
      (
        !filter ||
        (filter as (string | number)[]).includes(key) ||
        (filter as (string | number)[]).includes(+key)
      )
    ) {
      vals.push(`"${key}":${space ? ' ' : ''}${val}`)
    }
  }
  if (space) {
    const val = vals.join(handleSeparator(space, indent, ','))
    if (!val) {
      return '{}'
    }
    const front = handleSeparator(space, indent, '{')
    const back = handleSeparator(space, indent - 1, '', '}')
    return front + val + back
  }
  return `{${vals.join(',')}}`
}
const stringifyArray = (data: any[], indent: number, space?: number | string) => {
  const vals: any[] = []
  for (const val of data) {
    vals.push(stringify(val) || 'null')
  }
  if (space) {
    const front = handleSeparator(space, indent, '[')
    const val = vals.join(handleSeparator(space, indent, ','))
    const back = handleSeparator(space, indent - 1, '', ']')
    return front + val + back
  }
  return `[${vals.join(',')}]`
}
export const stringify = (data: any, replacer?: Replacer, space?: number | string, indent = 1) => {
  if (typeof replacer === 'function') {
    return replacer('', data)
  }
  const type = getType(data)
  if (typeof space === 'number') {
    if (space <= 0) {
      space = undefined
    } else {
      space = Math.min(10, space)
    }
  } else if (typeof space === 'string') {
    space = space.substring(0, 10)
  } else if (space) {
    space = undefined
  }
  let res = ''
  switch (type) {
    case 'Object':
      res = stringifyObject(data, indent, replacer, space)
      break
    case 'Array':
      res = stringifyArray(data, indent, space)
      break
    case 'Number':
      res = `${data}`
      break
    case 'String':
      res = `"${data}"`
      break
    case 'Null':
      res = 'null'
      break
    case 'Set':
    case 'WeakSet':
    case 'Map':
    case 'WeakMap':
      res = '{}'
      break
    default:
      return
  }
  return res
}

JSON.parse

stringify 方法的实现还是比较简单的，在一些笔试中还有可能会有相关需要实现的题。

而 JSON.parse 则是需要将合法的 json 字符串转换成对象，这里就需要用到一个概念：有限状态自动机

有限状态自动机

这里只做简单的介绍：有限状态机(Finite State Machine)，是指任意时刻都处于有限状态集合中的某一状态。当其获得一个输入字符时，将从当前状态转换到另一个状态或者仍然保持当前状态。

可以结合当前 json 字符串的场景来简单理解一下：

我们有如下一个字符串：

const str = '{"4":3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'

然后定义几个状态：

const State = {
  INIT: 'INIT',  // 初始状态
  OBJECTSTART: 'OBJECTSTART',  // 开始解析对象
  ARRAYSTART: 'ARRAYSTART',  // 开始解析数组
  OBJVALSTART: 'OBJVALSTART',  // 开始解析对象的属性与值
  OBJVALEND: 'OBJVALEND',  // 对象属性与值解析结束
  ARRVALSTART: 'ARRVALSTART' // 开始解析数组值
}

因为 json 字符串是非常规则的字符串，所以我们可以结合正则表达式来提取相关步骤的数据，在字符串中的 ' '\t\n\r 等也是可以的，所以在正则中需要考虑并且替换。

const parse = (data: string | number | null) => {
  if (typeof data === 'number' || data === null) {
    return data
  }
  // 将字符串转换为地址引用，方便后面字符串数据的消费
  const context = { data }
  // 具体解析方法
  return parseData(context)
}

然后定义几个辅助函数：

// 字符串的消费函数 - 就是截取已匹配完的数据，返回剩余字符串
const advance = (context: { data: string }, num: number) => {
  context.data = context.data.slice(num)
}
// 是否结束状态机
const isEnd = (ctx: { data: string }) => {
  // 如果没有数据了，则结束
  if (!ctx.data) {
    return false
  }
  const match = /^(}|\])[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
  if (match) {
    if (
      match[1] === '}' && getType(res) !== 'Object' ||
      match[1] === ']' && getType(res) !== 'Array'
    ) {
      throw Error('解析错误')
    }
    advance(ctx, match[0].length)
    return false
  }
  return true
}
// 解析对象属性值
const parseObjValue = (context: { data: string }) => {
  const match = /^[ \n\t\r]*((".*?")|([0-9A-Za-z]*))[ \t\n\r]?/.exec(context.data)
  if (match) {
    advance(context, match[0].length)
    const valMatch = /^"(.*?)"$/.exec(match[1])
    if (valMatch) {
      return valMatch[1]
    }
    if (match[1] === 'null') {
      return null
    }
    if (isNaN(+match[1])) {
      throw Error('解析错误')
    }
    return Number(match[1])
  }
  new Error('解析错误')
}
// 解析数组值
const parseArrValue = (context: { data: string }) => {
  const refMatch = /^({|\][ \n\t\r]*)/.exec(context.data)
  // 开启新的状态机
  if (refMatch) {
    return parseData(context)
  }
  const match = /^((".*?")|([0-9a-zA-Z]*))[ \n\t\r]*[,]?[ \n\t\r]*/.exec(context.data)
  if (match) {
    advance(context, match[0].length)
    const valMatch = /^"(.*?)"$/.exec(match[1])
    if (valMatch) {
      return valMatch[1]
    }
    if (match[1] === 'null') {
      return null
    }
    if (isNaN(+match[1])) {
      throw Error('解析错误')
    }
    return Number(match[1])
  }
  throw Error('解析错误')
}

在上面定义状态的时候，解析对象、数组和数组值的时候只有开始状态，而没有结束状态。只是结束状态统一放入 isEnd 函数中，。

解析流程

下面开始定义 parseData 函数：

第一步

const parseData = (ctx: { data: string }) => {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx)) {
    switch (CurrentState) {
      case State.INIT:
        {
          const match = /^[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match?.[0].length) {
            advance(ctx, match[0].length)
          }
          if (ctx.data[0] === '{') {
            res = {}
            currentState = State.OBJECTSTART
          } else if (ctx.data[0] === '[') {
            res = []
            currentState = State.ARRAYSTART
          } else {
            res = parseObjValue(ctx)
          }
        }
        break
      case State.OBJECTSTART:
        break
      case State.OBJVALSTART:
        break
      case State.OBJVALEND:
        break
      case State.ARRAYSTART:
        break
      case State.ARRVALSTART:
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}

INIT 中，先去掉前面的空格、换行等字符，示例：

const str1 = ' \t\n\r{"4":3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'
const str2 = '{"4":3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'

然后再判读第一个字符是什么：

如果是 {，则将状态转移到 OBJECTSTART，将 res 赋值一个空对象
如果是 [，则将状态转移到 ARRAYSTART，将 res 赋值一个空数组
如果都不是，则就是一个值，可以用对象解析属性值的方法来解析，判读是否是合法的字符串

所以这里的状态转移到了对象解析 OBJECTSTART：

第二步

const parseData = (ctx: { data: string }) => {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx)) {
    switch (CurrentState) {
      case State.INIT:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJECTSTART:
        {
          const match = /^{[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            currentState = State.OBJVALSTART
          }
        }
        break
      case State.OBJVALSTART:
        break
      case State.OBJVALEND:
        break
      case State.ARRAYSTART:
        break
      case State.ARRVALSTART:
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}

OBJECTSTART 中，消费掉 '{'，将状态转移到 OBJVALSTART，剩余字符数据：

const str = '"4":3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'

第三步

const parseData = (ctx: { data: string }) => {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx)) {
    switch (CurrentState) {
      case State.INIT:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJECTSTART:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJVALSTART:
        {
          const match = /^"(.*?)"[ \n\t\r]*:[ \n\t\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            if (ctx.data[0] === '{' || ctx.data[0] === '[') {
              res[match[1]] = parseData(ctx)
            } else {
              res[match[1]] = parseObjValue(ctx)
            }
            currentState = State.OBJVALEND
          }
        }
        break
      case State.OBJVALEND:
        break
      case State.ARRAYSTART:
        break
      case State.ARRVALSTART:
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}

先获取 key: 等数组并消费，剩余字符数据：

const str = '3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'

先判读后续字符的第一个字符是什么：

如果是 { 或者 [，则开启一个新的状态机
否则直接用 parseObjValue 解析值

最后将状态转移至 OBJVALEND。

第四步

const parseData = (ctx: { data: string }) => {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx)) {
    switch (CurrentState) {
      case State.INIT:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJECTSTART:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJVALSTART:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJVALEND:
        {
          const match = /^[ \t\n\r]*([,}\]])[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            if (match[1] === ',') {
              currentState = State.OBJVALSTART
            }
            advance(ctx, match[0].length)
          }
        }
        break
      case State.ARRAYSTART:
        break
      case State.ARRVALSTART:
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}

如果后面匹配出来的字符是 ,，则表示后续还有其它的对象属性，我们需要将状态重新转移到 OBJVALSTART, 如果是其它的 } 或者 ]，则会在此次消费完毕，然后在 isEnd 中会退出状态机。

后续剩余字符的变化会依照上数状态的变化而进行字符消费：

const str = '3,"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'
// 1
const str = ',"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'
// 2
const str = '"s":"s","null":null,"arr":[1,"s",null],"obj":{}}'
// 省略 s 和 null
// 3 开启新的状态机
const str = '[1,"s",null],"obj":{}}'
// 4 结束状态机
const str = '],"obj":{}}'
// 5 开启新的状态机
const str = '{}}'
// 6 结束状态机
const str = '}}'
// 7 结束状态机
const str = '}'

数组的处理

const parseData = (ctx: { data: string }) =&gt; {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx)) {
    switch (CurrentState) {
      case State.INIT:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJECTSTART:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJVALSTART:
        // 省略部分代码
        break
      case State.OBJVALEND:
        // 省略部分代码
        break
      case State.ARRAYSTART:
        {
          const match = /^\[[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            currentState = State.ARRVALSTART
          }
        }
        break
      case State.ARRVALSTART:
        res.push(parseArrValue(ctx))
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}

如果第一个字符为 [，则会开启新的状态机，状态也会转换为 ARRAYSTART，然后在 ARRAYSTART 状态内进行数组值的转换。

到这里整个 JSON.parse 的实现思路差不多，但是上述的流程应该有没考虑到的地方，但是大体差不多，只是边界的处理问题。测试示例：

// 数据使用上面的 testJson
const raws = JSON.stringify(testJson)
const rawp = JSON.parse(raws)
const cusp = parse(raws)
console.log(raws, 'JSON.stringify')
console.log(rawp, 'JSON.parse')
console.log(cusp, 'parse')

结果：

完整代码

const State = {
  INIT: 'INIT',
  OBJECTSTART: 'OBJECTSTART',
  ARRAYSTART: 'ARRAYSTART',
  OBJVALSTART: 'OBJVALSTART',
  OBJVALEND: 'OBJVALEND',
  ARRVALSTART: 'ARRVALSTART'
}
const isEnd = (ctx: { data: string }, res: any) => {
  if (!ctx.data) {
    return false
  }
  const match = /^(}|\])[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
  if (match) {
    if (
      match[1] === '}' && getType(res) !== 'Object' ||
      match[1] === ']' && getType(res) !== 'Array'
    ) {
      throw Error('解析错误')
    }
    advance(ctx, match[0].length)
    return false
  }
  return true
}
const advance = (context: { data: string }, num: number) => {
  context.data = context.data.slice(num)
}
const parseObjValue = (context: { data: string }) => {
  const match = /^[ \n\t\r]*((".*?")|([0-9A-Za-z]*))[ \t\n\r]?/.exec(context.data)
  if (match) {
    advance(context, match[0].length)
    const valMatch = /^"(.*?)"$/.exec(match[1])
    if (valMatch) {
      return valMatch[1]
    }
    if (match[1] === 'null') {
      return null
    }
    if (isNaN(+match[1])) {
      throw Error('解析错误')
    }
    return Number(match[1])
  }
  new Error('解析错误')
}
const parseArrValue = (context: { data: string }) => {
  const refMatch = /^({|\][ \n\t\r]*)/.exec(context.data)
  if (refMatch) {
    return parseData(context)
  }
  const match = /^((".*?")|([0-9a-zA-Z]*))[ \n\t\r]*[,]?[ \n\t\r]*/.exec(context.data)
  if (match) {
    advance(context, match[0].length)
    const valMatch = /^"(.*?)"$/.exec(match[1])
    if (valMatch) {
      return valMatch[1]
    }
    if (match[1] === 'null') {
      return null
    }
    if (isNaN(+match[1])) {
      throw Error('解析错误')
    }
    return Number(match[1])
  }
  throw Error('解析错误')
}
const parseData = (ctx: { data: string }) => {
  let res: any = ''
  let currentState = State.INIT
  while (isEnd(ctx, res)) {
    switch (currentState) {
      case State.INIT:
        {
          const match = /^[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match?.[0].length) {
            advance(ctx, match[0].length)
          }
          if (ctx.data[0] === '{') {
            res = {}
            currentState = State.OBJECTSTART
          } else if (ctx.data[0] === '[') {
            res = []
            currentState = State.ARRAYSTART
          } else {
            res = parseObjValue(ctx)
          }
        }
        break
      case State.OBJECTSTART:
        {
          const match = /^{[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            currentState = State.OBJVALSTART
          }
        }
        break
      case State.OBJVALSTART:
        {
          const match = /^"(.*?)"[ \n\t\r]*:[ \n\t\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            if (ctx.data[0] === '{' || ctx.data[0] === '[') {
              res[match[1]] = parseData(ctx)
            } else {
              res[match[1]] = parseObjValue(ctx)
            }
            currentState = State.OBJVALEND
          }
        }
        break
      case State.OBJVALEND:
        {
          const match = /^[ \t\n\r]*([,}\]])[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            if (match[1] === ',') {
              currentState = State.OBJVALSTART
            }
            advance(ctx, match[0].length)
          }
        }
        break
      case State.ARRAYSTART:
        {
          const match = /^\[[ \t\n\r]*/.exec(ctx.data)
          if (match) {
            advance(ctx, match[0].length)
            currentState = State.ARRVALSTART
          }
        }
        break
      case State.ARRVALSTART:
        res.push(parseArrValue(ctx))
        break
      // no default
    }
  }
  return res
}
export const parse = (data: string | number | null) => {
  if (typeof data === 'number' || data === null) {
    return data
  }
  const context = { data }
  return parseData(context)
}

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