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深入理解Java对象序列化

关于Java序列化的文章早已是汗牛充栋了,本文是对我个人过往学习,理解及应用Java序列化的一个总结。此文内容涉及Java序列化的基本原理,以及多种方法对序列化形式进行定制。

作者:Sha Jiang来源:Sha Jiang的博客|2012-02-14 10:29

关于Java序列化的文章早已是汗牛充栋了,本文是对我个人过往学习,理解及应用Java序列化的一个总结。此文内容涉及Java序列化的基本原理,以及多种方法对序列化形式进行定制。在撰写本文时,既参考了Thinking in Java, Effective Java,JavaWorld,developerWorks中的相关文章和其它网络资料,也加入了自己的实践经验与理解,文、码并茂,希望对大家有所帮助。(持续更新中,2012.02.13最后更新)

1. 什么是Java对象序列化

Java平台允许我们在内存中创建可复用的Java对象,但一般情况下,只有当JVM处于运行时,这些对象才可能存在,即,这些对象的生命周期不会比JVM的生命周期更长。但在现实应用中,就可能要求在JVM停止运行之后能够保存(持久化)指定的对象,并在将来重新读取被保存的对象。Java对象序列化就能够帮助我们实现该功能。

使用Java对象序列化,在保存对象时,会把其状态保存为一组字节,在未来,再将这些字节组装成对象。必须注意地是,对象序列化保存的是对象的"状态",即它的成员变量。由此可知,对象序列化不会关注类中的静态变量。

除了在持久化对象时会用到对象序列化之外,当使用RMI(远程方法调用),或在网络中传递对象时,都会用到对象序列化。Java序列化API为处理对象序列化提供了一个标准机制,该API简单易用,在本文的后续章节中将会陆续讲到。

2. 简单示例

在Java中,只要一个类实现了java.io.Serializable接口,那么它就可以被序列化。此处将创建一个可序列化的类Person,本文中的所有示例将围绕着该类或其修改版。

Gender类,是一个枚举类型,表示性别

  1. public enum Gender {  
  2.     MALE, FEMALE  

如果熟悉Java枚举类型的话,应该知道每个枚举类型都会默认继承类java.lang.Enum,而该类实现了Serializable接口,所以枚举类型对象都是默认可以被序列化的。

Person类,实现了Serializable接口,它包含三个字段:name,String类型;age,Integer类型;gender,Gender类型。另外,还重写该类的toString()方法,以方便打印Person实例中的内容。

  1. public class Person implements Serializable {  
  2.  
  3.     private String name = null;  
  4.  
  5.     private Integer age = null;  
  6.  
  7.     private Gender gender = null;  
  8.  
  9.     public Person() {  
  10.         System.out.println("none-arg constructor");  
  11.     }  
  12.  
  13.     public Person(String name, Integer age, Gender gender) {  
  14.         System.out.println("arg constructor");  
  15.         this.name = name;  
  16.         this.age = age;  
  17.         this.gender = gender;  
  18.     }  
  19.  
  20.     public String getName() {  
  21.         return name;  
  22.     }  
  23.  
  24.     public void setName(String name) {  
  25.         this.name = name;  
  26.     }  
  27.  
  28.     public Integer getAge() {  
  29.         return age;  
  30.     }  
  31.  
  32.     public void setAge(Integer age) {  
  33.         this.age = age;  
  34.     }  
  35.  
  36.     public Gender getGender() {  
  37.         return gender;  
  38.     }  
  39.  
  40.     public void setGender(Gender gender) {  
  41.         this.gender = gender;  
  42.     }  
  43.  
  44.     @Override 
  45.     public String toString() {  
  46.         return "[" + name + ", " + age + ", " + gender + "]";  
  47.     }  

SimpleSerial,是一个简单的序列化程序,它先将一个Person对象保存到文件person.out中,然后再从该文件中读出被存储的Person对象,并打印该对象。

  1. public class SimpleSerial {  
  2.  
  3.     public static void main(String[] args) throws Exception {  
  4.         File file = new File("person.out");  
  5.  
  6.         ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));  
  7.         Person person = new Person("John"101, Gender.MALE);  
  8.         oout.writeObject(person);  
  9.         oout.close();  
  10.  
  11.         ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));  
  12.         Object newPerson = oin.readObject(); // 没有强制转换到Person类型  
  13.         oin.close();  
  14.         System.out.println(newPerson);  
  15.     }  

上述程序的输出的结果为:

  1. arg constructor  
  2. [John, 31, MALE] 

此时必须注意的是,当重新读取被保存的Person对象时,并没有调用Person的任何构造器,看起来就像是直接使用字节将Person对象还原出来的。

当Person对象被保存到person.out文件中之后,我们可以在其它地方去读取该文件以还原对象,但必须确保该读取程序的CLASSPATH中包含有Person.class(哪怕在读取Person对象时并没有显示地使用Person类,如上例所示),否则会抛出ClassNotFoundException。

3. Serializable的作用

为什么一个类实现了Serializable接口,它就可以被序列化呢?在上节的示例中,使用ObjectOutputStream来持久化对象,在该类中有如下代码:

  1. private void writeObject0(Object obj, boolean unshared) throws IOException {  
  2.       ...
  3.     if (obj instanceof String) {  
  4.         writeString((String) obj, unshared);  
  5.     } else if (cl.isArray()) {  
  6.         writeArray(obj, desc, unshared);  
  7.     } else if (obj instanceof Enum) {  
  8.         writeEnum((Enum) obj, desc, unshared);  
  9.     } else if (obj instanceof Serializable) {  
  10.         writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);  
  11.     } else {  
  12.         if (extendedDebugInfo) {  
  13.             throw new NotSerializableException(cl.getName() + "\n" 
  14.                     + debugInfoStack.toString());  
  15.         } else {  
  16.             throw new NotSerializableException(cl.getName());  
  17.         }  
  18.     }  
  19.     ...  

从上述代码可知,如果被写对象的类型是String,或数组,或Enum,或Serializable,那么就可以对该对象进行序列化,否则将抛出NotSerializableException。

4. 默认序列化机制

如果仅仅只是让某个类实现Serializable接口,而没有其它任何处理的话,则就是使用默认序列化机制。使用默认机制,在序列化对象时,不仅会序列化当前对象本身,还会对该对象引用的其它对象也进行序列化,同样地,这些其它对象引用的另外对象也将被序列化,以此类推。所以,如果一个对象包含的成员变量是容器类对象,而这些容器所含有的元素也是容器类对象,那么这个序列化的过程就会较复杂,开销也较大。

5. 影响序列化

在现实应用中,有些时候不能使用默认序列化机制。比如,希望在序列化过程中忽略掉敏感数据,或者简化序列化过程。下面将介绍若干影响序列化的方法。

5.1 transient关键字

当某个字段被声明为transient后,默认序列化机制就会忽略该字段。此处将Person类中的age字段声明为transient,如下所示,

  1. public class Person implements Serializable {  
  2.     ...  
  3.     transient private Integer age = null;  
  4.     ...  

再执行SimpleSerial应用程序,会有如下输出:

  1. arg constructor  
  2. [John, null, MALE] 

可见,age字段未被序列化。

5.2 writeObject()方法与readObject()方法

对于上述已被声明为transitive的字段age,除了将transitive关键字去掉之外,是否还有其它方法能使它再次可被序列化?方法之一就是在Person类中添加两个方法:writeObject()与readObject(),如下所示:

  1. public class Person implements Serializable {  
  2.     ...  
  3.     transient private Integer age = null;  
  4.     ...  
  5.  
  6.     private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {  
  7.         out.defaultWriteObject();  
  8.         out.writeInt(age);  
  9.     }  
  10.  
  11.     private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {  
  12.         in.defaultReadObject();  
  13.         age = in.readInt();  
  14.     }  

在writeObject()方法中会先调用ObjectOutputStream中的defaultWriteObject()方法,该方法会执行默认的序列化机制,如5.1节所述,此时会忽略掉age字段。然后再调用writeInt()方法显示地将age字段写入到ObjectOutputStream中。readObject()的作用则是针对对象的读取,其原理与writeObject()方法相同。再次执行SimpleSerial应用程序,则又会有如下输出:

  1. arg constructor  
  2. [John, 31, MALE] 

必须注意地是,writeObject()与readObject()都是private方法,那么它们是如何被调用的呢?毫无疑问,是使用反射。详情可以看看ObjectOutputStream中的writeSerialData方法,以及ObjectInputStream中的readSerialData方法。

5.3 Externalizable接口

无论是使用transient关键字,还是使用writeObject()和readObject()方法,其实都是基于Serializable接口的序列化。JDK中提供了另一个序列化接口--Externalizable,使用该接口之后,之前基于Serializable接口的序列化机制就将失效。此时将Person类作如下修改,

  1. public class Person implements Externalizable {  
  2.  
  3.     private String name = null;  
  4.  
  5.     transient private Integer age = null;  
  6.  
  7.     private Gender gender = null;  
  8.  
  9.     public Person() {  
  10.         System.out.println("none-arg constructor");  
  11.     }  
  12.  
  13.     public Person(String name, Integer age, Gender gender) {  
  14.         System.out.println("arg constructor");  
  15.         this.name = name;  
  16.         this.age = age;  
  17.         this.gender = gender;  
  18.     }  
  19.  
  20.     private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {  
  21.         out.defaultWriteObject();  
  22.         out.writeInt(age);  
  23.     }  
  24.  
  25.     private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {  
  26.         in.defaultReadObject();  
  27.         age = in.readInt();  
  28.     }  
  29.  
  30.     @Override 
  31.     public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {  
  32.  
  33.     }  
  34.  
  35.     @Override 
  36.     public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {  
  37.  
  38.     }  
  39.     ...  

此时再执行SimpleSerial程序之后会得到如下结果:

  1. arg constructor  
  2. none-arg constructor  
  3. [nullnullnull

从该结果,一方面,可以看出Person对象中任何一个字段都没有被序列化。另一方面,如果细心的话,还可以发现这此次序列化过程调用了Person类的无参构造器。

Externalizable继承于Serializable,当使用该接口时,序列化的细节需要由程序员去完成。如上所示的代码,由于writeExternal()与readExternal()方法未作任何处理,那么该序列化行为将不会保存/读取任何一个字段。这也就是为什么输出结果中所有字段的值均为空。

另外,使用Externalizable进行序列化时,当读取对象时,会调用被序列化类的无参构造器去创建一个新的对象,然后再将被保存对象的字段的值分别填充到新对象中。这就是为什么在此次序列化过程中Person类的无参构造器会被调用。由于这个原因,实现Externalizable接口的类必须要提供一个无参的构造器,且它的访问权限为public。

对上述Person类进行进一步的修改,使其能够对name与age字段进行序列化,但忽略掉gender字段,如下代码所示:

  1. public class Person implements Externalizable {  
  2.  
  3.     private String name = null;  
  4.  
  5.     transient private Integer age = null;  
  6.  
  7.     private Gender gender = null;  
  8.  
  9.     public Person() {  
  10.         System.out.println("none-arg constructor");  
  11.     }  
  12.  
  13.     public Person(String name, Integer age, Gender gender) {  
  14.         System.out.println("arg constructor");  
  15.         this.name = name;  
  16.         this.age = age;  
  17.         this.gender = gender;  
  18.     }  
  19.  
  20.     private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {  
  21.         out.defaultWriteObject();  
  22.         out.writeInt(age);  
  23.     }  
  24.  
  25.     private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {  
  26.         in.defaultReadObject();  
  27.         age = in.readInt();  
  28.     }  
  29.  
  30.     @Override 
  31.     public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {  
  32.         out.writeObject(name);  
  33.         out.writeInt(age);  
  34.     }  
  35.  
  36.     @Override 
  37.     public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {  
  38.         name = (String) in.readObject();  
  39.         age = in.readInt();  
  40.     }  
  41.     ...  

执行SimpleSerial之后会有如下结果:

  1. arg constructor  
  2. none-arg constructor  
  3. [John, 31null

5.4 readResolve()方法

当我们使用Singleton模式时,应该是期望某个类的实例应该是唯一的,但如果该类是可序列化的,那么情况可能略有不同。此时对第2节使用的Person类进行修改,使其实现Singleton模式,如下所示:

  1. public class Person implements Serializable {  
  2.  
  3.     private static class InstanceHolder {  
  4.         private static final Person instatnce = new Person("John"31, Gender.MALE);  
  5.     }  
  6.  
  7.     public static Person getInstance() {  
  8.         return InstanceHolder.instatnce;  
  9.     }  
  10.  
  11.     private String name = null;  
  12.  
  13.     private Integer age = null;  
  14.  
  15.     private Gender gender = null;  
  16.  
  17.     private Person() {  
  18.         System.out.println("none-arg constructor");  
  19.     }  
  20.  
  21.     private Person(String name, Integer age, Gender gender) {  
  22.         System.out.println("arg constructor");  
  23.         this.name = name;  
  24.         this.age = age;  
  25.         this.gender = gender;  
  26.     }  
  27.     ...  

同时要修改SimpleSerial应用,使得能够保存/获取上述单例对象,并进行对象相等性比较,如下代码所示:

  1. public class SimpleSerial {  
  2.  
  3.     public static void main(String[] args) throws Exception {  
  4.         File file = new File("person.out");  
  5.         ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));  
  6.         oout.writeObject(Person.getInstance()); // 保存单例对象  
  7.         oout.close();  
  8.  
  9.         ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));  
  10.         Object newPerson = oin.readObject();  
  11.         oin.close();  
  12.         System.out.println(newPerson);  
  13.  
  14.         System.out.println(Person.getInstance() == newPerson); // 将获取的对象与Person类中的单例对象进行相等性比较  
  15.     }  

执行上述应用程序后会得到如下结果:

  1. arg constructor  
  2. [John, 31, MALE]  
  3. false 

值得注意的是,从文件person.out中获取的Person对象与Person类中的单例对象并不相等。为了能在序列化过程仍能保持单例的特性,可以在Person类中添加一个readResolve()方法,在该方法中直接返回Person的单例对象,如下所示:

  1. public class Person implements Serializable {  
  2.  
  3.     private static class InstanceHolder {  
  4.         private static final Person instatnce = new Person("John"31, Gender.MALE);  
  5.     }  
  6.  
  7.     public static Person getInstance() {  
  8.         return InstanceHolder.instatnce;  
  9.     }  
  10.  
  11.     private String name = null;  
  12.  
  13.     private Integer age = null;  
  14.  
  15.     private Gender gender = null;  
  16.  
  17.     private Person() {  
  18.         System.out.println("none-arg constructor");  
  19.     }  
  20.  
  21.     private Person(String name, Integer age, Gender gender) {  
  22.         System.out.println("arg constructor");  
  23.         this.name = name;  
  24.         this.age = age;  
  25.         this.gender = gender;  
  26.     }  
  27.  
  28.     private Object readResolve() throws ObjectStreamException {  
  29.         return InstanceHolder.instatnce;  
  30.     }  
  31.     ...  

再次执行本节的SimpleSerial应用后将如下输出:

  1. arg constructor  
  2. [John, 31, MALE]  
  3. true 

无论是实现Serializable接口,或是Externalizable接口,当从I/O流中读取对象时,readResolve()方法都会被调用到。实际上就是用readResolve()中返回的对象直接替换在反序列化过程中创建的对象。

原文链接:http://www.blogjava.net/jiangshachina/archive/2012/02/13/369898.html

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