理解Java的序列化與反序列化

更新時(shí)間：2016年02月04日 09:06:39 投稿：lijiao

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Java的序列化與反序列化，序列化是一種對(duì)象持久化的手段。普遍應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)傳輸、RMI等場(chǎng)景中。本文通過分析ArrayList的序列化來介紹Java序列化的相關(guān)內(nèi)容，感興趣的小伙伴們可以參考一下

文章主要涉及到以下幾個(gè)問題：

怎么實(shí)現(xiàn)Java的序列化
為什么實(shí)現(xiàn)了java.io.Serializable接口才能被序列化
transient的作用是什么
怎么自定義序列化策略
自定義的序列化策略是如何被調(diào)用的
ArrayList對(duì)序列化的實(shí)現(xiàn)有什么好處

一、Java對(duì)象的序列化

Java平臺(tái)允許我們?cè)趦?nèi)存中創(chuàng)建可復(fù)用的Java對(duì)象，但一般情況下，只有當(dāng)JVM處于運(yùn)行時(shí)，這些對(duì)象才可能存在，即，這些對(duì)象的生命周期不會(huì)比JVM的生命周期更長(zhǎng)。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，就可能要求在JVM停止運(yùn)行之后能夠保存(持久化)指定的對(duì)象，并在將來重新讀取被保存的對(duì)象。Java對(duì)象序列化就能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)該功能。

使用Java對(duì)象序列化，在保存對(duì)象時(shí)，會(huì)把其狀態(tài)保存為一組字節(jié)，在未來，再將這些字節(jié)組裝成對(duì)象。必須注意地是，對(duì)象序列化保存的是對(duì)象的”狀態(tài)”，即它的成員變量。由此可知，對(duì)象序列化不會(huì)關(guān)注類中的靜態(tài)變量。

除了在持久化對(duì)象時(shí)會(huì)用到對(duì)象序列化之外，當(dāng)使用RMI(遠(yuǎn)程方法調(diào)用)，或在網(wǎng)絡(luò)中傳遞對(duì)象時(shí)，都會(huì)用到對(duì)象序列化。Java序列化API為處理對(duì)象序列化提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，該API簡(jiǎn)單易用，在本文的后續(xù)章節(jié)中將會(huì)陸續(xù)講到。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
  private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

  transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

  private int size;
}

二、如何對(duì)Java對(duì)象進(jìn)行序列化與反序列化

在Java中，只要一個(gè)類實(shí)現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么它就可以被序列化。這里先來一段代碼：

code 1 創(chuàng)建一個(gè)User類，用于序列化及反序列化

package com.hollis;
import java.io.Serializable;
import java.util.Date;

/**
 * Created by hollis on 16/2/2.
 */
public class User implements Serializable{
  private String name;
  private int age;
  private Date birthday;
  private transient String gender;
  private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;

  public String getName() {
    return name;
  }

  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }

  public int getAge() {
    return age;
  }

  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }

  public Date getBirthday() {
    return birthday;
  }

  public void setBirthday(Date birthday) {
    this.birthday = birthday;
  }

  public String getGender() {
    return gender;
  }

  public void setGender(String gender) {
    this.gender = gender;
  }

  @Override
  public String toString() {
    return "User{" +
        "name='" + name + '\'' +
        ", age=" + age +
        ", gender=" + gender +
        ", birthday=" + birthday +
        '}';
  }
}

code 2 對(duì)User進(jìn)行序列化及反序列化的Demo

package com.hollis;
import org.apache.commons.io.FileUtils;
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import java.io.*;
import java.util.Date;

/**
 * Created by hollis on 16/2/2.
 */
public class SerializableDemo {

  public static void main(String[] args) {
    //Initializes The Object
    User user = new User();
    user.setName("hollis");
    user.setGender("male");
    user.setAge(23);
    user.setBirthday(new Date());
    System.out.println(user);

    //Write Obj to File
    ObjectOutputStream oos = null;
    try {
      oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
      oos.writeObject(user);
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      IOUtils.closeQuietly(oos);
    }

    //Read Obj from File
    File file = new File("tempFile");
    ObjectInputStream ois = null;
    try {
      ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
      User newUser = (User) ois.readObject();
      System.out.println(newUser);
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    } catch (ClassNotFoundException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      IOUtils.closeQuietly(ois);
      try {
        FileUtils.forceDelete(file);
      } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }

  }
}
//output 
//User{name='hollis', age=23, gender=male, birthday=Tue Feb 02 17:37:38 CST 2016}
//User{name='hollis', age=23, gender=null, birthday=Tue Feb 02 17:37:38 CST 2016}

三、序列化及反序列化相關(guān)知識(shí)

1、在Java中，只要一個(gè)類實(shí)現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么它就可以被序列化。

2、通過ObjectOutputStream和ObjectInputStream對(duì)對(duì)象進(jìn)行序列化及反序列化

3、虛擬機(jī)是否允許反序列化，不僅取決于類路徑和功能代碼是否一致，一個(gè)非常重要的一點(diǎn)是兩個(gè)類的序列化 ID 是否一致（就是 private static final long serialVersionUID）

4、序列化并不保存靜態(tài)變量。

5、要想將父類對(duì)象也序列化，就需要讓父類也實(shí)現(xiàn)Serializable 接口。

6、Transient 關(guān)鍵字的作用是控制變量的序列化，在變量聲明前加上該關(guān)鍵字，可以阻止該變量被序列化到文件中，在被反序列化后，transient 變量的值被設(shè)為初始值，如 int 型的是 0，對(duì)象型的是 null。

7、服務(wù)器端給客戶端發(fā)送序列化對(duì)象數(shù)據(jù)，對(duì)象中有一些數(shù)據(jù)是敏感的，比如密碼字符串等，希望對(duì)該密碼字段在序列化時(shí)，進(jìn)行加密，而客戶端如果擁有解密的密鑰，只有在客戶端進(jìn)行反序列化時(shí)，才可以對(duì)密碼進(jìn)行讀取，這樣可以一定程度保證序列化對(duì)象的數(shù)據(jù)安全。

四、ArrayList的序列化

在介紹ArrayList序列化之前，先來考慮一個(gè)問題：

如何自定義的序列化和反序列化策略

帶著這個(gè)問題，我們來看java.util.ArrayList的源碼

code 3

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
  private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
  transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
  private int size;
}

筆者省略了其他成員變量，從上面的代碼中可以知道ArrayList實(shí)現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么我們就可以對(duì)它進(jìn)行序列化及反序列化。因?yàn)閑lementData是transient的，所以我們認(rèn)為這個(gè)成員變量不會(huì)被序列化而保留下來。我們寫一個(gè)Demo，驗(yàn)證一下我們的想法：

code 4

public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
    List<String> stringList = new ArrayList<String>();
    stringList.add("hello");
    stringList.add("world");
    stringList.add("hollis");
    stringList.add("chuang");
    System.out.println("init StringList" + stringList);
    ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("stringlist"));
    objectOutputStream.writeObject(stringList);

    IOUtils.close(objectOutputStream);
    File file = new File("stringlist");
    ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
    List<String> newStringList = (List<String>)objectInputStream.readObject();
    IOUtils.close(objectInputStream);
    if(file.exists()){
      file.delete();
    }
    System.out.println("new StringList" + newStringList);
  }
//init StringList[hello, world, hollis, chuang]
//new StringList[hello, world, hollis, chuang]

了解ArrayList的人都知道，ArrayList底層是通過數(shù)組實(shí)現(xiàn)的。那么數(shù)組elementData其實(shí)就是用來保存列表中的元素的。通過該屬性的聲明方式我們知道，他是無法通過序列化持久化下來的。那么為什么code 4的結(jié)果卻通過序列化和反序列化把List中的元素保留下來了呢？

五、writeObject和readObject方法

在ArrayList中定義了來個(gè)方法： writeObject和readObject。

這里先給出結(jié)論:

在序列化過程中，如果被序列化的類中定義了writeObject 和 readObject 方法，虛擬機(jī)會(huì)試圖調(diào)用對(duì)象類里的 writeObject 和 readObject 方法，進(jìn)行用戶自定義的序列化和反序列化。

如果沒有這樣的方法，則默認(rèn)調(diào)用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。

用戶自定義的 writeObject 和 readObject 方法可以允許用戶控制序列化的過程，比如可以在序列化的過程中動(dòng)態(tài)改變序列化的數(shù)值。

來看一下這兩個(gè)方法的具體實(shí)現(xiàn)：

code 5

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    // Read in size, and any hidden stuff
    s.defaultReadObject();

    // Read in capacity
    s.readInt(); // ignored

    if (size > 0) {
      // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
      ensureCapacityInternal(size);

      Object[] a = elementData;
      // Read in all elements in the proper order.
      for (int i=0; i<size; i++) {
        a[i] = s.readObject();
      }
    }
  }

code 6

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
      s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
      throw new ConcurrentModificationException();
    }
  }

那么為什么ArrayList要用這種方式來實(shí)現(xiàn)序列化呢？

why transient

ArrayList實(shí)際上是動(dòng)態(tài)數(shù)組，每次在放滿以后自動(dòng)增長(zhǎng)設(shè)定的長(zhǎng)度值，如果數(shù)組自動(dòng)增長(zhǎng)長(zhǎng)度設(shè)為100，而實(shí)際只放了一個(gè)元素，那就會(huì)序列化99個(gè)null元素。為了保證在序列化的時(shí)候不會(huì)將這么多null同時(shí)進(jìn)行序列化，ArrayList把元素?cái)?shù)組設(shè)置為transient。

why writeObject and readObject

前面說過，為了防止一個(gè)包含大量空對(duì)象的數(shù)組被序列化，為了優(yōu)化存儲(chǔ)，所以，ArrayList使用transient來聲明elementData。
但是，作為一個(gè)集合，在序列化過程中還必須保證其中的元素可以被持久化下來，所以，通過重寫writeObject 和 readObject方法的方式把其中的元素保留下來。

writeObject方法把elementData數(shù)組中的元素遍歷的保存到輸出流（ObjectOutputStream）中。

readObject方法從輸入流（ObjectInputStream）中讀出對(duì)象并保存賦值到elementData數(shù)組中。

至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：

1、如何自定義的序列化和反序列化策略

答：可以通過在被序列化的類中增加writeObject 和 readObject方法。2、那么問題又來了：

雖然ArrayList中寫了writeObject 和 readObject 方法，但是這兩個(gè)方法并沒有顯示的被調(diào)用啊。

那么如果一個(gè)類中包含writeObject 和 readObject 方法，那么這兩個(gè)方法是怎么被調(diào)用的呢?

六、ObjectOutputStream

從code 4中，我們可以看出，對(duì)象的序列化過程通過ObjectOutputStream和ObjectInputputStream來實(shí)現(xiàn)的，那么帶著剛剛的問題，我們來分析一下ArrayList中的writeObject 和 readObject 方法到底是如何被調(diào)用的呢？

為了節(jié)省篇幅，這里給出ObjectOutputStream的writeObject的調(diào)用棧：

writeObject ---> writeObject0 --->writeOrdinaryObject--->writeSerialData--->invokeWriteObject

這里看一下invokeWriteObject：

void invokeWriteObject(Object obj, ObjectOutputStream out)
    throws IOException, UnsupportedOperationException
  {
    if (writeObjectMethod != null) {
      try {
        writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });
      } catch (InvocationTargetException ex) {
        Throwable th = ex.getTargetException();
        if (th instanceof IOException) {
          throw (IOException) th;
        } else {
          throwMiscException(th);
        }
      } catch (IllegalAccessException ex) {
        // should not occur, as access checks have been suppressed
        throw new InternalError(ex);
      }
    } else {
      throw new UnsupportedOperationException();
    }
  }

其中writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });是關(guān)鍵，通過反射的方式調(diào)用writeObjectMethod方法。官方是這么解釋這個(gè)writeObjectMethod的：

class-defined writeObject method, or null if none

在我們的例子中，這個(gè)方法就是我們?cè)贏rrayList中定義的writeObject方法。通過反射的方式被調(diào)用了。

至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：

如果一個(gè)類中包含writeObject 和 readObject 方法，那么這兩個(gè)方法是怎么被調(diào)用的?

答：在使用ObjectOutputStream的writeObject方法和ObjectInputStream的readObject方法時(shí)，會(huì)通過反射的方式調(diào)用。

至此，我們已經(jīng)介紹完了ArrayList的序列化方式。那么，不知道有沒有人提出這樣的疑問：

Serializable明明就是一個(gè)空的接口，它是怎么保證只有實(shí)現(xiàn)了該接口的方法才能進(jìn)行序列化與反序列化的呢？

Serializable接口的定義：

public interface Serializable {
}

讀者可以嘗試把code 1中的繼承Serializable的代碼去掉，再執(zhí)行code 2，會(huì)拋出java.io.NotSerializableException。

其實(shí)這個(gè)問題也很好回答，我們?cè)倩氐絼倓侽bjectOutputStream的writeObject的調(diào)用棧：

writeObject ---> writeObject0 --->writeOrdinaryObject--->writeSerialData--->invokeWriteObject

writeObject0方法中有這么一段代碼：

if (obj instanceof String) {
        writeString((String) obj, unshared);
      } else if (cl.isArray()) {
        writeArray(obj, desc, unshared);
      } else if (obj instanceof Enum) {
        writeEnum((Enum<?>) obj, desc, unshared);
      } else if (obj instanceof Serializable) {
        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);
      } else {
        if (extendedDebugInfo) {
          throw new NotSerializableException(
            cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString());
        } else {
          throw new NotSerializableException(cl.getName());
        }
      }

在進(jìn)行序列化操作時(shí)，會(huì)判斷要被序列化的類是否是Enum、Array和Serializable類型，如果不是則直接拋出NotSerializableException。

總結(jié)

1、如果一個(gè)類想被序列化，需要實(shí)現(xiàn)Serializable接口。否則將拋出NotSerializableException異常，這是因?yàn)?，在序列化操作過程中會(huì)對(duì)類型進(jìn)行檢查，要求被序列化的類必須屬于Enum、Array和Serializable類型其中的任何一種。

2、在變量聲明前加上該關(guān)鍵字，可以阻止該變量被序列化到文件中。

3、在類中增加writeObject 和 readObject 方法可以實(shí)現(xiàn)自定義序列化策略

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助。

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