詳解Java編程中對象的序列化
1. 什么是Java對象序列化
Java平臺允許我們在內(nèi)存中創(chuàng)建可復(fù)用的Java對象，但一般情況下，只有當(dāng)JVM處于運行時，這些對象才可能存在，即，這些對象的生命周期不會比JVM的生命周期更長。但在現(xiàn)實應(yīng)用中，就可能要求在JVM停止運行之后能夠保存(持久化)指定的對象，并在將來重新讀取被保存的對象。Java對象序列化就能夠幫助我們實現(xiàn)該功能。
使用Java對象序列化，在保存對象時，會把其狀態(tài)保存為一組字節(jié)，在未來，再將這些字節(jié)組裝成對象。必須注意地是，對象序列化保存的是對象的"狀態(tài)"，即它的成員變量。由此可知，對象序列化不會關(guān)注類中的靜態(tài)變量。
除了在持久化對象時會用到對象序列化之外，當(dāng)使用RMI(遠(yuǎn)程方法調(diào)用)，或在網(wǎng)絡(luò)中傳遞對象時，都會用到對象序列化。Java序列化API為處理對象序列化提供了一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，該API簡單易用，在本文的后續(xù)章節(jié)中將會陸續(xù)講到。
2. 簡單示例
在Java中，只要一個類實現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么它就可以被序列化。此處將創(chuàng)建一個可序列化的類Person，本文中的所有示例將圍繞著該類或其修改版。
Gender類，是一個枚舉類型，表示性別
public enum Gender {
MALE, FEMALE
}
如果熟悉Java枚舉類型的話，應(yīng)該知道每個枚舉類型都會默認(rèn)繼承類java.lang.Enum，而該類實現(xiàn)了Serializable接口，所以枚舉類型對象都是默認(rèn)可以被序列化的。
Person類，實現(xiàn)了Serializable接口，它包含三個字段：name，String類型；age，Integer類型；gender，Gender類型。另外，還重寫該類的toString()方法，以方便打印Person實例中的內(nèi)容。
public class Person implements Serializable {
private String name = null;
private Integer age = null;
private Gender gender = null;
public Person() {
System.out.println("none-arg constructor");
}
public Person(String name, Integer age, Gender gender) {
System.out.println("arg constructor");
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Integer getAge() {
return age;
}
public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
}
public Gender getGender() {
return gender;
}
public void setGender(Gender gender) {
this.gender = gender;
}
@Override
public String toString() {
return "[" + name + ", " + age + ", " + gender + "]";
}
}
SimpleSerial，是一個簡單的序列化程序，它先將一個Person對象保存到文件person.out中，然后再從該文件中讀出被存儲的Person對象，并打印該對象。
public class SimpleSerial {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File("person.out");
ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
Person person = new Person("John", 101, Gender.MALE);
oout.writeObject(person);
oout.close();
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Object newPerson = oin.readObject(); // 沒有強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到Person類型
oin.close();
System.out.println(newPerson);
}
}
上述程序的輸出的結(jié)果為：
arg constructor [John, 31, MALE]
此時必須注意的是，當(dāng)重新讀取被保存的Person對象時，并沒有調(diào)用Person的任何構(gòu)造器，看起來就像是直接使用字節(jié)將Person對象還原出來的。
當(dāng)Person對象被保存到person.out文件中之后，我們可以在其它地方去讀取該文件以還原對象，但必須確保該讀取程序的CLASSPATH中包含有Person.class(哪怕在讀取Person對象時并沒有顯示地使用Person類，如上例所示)，否則會拋出ClassNotFoundException。
3. Serializable的作用
為什么一個類實現(xiàn)了Serializable接口，它就可以被序列化呢？在上節(jié)的示例中，使用ObjectOutputStream來持久化對象，在該類中有如下代碼：
private void writeObject0(Object obj, boolean unshared) throws IOException {
...
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());
}
}
...
}
從上述代碼可知，如果被寫對象的類型是String，或數(shù)組，或Enum，或Serializable，那么就可以對該對象進(jìn)行序列化，否則將拋出NotSerializableException。
4. 默認(rèn)序列化機(jī)制
如果僅僅只是讓某個類實現(xiàn)Serializable接口，而沒有其它任何處理的話，則就是使用默認(rèn)序列化機(jī)制。使用默認(rèn)機(jī)制，在序列化對象時，不僅會序列化當(dāng)前對象本身，還會對該對象引用的其它對象也進(jìn)行序列化，同樣地，這些其它對象引用的另外對象也將被序列化，以此類推。所以，如果一個對象包含的成員變量是容器類對象，而這些容器所含有的元素也是容器類對象，那么這個序列化的過程就會較復(fù)雜，開銷也較大。
5. 影響序列化
在現(xiàn)實應(yīng)用中，有些時候不能使用默認(rèn)序列化機(jī)制。比如，希望在序列化過程中忽略掉敏感數(shù)據(jù)，或者簡化序列化過程。下面將介紹若干影響序列化的方法。
5.1 transient關(guān)鍵字
當(dāng)某個字段被聲明為transient后，默認(rèn)序列化機(jī)制就會忽略該字段。此處將Person類中的age字段聲明為transient，如下所示，
public class Person implements Serializable {
...
transient private Integer age = null;
...
}
再執(zhí)行SimpleSerial應(yīng)用程序，會有如下輸出：
arg constructor [John, null, MALE]
可見，age字段未被序列化。
5.2 writeObject()方法與readObject()方法
對于上述已被聲明為transitive的字段age，除了將transitive關(guān)鍵字去掉之外，是否還有其它方法能使它再次可被序列化？方法之一就是在Person類中添加兩個方法：writeObject()與readObject()，如下所示：
public class Person implements Serializable {
...
transient private Integer age = null;
...
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
out.defaultWriteObject();
out.writeInt(age);
}
private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {
in.defaultReadObject();
age = in.readInt();
}
}
在writeObject()方法中會先調(diào)用ObjectOutputStream中的defaultWriteObject()方法，該方法會執(zhí)行默認(rèn)的序列化機(jī)制，如5.1節(jié)所述，此時會忽略掉age字段。然后再調(diào)用writeInt()方法顯示地將age字段寫入到ObjectOutputStream中。readObject()的作用則是針對對象的讀取，其原理與writeObject()方法相同。再次執(zhí)行SimpleSerial應(yīng)用程序，則又會有如下輸出：
arg constructor [John, 31, MALE]
必須注意地是，writeObject()與readObject()都是private方法，那么它們是如何被調(diào)用的呢？毫無疑問，是使用反射。詳情可以看看ObjectOutputStream中的writeSerialData方法，以及ObjectInputStream中的readSerialData方法。
5.3 Externalizable接口
無論是使用transient關(guān)鍵字，還是使用writeObject()和readObject()方法，其實都是基于Serializable接口的序列化。JDK中提供了另一個序列化接口--Externalizable，使用該接口之后，之前基于Serializable接口的序列化機(jī)制就將失效。此時將Person類作如下修改，
public class Person implements Externalizable {
private String name = null;
transient private Integer age = null;
private Gender gender = null;
public Person() {
System.out.println("none-arg constructor");
}
public Person(String name, Integer age, Gender gender) {
System.out.println("arg constructor");
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
out.defaultWriteObject();
out.writeInt(age);
}
private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {
in.defaultReadObject();
age = in.readInt();
}
@Override
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
}
@Override
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {
}
...
}
此時再執(zhí)行SimpleSerial程序之后會得到如下結(jié)果：
arg constructor none-arg constructor [null, null, null]
從該結(jié)果，一方面，可以看出Person對象中任何一個字段都沒有被序列化。另一方面，如果細(xì)心的話，還可以發(fā)現(xiàn)這此次序列化過程調(diào)用了Person類的無參構(gòu)造器。
Externalizable繼承于Serializable，當(dāng)使用該接口時，序列化的細(xì)節(jié)需要由程序員去完成。如上所示的代碼，由于writeExternal()與readExternal()方法未作任何處理，那么該序列化行為將不會保存/讀取任何一個字段。這也就是為什么輸出結(jié)果中所有字段的值均為空。
另外，使用Externalizable進(jìn)行序列化時，當(dāng)讀取對象時，會調(diào)用被序列化類的無參構(gòu)造器去創(chuàng)建一個新的對象，然后再將被保存對象的字段的值分別填充到新對象中。這就是為什么在此次序列化過程中Person類的無參構(gòu)造器會被調(diào)用。由于這個原因，實現(xiàn)Externalizable接口的類必須要提供一個無參的構(gòu)造器，且它的訪問權(quán)限為public。
對上述Person類進(jìn)行進(jìn)一步的修改，使其能夠?qū)ame與age字段進(jìn)行序列化，但忽略掉gender字段，如下代碼所示：
public class Person implements Externalizable {
private String name = null;
transient private Integer age = null;
private Gender gender = null;
public Person() {
System.out.println("none-arg constructor");
}
public Person(String name, Integer age, Gender gender) {
System.out.println("arg constructor");
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
out.defaultWriteObject();
out.writeInt(age);
}
private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {
in.defaultReadObject();
age = in.readInt();
}
@Override
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
out.writeObject(name);
out.writeInt(age);
}
@Override
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {
name = (String) in.readObject();
age = in.readInt();
}
...
}
執(zhí)行SimpleSerial之后會有如下結(jié)果：
arg constructor none-arg constructor [John, 31, null]
5.4 readResolve()方法
當(dāng)我們使用Singleton模式時，應(yīng)該是期望某個類的實例應(yīng)該是唯一的，但如果該類是可序列化的，那么情況可能略有不同。此時對第2節(jié)使用的Person類進(jìn)行修改，使其實現(xiàn)Singleton模式，如下所示：
public class Person implements Serializable {
private static class InstanceHolder {
private static final Person instatnce = new Person("John", 31, Gender.MALE);
}
public static Person getInstance() {
return InstanceHolder.instatnce;
}
private String name = null;
private Integer age = null;
private Gender gender = null;
private Person() {
System.out.println("none-arg constructor");
}
private Person(String name, Integer age, Gender gender) {
System.out.println("arg constructor");
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}
...
}
同時要修改SimpleSerial應(yīng)用，使得能夠保存/獲取上述單例對象，并進(jìn)行對象相等性比較，如下代碼所示：
public class SimpleSerial {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File("person.out");
ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oout.writeObject(Person.getInstance()); // 保存單例對象
oout.close();
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Object newPerson = oin.readObject();
oin.close();
System.out.println(newPerson);
System.out.println(Person.getInstance() == newPerson); // 將獲取的對象與Person類中的單例對象進(jìn)行相等性比較
}
}
執(zhí)行上述應(yīng)用程序后會得到如下結(jié)果：
arg constructor [John, 31, MALE] false
值得注意的是，從文件person.out中獲取的Person對象與Person類中的單例對象并不相等。為了能在序列化過程仍能保持單例的特性，可以在Person類中添加一個readResolve()方法，在該方法中直接返回Person的單例對象，如下所示：
public class Person implements Serializable {
private static class InstanceHolder {
private static final Person instatnce = new Person("John", 31, Gender.MALE);
}
public static Person getInstance() {
return InstanceHolder.instatnce;
}
private String name = null;
private Integer age = null;
private Gender gender = null;
private Person() {
System.out.println("none-arg constructor");
}
private Person(String name, Integer age, Gender gender) {
System.out.println("arg constructor");
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return InstanceHolder.instatnce;
}
...
}
再次執(zhí)行本節(jié)的SimpleSerial應(yīng)用后將如下輸出：
arg constructor [John, 31, MALE] true
無論是實現(xiàn)Serializable接口，或是Externalizable接口，當(dāng)從I/O流中讀取對象時，readResolve()方法都會被調(diào)用到。實際上就是用readResolve()中返回的對象直接替換在反序列化過程中創(chuàng)建的對象。
6.一些高級用法
該說的都在注釋中說完了。直接給程序吧。
package test.javaPuzzler.p5;
import java.io.*;
import java.io.ObjectInputStream.GetField;
import java.io.ObjectOutputStream.PutField;
// 一個類實現(xiàn)Serializable來表明自己可以被序列化；
// 有一點需要特別注意的是：
// 如果子類實現(xiàn)了Serializable，而父類沒有，則父類不會被序列化；
public class SerializableObject implements Serializable {
// 生成的序列化版本號會因為編譯環(huán)境，聲明的類名，成員名稱和數(shù)量的變化而不同；
// 也就是說這個版本號一定程度上記錄著類的定義性的信息，如果類的定義變化了，最好重新生成版本號；
// 如果新的代碼使用了舊的版本號，則在反序列化的時候，可以兼容讀取舊類的字節(jié)碼而不會報錯；
private static final long serialVersionUID = 9038542591452547920L;
public String name;
public String password;
// 如果你不希望某個非靜態(tài)成員被序列化，可以用transient來修飾它；
public transient int age;
// 靜態(tài)成員不會被序列化，因為序列化保存的是實例的狀態(tài)信息，而靜態(tài)成員是類的狀態(tài)信息；
public static int version = 1;
public SerializableObject(String name, String password) {
this.name = name;
this.password = password;
}
// 每個類可以寫一個writeObject方法，這個方法將會負(fù)責(zé)該類自身的序列化過程；
// 比如對于敏感信息如password，可以加密之后再序列化；
// 這個過程需要用到PutField，它可以指定哪些域會被序列化，怎么序列化(比如加密);
// 如果沒有定義這個方法，將會調(diào)用ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject；
// 你可以注釋掉readObject方法，然后運行測試用例來測試密碼是否被加密；
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
PutField putFields = out.putFields();
putFields.put("name", name);
// 模擬加密密碼
putFields.put("password", "thePassword:" + password);
out.writeFields();
}
// 每個類可以寫一個readObject方法，該方法負(fù)責(zé)該類自身的反序列化過程；
// 比如對序列化時加密后的密碼解密；
// 這個過程需要用到GetField，他可以具體地讀取每個域；或執(zhí)行解密動作等等；
// 如果沒有定義這個方法，將會調(diào)用ObjectInputStream 的 defaultReadObject；
private void readObject(ObjectInputStream in)
throws ClassNotFoundException, IOException {
GetField readFields = in.readFields();
// 讀取到成員的值之后，直接賦給該域，即完成該域的反序列化；
name = (String) readFields.get("name", "defaultName");
// 模擬解密密碼
String encPassword = (String) readFields.get("password",
"thePassword:defaultValue");
password = encPassword.split(":")[1];
}
// 序列化
// 主要用到ObjectOutputStream；
public void save() throws IOException {
FileOutputStream fout = new FileOutputStream("e:\\obj");
ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(fout);
oout.writeObject(this);
oout.close();
fout.close();
}
// 反序列化
// 主要用到ObjectInputStream
public static SerializableObject load() throws IOException,
ClassNotFoundException {
FileInputStream fin = new FileInputStream("e:\\obj");
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(fin);
Object o = oin.readObject();
return (SerializableObject) o;
}
@Override
public String toString() {
return "name: " + name + ", password: " + password;
}
// 測試用例
public static void main(String[] args) throws IOException,
ClassNotFoundException {
SerializableObject so = new SerializableObject(
"http://blog.csdn.net/sunxing007", "123456");
so.save();
System.out.println(so);
System.out.println(SerializableObject.load());
}
}
序列化會對單例模式不利, 因為可以通過反序列化而破壞單例. 這個時候就要請出readResolve這個方法了. 比如下面的程序:
public class Dog extends Exception {
//private static final long serialVersionUID = -7156412195888553079L;
public static final Dog INSTANCE = new Dog();
private Dog() { }
public String toString() {
return "Woof";
}
// 通過readResolve, 保證反序列化的時候能完全自主地處理返回對象.
private Object readResolve(){
return INSTANCE;
}
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException{
Dog d = Dog.INSTANCE;
ByteArrayOutputStream bro = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(bro);
oout.writeObject(d);
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bro.toByteArray()));
Dog d1 = (Dog)oin.readObject();
System.out.println(d1==d);
}
}
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