理解Java物件序列化

發表於2012-12-28

關於Java序列化的文章早已是汗牛充棟了，本文是對我個人過往學習，理解及應用Java序列化的一個總結。此文內容涉及Java序列化的基本原理，以及多種方法對序列化形式進行定製。在撰寫本文時，既參考了Thinking in Java, Effective Java，JavaWorld，developerWorks中的相關文章和其它網路資料，也加入了自己的實踐經驗與理解，文、碼並茂，希望對大家有所幫助。

1. 什麼是Java物件序列化

Java平臺允許我們在記憶體中建立可複用的Java物件，但一般情況下，只有當JVM處於執行時，這些物件才可能存在，即，這些物件的生命週期不會比JVM的生命週期更長。但在現實應用中，就可能要求在JVM停止執行之後能夠儲存(持久化)指定的物件，並在將來重新讀取被儲存的物件。Java物件序列化就能夠幫助我們實現該功能。

使用Java物件序列化，在儲存物件時，會把其狀態儲存為一組位元組，在未來，再將這些位元組組裝成物件。必須注意地是，物件序列化儲存的是物件的”狀態”，即它的成員變數。由此可知，物件序列化不會關注類中的靜態變數。

除了在持久化物件時會用到物件序列化之外，當使用RMI(遠端方法呼叫)，或在網路中傳遞物件時，都會用到物件序列化。Java序列化API為處理物件序列化提供了一個標準機制，該API簡單易用，在本文的後續章節中將會陸續講到。

2. 簡單示例

在Java中，只要一個類實現了java.io.Serializable介面，那麼它就可以被序列化。此處將建立一個可序列化的類Person，本文中的所有示例將圍繞著該類或其修改版。
Gender類，是一個列舉型別，表示性別

public enum Gender {
MALE, FEMALE
}

public enum Gender {

MALE, FEMALE

}

如果熟悉Java列舉型別的話，應該知道每個列舉型別都會預設繼承類java.lang.Enum，而該類實現了Serializable介面，所以列舉型別物件都是預設可以被序列化的。

Person類，實現了Serializable介面，它包含三個欄位：name，String型別；age，Integer型別；gender，Gender型別。另外，還重寫該類的toString()方法，以方便列印Person例項中的內容。

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 + "]";
	}
}

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式，它先將一個Person物件儲存到檔案person.out中，然後再從該檔案中讀出被儲存的Person物件，並列印該物件。

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(); // 沒有強制轉換到Person型別
		oin.close();
		System.out.println(newPerson);
	}
}

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(); // 沒有強制轉換到Person型別

oin.close();

System.out.println(newPerson);

}

上述程式的輸出的結果為：

arg constructor
[John, 31, MALE]

1 2	arg constructor [John, 31, MALE]

此時必須注意的是，當重新讀取被儲存的Person物件時，並沒有呼叫Person的任何構造器，看起來就像是直接使用位元組將Person物件還原出來的。

當Person物件被儲存到person.out檔案中之後，我們可以在其它地方去讀取該檔案以還原物件，但必須確保該讀取程式的CLASSPATH中包含有Person.class(哪怕在讀取Person物件時並沒有顯示地使用Person類，如上例所示)，否則會丟擲ClassNotFoundException。

3. Serializable的作用

為什麼一個類實現了Serializable介面，它就可以被序列化呢？在上節的示例中，使用ObjectOutputStream來持久化物件，在該類中有如下程式碼：

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());
		}
	}

}

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());

}

從上述程式碼可知，如果被寫物件的型別是String，或陣列，或Enum，或Serializable，那麼就可以對該物件進行序列化，否則將丟擲NotSerializableException。

4. 預設序列化機制

如果僅僅只是讓某個類實現Serializable介面，而沒有其它任何處理的話，則就是使用預設序列化機制。使用預設機制，在序列化物件時，不僅會序列化當前物件本身，還會對該物件引用的其它物件也進行序列化，同樣地，這些其它物件引用的另外物件也將被序列化，以此類推。所以，如果一個物件包含的成員變數是容器類物件，而這些容器所含有的元素也是容器類物件，那麼這個序列化的過程就會較複雜，開銷也較大。

5. 影響序列化

在現實應用中，有些時候不能使用預設序列化機制。比如，希望在序列化過程中忽略掉敏感資料，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關鍵字

當某個欄位被宣告為transient後，預設序列化機制就會忽略該欄位。此處將Person類中的age欄位宣告為transient，如下所示，

public class Person implements Serializable {
	transient private Integer age = null;
}

public class Person implements Serializable {

transient private Integer age = null;

}

再執行SimpleSerial應用程式，會有如下輸出：

arg constructor
[John, null, MALE]

1 2	arg constructor [John, null, MALE]

可見，age欄位未被序列化。

5.2 writeObject()方法與readObject()方法

對於上述已被宣告為transitive的欄位age，除了將transitive關鍵字去掉之外，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類中新增兩個方法：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();
	}
}

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()方法中會先呼叫ObjectOutputStream中的defaultWriteObject()方法，該方法會執行預設的序列化機制，如5.1節所述，此時會忽略掉age欄位。然後再呼叫writeInt()方法顯示地將age欄位寫入到ObjectOutputStream中。readObject()的作用則是針對物件的讀取，其原理與writeObject()方法相同。
再次執行SimpleSerial應用程式，則又會有如下輸出：

arg constructor
[John, 31, MALE]

1 2	arg constructor [John, 31, MALE]

必須注意地是，writeObject()與readObject()都是private方法，那麼它們是如何被呼叫的呢？毫無疑問，是使用反射。詳情可見ObjectOutputStream中的writeSerialData方法，以及ObjectInputStream中的readSerialData方法。

5.3 Externalizable介面

無論是使用transient關鍵字，還是使用writeObject()和readObject()方法，其實都是基於Serializable介面的序列化。JDK中提供了另一個序列化介面–Externalizable，使用該介面之後，之前基於Serializable介面的序列化機制就將失效。此時將Person類修改成如下，

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 {

	}

}

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 {

}

此時再執行SimpleSerial程式之後會得到如下結果：

arg constructor
none-arg constructor
[null, null, null]

arg constructor

none-arg constructor

[null, null, null]

從該結果，一方面可以看出Person物件中任何一個欄位都沒有被序列化。另一方面，如果細心的話，還可以發現這此次序列化過程呼叫了Person類的無參構造器。
Externalizable繼承於Serializable，當使用該介面時，序列化的細節需要由程式設計師去完成。如上所示的程式碼，由於writeExternal()與readExternal()方法未作任何處理，那麼該序列化行為將不會儲存/讀取任何一個欄位。這也就是為什麼輸出結果中所有欄位的值均為空。
另外，若使用Externalizable進行序列化，當讀取物件時，會呼叫被序列化類的無參構造器去建立一個新的物件，然後再將被儲存物件的欄位的值分別填充到新物件中。這就是為什麼在此次序列化過程中Person類的無參構造器會被呼叫。由於這個原因，實現Externalizable介面的類必須要提供一個無參的構造器，且它的訪問許可權為public。
對上述Person類作進一步的修改，使其能夠對name與age欄位進行序列化，但要忽略掉gender欄位，如下程式碼所示：

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();
	}
}

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();

}

執行SimpleSerial之後會有如下結果：

arg constructor
none-arg constructor
[John, 31, null]

arg constructor

none-arg constructor

[John, 31, null]

5.4 readResolve()方法

當我們使用Singleton模式時，應該是期望某個類的例項應該是唯一的，但如果該類是可序列化的，那麼情況可能會略有不同。此時對第2節使用的Person類進行修改，使其實現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;
	}
}

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應用，使得能夠儲存/獲取上述單例物件，並進行物件相等性比較，如下程式碼所示：

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()); // 儲存單例物件
		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); // 將獲取的物件與Person類中的單例物件進行相等性比較
	}
}

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()); // 儲存單例物件

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); // 將獲取的物件與Person類中的單例物件進行相等性比較

}

執行上述應用程式後會得到如下結果：

arg constructor
[John, 31, MALE]
false

arg constructor

[John, 31, MALE]

false

值得注意的是，從檔案person.out中獲取的Person物件與Person類中的單例物件並不相等。為了能在序列化過程仍能保持單例的特性，可以在Person類中新增一個readResolve()方法，在該方法中直接返回Person的單例物件，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;
	}

}

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;

}

再次執行本節的SimpleSerial應用後將有如下輸出：

arg constructor
[John, 31, MALE]
true

arg constructor

[John, 31, MALE]

true

無論是實現Serializable介面，或是Externalizable介面，當從I/O流中讀取物件時，readResolve()方法都會被呼叫到。實際上就是用readResolve()中返回的物件直接替換在反序列化過程中建立的物件，而被建立的物件則會被垃圾回收掉

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