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Singerw
2021-08-22

深入了解序列化

# 深入理解 Java 序列化

📦 本文以及示例源码已归档在 javacore(opens new window) (opens new window)

*关键词：Serializable、serialVersionUID、transient、Externalizable、writeObject、readObject*

# 1. Java 序列化简介

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  • 序列化（serialize） - 序列化是将对象转换为字节流。
  • 反序列化（deserialize） - 反序列化是将字节流转换为对象。
  • 序列化用途
    • 序列化可以将对象的字节序列持久化——保存在内存、文件、数据库中。
    • 在网络上传送对象的字节序列。
    • RMI(远程方法调用)

🔔 注意：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。

# 2. Java 序列化和反序列化

Java 通过对象输入输出流来实现序列化和反序列化：

  • java.io.ObjectOutputStream 类的 writeObject() 方法可以实现序列化；
  • java.io.ObjectInputStream 类的 readObject() 方法用于实现反序列化。

序列化和反序列化示例：

public class SerializeDemo01 {
    enum Sex {
        MALE,
        FEMALE
    }


    static class Person implements Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        private String name = null;
        private Integer age = null;
        private Sex sex;

        public Person() { }

        public Person(String name, Integer age, Sex sex) {
            this.name = name;
            this.age = age;
            this.sex = sex;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Person{" + "name='" + name + '\'' + ", age=" + age + ", sex=" + sex + '}';
        }
    }

    /**
     * 序列化
     */
    private static void serialize(String filename) throws IOException {
        File f = new File(filename); // 定义保存路径
        OutputStream out = new FileOutputStream(f); // 文件输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out); // 对象输出流
        oos.writeObject(new Person("Jack", 30, Sex.MALE)); // 保存对象
        oos.close();
        out.close();
    }

    /**
     * 反序列化
     */
    private static void deserialize(String filename) throws IOException, ClassNotFoundException {
        File f = new File(filename); // 定义保存路径
        InputStream in = new FileInputStream(f); // 文件输入流
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in); // 对象输入流
        Object obj = ois.readObject(); // 读取对象
        ois.close();
        in.close();
        System.out.println(obj);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        final String filename = "d:/text.dat";
        serialize(filename);
        deserialize(filename);
    }
}
// Output:
// Person{name='Jack', age=30, sex=MALE}
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# 3. Serializable 接口

被序列化的类必须属于 Enum、Array 和 Serializable 类型其中的任何一种，否则将抛出 NotSerializableException 异常。这是因为：在序列化操作过程中会对类型进行检查，如果不满足序列化类型要求，就会抛出异常。

【示例】NotSerializableException 错误

public class UnSerializeDemo {
    static class Person { // 其他内容略 }
    // 其他内容略
}
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输出：结果就是出现如下异常信息。

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException:
...
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# 3.1. serialVersionUID

请注意 serialVersionUID 字段，你可以在 Java 世界的无数类中看到这个字段。

serialVersionUID 有什么作用，如何使用 serialVersionUID？

serialVersionUID 是 Java 为每个序列化类产生的版本标识。它可以用来保证在反序列时，发送方发送的和接受方接收的是可兼容的对象。如果接收方接收的类的 serialVersionUID 与发送方发送的 serialVersionUID 不一致，会抛出 InvalidClassException。

如果可序列化类没有显式声明 serialVersionUID，则序列化运行时将基于该类的各个方面计算该类的默认 serialVersionUID 值。尽管这样，还是建议在每一个序列化的类中显式指定 serialVersionUID 的值。因为不同的 jdk 编译很可能会生成不同的 serialVersionUID 默认值，从而导致在反序列化时抛出 InvalidClassExceptions 异常。

serialVersionUID 字段必须是 static final long 类型。

我们来举个例子：

（1）有一个可序列化类 Person

public class Person implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    private Integer age;
    private String address;
    // 构造方法、get、set 方法略
}
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（2）开发过程中，对 Person 做了修改，增加了一个字段 email，如下：

public class Person implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    private Integer age;
    private String address;
    private String email;
    // 构造方法、get、set 方法略
}
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由于这个类和老版本不兼容，我们需要修改版本号：

private static final long serialVersionUID = 2L;
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再次进行反序列化，则会抛出 InvalidClassException 异常。

综上所述，我们大概可以清楚：serialVersionUID 用于控制序列化版本是否兼容。若我们认为修改的可序列化类是向后兼容的，则不修改 serialVersionUID。

# 3.2. 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，那么就会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，还会对其父类的字段以及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。

🔔 注意：这里的父类和引用对象既然要进行序列化，那么它们当然也要满足序列化要求：被序列化的类必须属于 Enum、Array 和 Serializable 类型其中的任何一种。

# 3.3. transient

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。

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的内容,该字段的内容在序列化后无法获得访问。

我们将 SerializeDemo01 示例中的内部类 Person 的 age 字段声明为 transient，如下所示：

public class SerializeDemo02 {
    static class Person implements Serializable {
        transient private Integer age = null;
        // 其他内容略
    }
    // 其他内容略
}
// Output:
// name: Jack, age: null, sex: MALE
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从输出结果可以看出，age 字段没有被序列化。

# 4. 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。

可序列化类实现 Externalizable 接口之后，基于 Serializable 接口的默认序列化机制就会失效。

我们来基于 SerializeDemo02 再次做一些改动，代码如下：

public class ExternalizeDemo01 {
    static class Person implements Externalizable {
        transient private Integer age = null;
        // 其他内容略

        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 { }
    }
     // 其他内容略
}
// Output:
// call Person()
// name: null, age: null, sex: null
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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 类的无参构造方法。

  • Externalizable 继承于 Serializable，它增添了两个方法：writeExternal() 与 readExternal()。这两个方法在序列化和反序列化过程中会被自动调用，以便执行一些特殊操作。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，若使用 Externalizable 进行序列化，当读取对象时，会调用被序列化类的无参构造方法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 类的无参构造方法会被调用。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方法，且它的访问权限为 public。

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

public class ExternalizeDemo02 {
    static class Person implements Externalizable {
        transient private Integer age = null;
        // 其他内容略

        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();
        }
    }
     // 其他内容略
}
// Output:
// call Person()
// name: Jack, age: 30, sex: null
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# 4.1. Externalizable 接口的替代方法

实现 Externalizable 接口可以控制序列化和反序列化的细节。它有一个替代方法：实现 Serializable 接口，并添加 writeObject(ObjectOutputStream out) 与 readObject(ObjectInputStream in) 方法。序列化和反序列化过程中会自动回调这两个方法。

示例如下所示：

public class SerializeDemo03 {
    static class Person implements Serializable {
        transient private Integer age = null;
        // 其他内容略

        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();
        }
        // 其他内容略
    }
    // 其他内容略
}
// Output:
// name: Jack, age: 30, sex: MALE
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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，如上节所述，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。

🔔 注意：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。详情可见 ObjectOutputStream 中的 writeSerialData 方法，以及 ObjectInputStream 中的 readSerialData 方法。

# 4.2. 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，那么情况可能会略有不同。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：

public class SerializeDemo04 {

    enum Sex {
        MALE, FEMALE
    }

    static class Person implements Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        private String name = null;
        transient private Integer age = null;
        private Sex sex;
        static final Person instatnce = new Person("Tom", 31, Sex.MALE);

        private Person() {
            System.out.println("call Person()");
        }

        private Person(String name, Integer age, Sex sex) {
            this.name = name;
            this.age = age;
            this.sex = sex;
        }

        public static Person getInstance() {
            return instatnce;
        }

        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();
        }

        public String toString() {
            return "name: " + this.name + ", age: " + this.age + ", sex: " + this.sex;
        }
    }

    /**
     * 序列化
     */
    private static void serialize(String filename) throws IOException {
        File f = new File(filename); // 定义保存路径
        OutputStream out = new FileOutputStream(f); // 文件输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out); // 对象输出流
        oos.writeObject(new Person("Jack", 30, Sex.MALE)); // 保存对象
        oos.close();
        out.close();
    }

    /**
     * 反序列化
     */
    private static void deserialize(String filename) throws IOException, ClassNotFoundException {
        File f = new File(filename); // 定义保存路径
        InputStream in = new FileInputStream(f); // 文件输入流
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in); // 对象输入流
        Object obj = ois.readObject(); // 读取对象
        ois.close();
        in.close();
        System.out.println(obj);
        System.out.println(obj == Person.getInstance());
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        final String filename = "d:/text.dat";
        serialize(filename);
        deserialize(filename);
    }
}
// Output:
// name: Jack, age: null, sex: MALE
// false
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值得注意的是，从文件中获取的 Person 对象与 Person 类中的单例对象并不相等。为了能在单例类中仍然保持序列的特性，可以使用 readResolve() 方法。在该方法中直接返回 Person 的单例对象。我们在 SerializeDemo04 示例的基础上添加一个 readResolve 方法， 如下所示：

public class SerializeDemo05 {
    // 其他内容略

    static class Person implements Serializable {

        // private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //     in.defaultReadObject();
        //     age = in.readInt();
        // }

        // 添加此方法
        private Object readResolve() {
            return instatnce;
        }
        // 其他内容略
    }

    // 其他内容略
}
// Output:
// name: Tom, age: 31, sex: MALE
// true
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# 5. Java 序列化问题

Java 的序列化能保证对象状态的持久保存，但是遇到一些对象结构复杂的情况还是难以处理，这里归纳一下：

  • 父类是 Serializable，所有子类都可以被序列化。
  • 子类是 Serializable ，父类不是，则子类可以正确序列化，但父类的属性不会被序列化（不报错，数据丢失）。
  • 如果序列化的属性是对象，则这个对象也必须是 Serializable ，否则报错。
  • 反序列化时，如果对象的属性有修改或删减，则修改的部分属性会丢失，但不会报错。
  • 反序列化时，如果 serialVersionUID 被修改，则反序列化会失败。

# 6. Java 序列化的缺陷

  • 无法跨语言：Java 序列化目前只适用基于 Java 语言实现的框架，其它语言大部分都没有使用 Java 的序列化框架，也没有实现 Java 序列化这套协议。因此，如果是两个基于不同语言编写的应用程序相互通信，则无法实现两个应用服务之间传输对象的序列化与反序列化。

  • 容易被攻击：对象是通过在 ObjectInputStream 上调用 readObject() 方法进行反序列化的，它可以将类路径上几乎所有实现了 Serializable 接口的对象都实例化。这意味着，在反序列化字节流的过程中，该方法可以执行任意类型的代码，这是非常危险的。对于需要长时间进行反序列化的对象，不需要执行任何代码，也可以发起一次攻击。攻击者可以创建循环对象链，然后将序列化后的对象传输到程序中反序列化，这种情况会导致 hashCode 方法被调用次数呈次方爆发式增长, 从而引发栈溢出异常。例如下面这个案例就可以很好地说明。

  • 序列化后的流太大：Java 序列化中使用了 ObjectOutputStream 来实现对象转二进制编码，编码后的数组很大，非常影响存储和传输效率。

  • 序列化性能太差：Java 的序列化耗时比较大。序列化的速度也是体现序列化性能的重要指标，如果序列化的速度慢，就会影响网络通信的效率，从而增加系统的响应时间。

  • 序列化编程限制

    ：

    • Java 官方的序列化一定需要实现 Serializable 接口。
    • Java 官方的序列化需要关注 serialVersionUID。

# 7. 序列化技术选型

通过上一章节——Java 序列化的缺陷，我们了解到，Java 序列化方式存在许多缺陷。因此，建议使用第三方序列化工具来替代。

当然我们还有更加优秀的一些序列化和反序列化的工具，根据不同的使用场景可以自行选择！

# 8. 参考资料

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#JavaCore
Java 设计模式
DBUtil 手写工具类

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