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计算机程序的思维逻辑 (62) - 神奇的序列化

2024-08-30 17:50:52   222人阅读

在前面几节，我们在将对象保存到文件时，使用的是DataOutputStream，从文件读入对象时，使用的是DataInputStream， 使用它们，需要逐个处理对象中的每个字段，我们提到，这种方式比较啰嗦，Java中有一种更为简单的机制，那就是序列化。

简单来说，序列化就是将对象转化为字节流，反序列化就是将字节流转化为对象。在Java中，具体如何来使用呢？它是如何实现的？有什么优缺点？本节就来探讨这些问题，我们先从它的基本用法谈起。

基本用法

Serializable

要让一个类支持序列化，只需要让这个类实现接口java.io.Serializable，Serializable没有定义任何方法，只是一个标记接口。比如，对于57节提到的Student类，为支持序列化，可改为：

public class Student implements Serializable {
    String name;
    int age;
    double score;
    
    public Student(String name, int age, double score) {
         ...
    }
    ...
}

声明实现了Serializable接口后，保存/读取Student对象就可以使用另两个流了ObjectOutputStream/ObjectInputStream。

ObjectOutputStream/ObjectInputStream

ObjectOutputStream是OutputStream的子类，但实现了ObjectOutput接口，ObjectOutput是DataOutput的子接口，增加了一个方法：

public void writeObject(Object obj) throws IOException

这个方法能够将对象obj转化为字节，写到流中。

ObjectInputStream是InputStream的子类，它实现了ObjectInput接口，ObjectInput是DataInput的子接口，增加了一个方法：

public Object readObject() throws ClassNotFoundException, IOException

这个方法能够从流中读取字节，转化为一个对象。

使用这两个流，57节介绍的保存学生列表的代码就可以变为：

public static void writeStudents(List<Student> students) throws IOException {
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
            new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("students.dat")));
    try {
        out.writeInt(students.size());
        for (Student s : students) {
            out.writeObject(s);
        }
    } finally {
        out.close();
    }
}

而从文件中读入学生列表的代码可以变为：

public static List<Student> readStudents() throws IOException,
        ClassNotFoundException {
    ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new BufferedInputStream(
            new FileInputStream("students.dat")));
    try {
        int size = in.readInt();
        List<Student> list = new ArrayList<>(size);
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            list.add((Student) in.readObject());
        }
        return list;
    } finally {
        in.close();
    }
}

实际上，只要List对象也实现了Serializable (ArrayList/LinkedList都实现了)，上面代码还可以进一步简化，读写只需要一行代码，如下所示：

public static void writeStudents(List<Student> students) throws IOException {
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
            new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("students.dat")));
    try {
        out.writeObject(students);
    } finally {
        out.close();
    }
}

public static List<Student> readStudents() throws IOException,
        ClassNotFoundException {
    ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new BufferedInputStream(
            new FileInputStream("students.dat")));
    try {
        return (List<Student>) in.readObject();
    } finally {
        in.close();
    }
}

是不是很神奇？只要将类声明实现Serializable接口，然后就可以使用ObjectOutputStream/ObjectInputStream直接读写对象了。我们之前介绍的各种类，如String, Date, Double, ArrayList, LinkedList, HashMap, TreeMap等，都实现了Serializable。

复杂对象

上面例子中的Student对象是非常简单的，如果对象比较复杂呢？比如：

  • 如果a, b两个对象都引用同一个对象c，序列化后c是保存两份还是一份？在反序列化后还能让a, b指向同一个对象吗？
  • 如果a, b两个对象有循环引用呢？即a引用了b，而b也引用了a。

我们分别来看下。

引用同一个对象

我们看个简单的例子，类A和类B都引用了同一个类Common，它们都实现了Serializable，这三个类的定义如下：

class Common implements Serializable {
    String c;

    public Common(String c) {
        this.c = c;
    }
}

class A implements Serializable {
    String a;
    Common common;
    
    public A(String a, Common common) {
        this.a = a;
        this.common = common;
    }

    public Common getCommon() {
        return common;
    }
}

class B implements Serializable {
    String b;
    Common common;
    
    public B(String b, Common common) {
        this.b = b;
        this.common = common;
    }

    public Common getCommon() {
        return common;
    }
}

有三个对象, a, b, c，如下所示：

Common c = new Common("common");
A a = new A("a", c);
B b = new B("b", c);

a和b引用同一个对象c，如果序列化这两个对象，反序列化后，它们还能指向同一个对象吗？答案是肯定的，我们看个实验。

ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(bout);
out.writeObject(a);
out.writeObject(b);
out.close();

ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(
        new ByteArrayInputStream(bout.toByteArray()));
A a2 = (A) in.readObject();
B b2 = (B) in.readObject();

if (a2.getCommon() == b2.getCommon()) {
    System.out.println("reference the same object");
} else {
    System.out.println("reference different objects");
}

输出为：

reference the same object

这也是Java序列化机制的神奇之处，它能自动处理这种引用同一个对象的情况。更神奇的是，它还能自动处理循环引用的情况，我们来看下。

循环引用

我们看个例子，有Parent和Child两个类，它们相互引用，类定义如下：

class Parent implements Serializable {
    String name;
    Child child;
    
    public Parent(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Child getChild() {
        return child;
    }
    public void setChild(Child child) {
        this.child = child;
    }
}

class Child implements Serializable {
    String name;
    Parent parent;
    
    public Child(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Parent getParent() {
        return parent;
    }
    public void setParent(Parent parent) {
        this.parent = parent;
    }    
}

定义两个对象：

Parent parent = new Parent("老马");
Child child = new Child("小马");
parent.setChild(child);
child.setParent(parent);

序列化parent, child两个对象，Java能正确序列化吗？反序列化后，还能保持原来的引用关系吗？答案是肯定的，我们看代码实验：

ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(bout);
out.writeObject(parent);
out.writeObject(child);
out.close();

ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(
        bout.toByteArray()));
parent = (Parent) in.readObject();
child = (Child) in.readObject();

if (parent.getChild() == child && child.getParent() == parent
        && parent.getChild().getParent() == parent
        && child.getParent().getChild() == child) {
    System.out.println("reference OK");
} else {
    System.out.println("wrong reference");
}

输出为：

reference OK

神奇吧？

定制序列化

默认的序列化机制已经很强大了，它可以自动将对象中的所有字段自动保存和恢复，但这种默认行为有时候不是我们想要的。

比如，对于有些字段，它的值可能与内存位置有关，比如默认的hashCode()方法的返回值，当恢复对象后，内存位置肯定变了，基于原内存位置的值也就没有了意义。还有一些字段，可能与当前时间有关，比如表示对象创建时的时间，保存和恢复这个字段就是不正确的。

还有一些情况，如果类中的字段表示的是类的实现细节，而非逻辑信息，那默认序列化也是不适合的。为什么不适合呢？因为序列化格式表示一种契约，应该描述类的逻辑结构，而非与实现细节相绑定，绑定实现细节将使得难以修改，破坏封装。

比如，我们在容器类中介绍的LinkedList，它的默认序列化就是不适合的，为什么呢？因为LinkedList表示一个List，它的逻辑信息是列表的长度，以及列表中的每个对象，但LinkedList类中的字段表示的是链表的实现细节，如头尾节点指针，对每个节点，还有前驱和后继节点指针等。

那怎么办呢？Java提供了多种定制序列化的机制，主要的有两种，一种是transient关键字，另外一种是实现writeObject和readObject方法。

将字段声明为transient，默认序列化机制将忽略该字段，不会进行保存和恢复。比如，类LinkedList中，它的字段都声明为了transient，如下所示：

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

声明为了transient，不是说就不保存该字段了，而是告诉Java默认序列化机制，不要自动保存该字段了，可以实现writeObject/readObject方法来自己保存该字段。

类可以实现writeObject方法，以自定义该类对象的序列化过程，其声明必须为：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException

可以在这个方法中，调用ObjectOutputStream的方法向流中写入对象的数据。比如，LinkedList使用如下代码序列化列表的逻辑数据：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException {
    // Write out any hidden serialization magic
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        s.writeObject(x.item);
}

需要注意的是第一行代码：

s.defaultWriteObject();

这一行是必须的，它会调用默认的序列化机制，默认机制会保存所有没声明为transient的字段，即使类中的所有字段都是transient，也应该写这一行，因为Java的序列化机制不仅会保存纯粹的数据信息，还会保存一些元数据描述等隐藏信息，这些隐藏的信息是序列化之所以能够神奇的重要原因。

与writeObject对应的是readObject方法，通过它自定义反序列化过程，其声明必须为：

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException

在这个方法中，调用ObjectInputStream的方法从流中读入数据，然后初始化类中的成员变量。比如，LinkedList的反序列化代码为：

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    // Read in any hidden serialization magic
    s.defaultReadObject();

    // Read in size
    int size = s.readInt();

    // Read in all elements in the proper order.
    for (int i = 0; i < size; i++)
        linkLast((E)s.readObject());
}

注意第一行代码：

s.defaultReadObject();

这一行代码也是必须的。

序列化的基本原理

稍微总结一下：

  • 如果类的字段表示的就是类的逻辑信息，如上面的Student类，那就可以使用默认序列化机制，只要声明实现Serializable接口即可。
  • 否则的话，如LinkedList，那就可以使用transient关键字，实现writeObject和readObject来自定义序列化过程。
  • Java的序列化机制可以自动处理如引用同一个对象、循环引用等情况。

但，序列化到底是如何发生的呢？关键在ObjectOutputStream的writeObject和ObjectInputStream的readObject方法内。它们的实现都非常复杂，正因为这些复杂的实现才使得序列化看上去很神奇，我们简单介绍下其基本逻辑。

writeObject的基本逻辑是：

  • 如果对象没有实现Serializable，抛出异常NotSerializableException。
  • 每个对象都有一个编号，如果之前已经写过该对象了，则本次只会写该对象的引用，这可以解决对象引用和循环引用的问题。
  • 如果对象实现了writeObject方法，调用它的自定义方法。
  • 默认是利用反射机制(反射我们留待后续文章介绍)，遍历对象结构图，对每个没有标记为transient的字段，根据其类型，分别进行处理，写出到流，流中的信息包括字段的类型即完整类名、字段名、字段值等。

readObject的基本逻辑是：

  • 不调用任何构造方法。
  • 它自己就相当于是一个独立的构造方法，根据字节流初始化对象，利用的也是反射机制。
  • 在解析字节流时，对于引用到的类型信息，会动态加载，如果找不到类，会抛出ClassNotFoundException。

版本问题

上面的介绍，我们忽略了一个问题，那就是版本问题。我们知道，代码是在不断演化的，而序列化的对象可能是持久保存在文件上的，如果类的定义发生了变化，那持久化的对象还能反序列化吗？

默认情况下，Java会给类定义一个版本号，这个版本号是根据类中一系列的信息自动生成的。在反序列化时，如果类的定义发生了变化，版本号就会变化，与流中的版本号就会不匹配，反序列化就会抛出异常，类型为java.io.InvalidClassException。

通常情况下，我们希望自定义这个版本号，而非让Java自动生成，一方面是为了更好的控制，另一方面是为了性能，因为Java自动生成的性能比较低，怎么自定义呢？在类中定义如下变量：

private static final long serialVersionUID = 1L;

在Java IDE如Eclipse中，如果声明实现了Serializable而没有定义该变量，IDE会提示自动生成。这个变量的值可以是任意的，代表该类的版本号。在序列化时，会将该值写入流，在反序列化时，会将流中的值与类定义中的值进行比较，如果不匹配，会抛出InvalidClassException。

那如果版本号一样，但实际的字段不匹配呢？Java会分情况自动进行处理，以尽量保持兼容性，大概分为三种情况：

  • 字段删掉了：即流中有该字段，而类定义中没有，该字段会被忽略。
  • 新增了字段：即类定义中有，而流中没有，该字段会被设为默认值。
  • 字段类型变了：对于同名的字段，类型变了，会抛出InvalidClassException。 

高级自定义

除了自定义writeObject/readObject方法，Java中还有如下自定义序列化过程的机制：

  • Externalizable接口
  • readResolve方法
  • writeReplace方法 

这些机制实际用到的比较少，我们简要说明下。

Externalizable是Serializable的子接口，定义了如下方法：

void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException
void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException

与writeObject/readObject的区别是，如果对象实现了Externalizable接口，则序列化过程会由这两个方法控制，默认序列化机制中的反射等将不再起作用，不再有类似defaultWriteObject和defaultReadObject调用，另一个区别是，反序列化时，会先调用类的无参构造方法创建对象，然后才调用readExternal。默认的序列化机制由于需要分析对象结构，往往比较慢，通过实现Externalizable接口，可以提高性能。

readResolve方法返回一个对象，声明为：

Object readResolve()

如果定义了该方法，在反序列化之后，会额外调用该方法，该方法的返回值才会被当做真正的反序列化的结果。这个方法通常用于反序列化单例对象的场景。

writeReplace也是返回一个对象，声明为：

Object writeReplace()

如果定义了该方法，在序列化时，会先调用该方法，该方法的返回值才会被当做真正的对象进行序列化。

writeReplace和readResolve可以构成一种所谓的序列化代理模式，这个模式描述在<Effective Java> 第二版78条中，Java容器类中的EnumSet使用了该模式，我们一般用的比较少，就不详细介绍了。

序列化特点分析

序列化的主要用途有两个，一个是对象持久化，另一个是跨网络的数据交换、远程过程调用。

Java标准的序列化机制有很多优点，使用简单，可自动处理对象引用和循环引用，也可以方便的进行定制，处理版本问题等，但它也有一些重要的局限性：

  • Java序列化格式是一种私有格式，是一种Java语言特有的技术，不能被其他语言识别，不能实现跨语言的数据交换。
  • Java在序列化字节中保存了很多描述信息，使得序列化格式比较大。
  • Java的默认序列化使用反射分析遍历对象结构，性能比较低。
  • Java的序列化格式是二进制的，不方便查看和修改。

由于这些局限性，实践中往往会使用一些替代方案。在跨语言的数据交换格式中，XML/JSON是被广泛采用的文本格式，各种语言都有对它们的支持，文件格式清晰易读，有很多查看和编辑工具，它们的不足之处是性能和序列化大小，在性能和大小敏感的领域，往往会采用更为精简高效的二进制方式如ProtoBuf, Thrift, MessagePack等。

小结

本节介绍了Java的标准序列化机制，我们介绍了它的用法和基本原理，最后分析了它的特点，它是一种神奇的机制，通过简单的Serializable接口就能自动处理很多复杂的事情，但它也有一些重要的限制，最重要的是不能跨语言。

在接来下的几节中，我们来看一些替代方案，包括XML/JSON和MessagePack。

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