关于序列化 - Alias的博客

关于序列化

java序列化

发布于：2022年10月31日

关于序列化

什么是序列化和反序列化

序列化是将对象转换为可传输格式的过程，是一种数据持久化的手段。一般广泛用于网络传输、RMI、RPC等场景中。

反序列化是序列化的逆操作。

序列化是将对象的状态信息转换为可存储或传输的形式的过程。一般是以字节码或XML格式传输。而字节码或XML编码格式可以还原为完全相等的对象。这个相反的过程称为反序列化。

Java实现对象序列化和反序列化

在Java中，我们可以通过多种方式来创建对象，并且只要对象没有被回收我们都可以复用该对象。但是，我们创建出来的这些Java对象都是存在于JVM的堆内存中的。只有JVM处于运行状态的时候，这些对象才可能存在。一旦JVM停止运行，这些对象的状态也就随之而丢失了。

但是在真实的应用场景中，我们需要将这些对象持久化下来，并且能够在需要的时候把对象重新读取出来。Java的对象序列化可以帮助我们实现该功能。

对象序列化机制（object serialization）是Java语言内建的一种对象持久化方式，通过对象序列化，可以把对象的状态保存为字节数组，并且可以在有需要的时候将这个字节数组通过反序列化的方式再转换成对象。

Serializable接口

类通过实现 java.io.Serializable接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。可序列化类的所有子类型本身都是可序列化的。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识可序列化的语义。

下面是一个实现了序列化接口的类：

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public class User1 implements Serializable {

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

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

下面进行序列化和反序列化

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public class SerializableDemo1 {

    public static void main(String[] args) {
        //Initializes The Object
        User1 user = new User1();
        user.setName("Alias");
        user.setAge(21);
        System.out.println(user);

        //Write Obj to File
        ObjectOutputStream oos = null;
        try {
            oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
            oos.writeObject(user);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            IOUtils.closeQuietly(oos);
        }

        //Read Obj from File
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
            User1 newUser = (User1) ois.readObject();
            System.out.println(newUser);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            IOUtils.closeQuietly(ois);
            try {
                FileUtils.forceDelete(file);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

Externalizable接口

除了Serializable 之外，java中还提供了另一个序列化接口Externalizable

为了了解Externalizable接口和Serializable接口的区别，先来看代码，我们把上面的代码改成使用Externalizable的形式。

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public class User1 implements Externalizable {

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {

    }

    public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {

    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}
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public class ExternalizableDemo1 {

    //为了便于理解和节省篇幅，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //IOException直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        User1 user = new User1();
        user.setName("Alias");
        user.setAge(21);
        oos.writeObject(user);
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        User1 newInstance = (User1) ois.readObject();
        //output
        System.out.println(newInstance);
    }
}

通过上面的实例可以发现，对User1类进行序列化及反序列化之后得到的对象的所有属性的值都变成了默认值。也就是说，之前的那个对象的状态并没有被持久化下来。这就是Externalizable接口和Serializable接口的区别：

Externalizable继承了Serializable，该接口中定义了两个抽象方法：writeExternal()与readExternal()。当使用Externalizable接口来进行序列化与反序列化的时候需要开发人员重写writeExternal()与readExternal()方法。由于上面的代码中，并没有在这两个方法中定义序列化实现细节，所以输出的内容为空。还有一点值得注意：在使用Externalizable进行序列化的时候，在读取对象时，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。所以，实现Externalizable接口的类必须要提供一个public的无参的构造器。

以下为修改后的代码：

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public class User2 implements Externalizable {

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
        out.writeObject(name);
        out.writeInt(age);
    }

    public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {
        name = (String) in.readObject();
        age = in.readInt();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}
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public class ExternalizableDemo2 {

    //为了便于理解和节省篇幅，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //IOException直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        User2 user = new User2();
        user.setName("Alias");
        user.setAge(21);
        oos.writeObject(user);
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        User2 newInstance = (User2) ois.readObject();
        //output
        System.out.println(newInstance);
    }
}

serialVersionUID

我们都知道， Java对象是保存在JVM的堆内存中的， 也就是说， 如果JVM堆不存在了， 那么对象也就跟着消失了。

⽽序列化提供了⼀种⽅案， 可以让你在即使JVM停机的情况下也能把对象保存下来的⽅案。 就像我们平时⽤的U盘⼀样。 把Java对象序列化成可存储或传输的形式（ 如⼆进制流） ， ⽐如保存在⽂件中。 这样， 当再次需要这个对象的时候， 从⽂件中读取出⼆进制流， 再从⼆进制流中反序列化出对象。

但是， 虚拟机是否允许反序列化， 不仅取决于类路径和功能代码是否⼀致， ⼀个⾮常重要的⼀点是两个类的序列化 ID 是否⼀致， 即serialVersionUID要求⼀致。

在进⾏反序列化时， JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID与本地相应实体类的serialVersionUID进⾏⽐较， 如果相同就认为是⼀致的， 可以进⾏反序列化， 否则就会出现序列化版本不⼀致的异常， 即是InvalidCastException。

这样做是为了保证安全， 因为⽂件存储中的内容可能被篡改。

当实现java.io.Serializable接口的类没有显式地定义⼀个serialVersionUID变量时候， Java序列化机制会根据编译的Class⾃动⽣成⼀个serialVersionUID作序列化版本⽐较⽤， 这种情况下， 如果Class⽂件没有发⽣变化， 就算再编译多 次， serialVersionUID也不会变化的。

但是， 如果发⽣了变化，那么这个⽂件对应的serialVersionUID也就会发⽣变化。

基于以上原理， 如果我们⼀个类实现了Serializable接口， 但是没有定义serialVersionUID， 然后序列化。 在序列化之后， 由于某些原因， 我们对该类做了变更， 重新启动应⽤后， 我们相对之前序列化过的对象进⾏反序列化的话就会报错

如果serialVersionUID变了会怎样

下面我们举个例子

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public class SerializableDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        //Initializes The Object
        User1 user = new User1();
        user.setName("Alias");
        //Write Obj to File
        ObjectOutputStream oos = null;
        try {
            oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
            oos.writeObject(user);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            IOUtils.closeQuietly(oos);
        }
    }
}

class User1 implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 }

我们先执行以上代码，把一个User1对象写入到文件中。然后我们修改一下User1类，把serialVersionUID的值改为2L。

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class User1 implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 2L;
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

然后执行以下代码进行反序列化

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public class SerializableDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        //Read Obj from File
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
            User1 newUser = (User1) ois.readObject();
            System.out.println(newUser);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            IOUtils.closeQuietly(ois);
            try {
                FileUtils.forceDelete(file);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

可以发现，以上代码抛出了一个java.io.InvalidClassException，并且指出serialVersionUID不一致。

这也是《阿里巴巴Java开发手册》中规定，在兼容性升级中，在修改类的时候，不要修改serialVersionUID的原因。除非是完全不兼容的两个版本。所以，serialVersionUID其实是验证版本一致性的。

所以，一旦类实现了Serializable，就建议明确的定义一个serialVersionUID。不然在修改类的时候，就会发生异常。

序列化的底层原理

关于序列化和反序列化

1、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。

2、通过ObjectOutputStream和ObjectInputStream对对象进行序列化及反序列化

3、虚拟机是否允许反序列化，不仅取决于类路径和功能代码是否一致，一个非常重要的一点是两个类的序列化 ID 是否一致（就是 private static final long serialVersionUID）

4、序列化并不保存静态变量。

5、要想将父类对象也序列化，就需要让父类也实现Serializable 接口。

6、Transient 关键字的作用是控制变量的序列化，在变量声明前加上该关键字，可以阻止该变量被序列化到文件中，在被反序列化后，transient 变量的值被设为初始值，如 int 型的是 0，对象型的是 null。

7、服务器端给客户端发送序列化对象数据，对象中有一些数据是敏感的，比如密码字符串等，希望对该密码字段在序列化时，进行加密，而客户端如果拥有解密的密钥，只有在客户端进行反序列化时，才可以对密码进行读取，这样可以一定程度保证序列化对象的数据安全。

ArrayList的序列化

我们如何自定义序列化和反序列化策略？

我们先来看java.util.ArrayList的源码

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public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    private int size;
}

从上面的代码中可以知道ArrayList实现了java.io.Serializable接口，那么我们就可以对它进行序列化及反序列化。因为elementData是transient的，所以我们认为这个成员变量不会被序列化而保留下来。我们写一个Demo，验证一下我们的想法：

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public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        List<String> stringList = new ArrayList<String>();
        stringList.add("hello");
        stringList.add("world");
        stringList.add("Alias");
        stringList.add("lsh");
        System.out.println("init StringList" + stringList);
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("stringlist"));
        objectOutputStream.writeObject(stringList);

        IOUtils.close(objectOutputStream);
        File file = new File("stringlist");
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        List<String> newStringList = (List<String>)objectInputStream.readObject();
        IOUtils.close(objectInputStream);
        if(file.exists()){
            file.delete();
        }
        System.out.println("new StringList" + newStringList);
    }
//init StringList[hello, world, Alias, lsh]
//new StringList[hello, world, Alias, lsh]

了解ArrayList的人都知道，ArrayList底层是通过数组实现的。那么数组elementData其实就是用来保存列表中的元素的。通过该属性的声明方式我们知道，他是无法通过序列化持久化下来的。那么为什么code 4的结果却通过序列化和反序列化把List中的元素保留下来了呢？

writeObject和readObject方法

在序列化过程中，如果被序列化的类中定义了writeObject 和 readObject 方法，虚拟机会试图调用对象类里的 writeObject 和 readObject 方法，进行用户自定义的序列化和反序列化。

如果没有这样的方法，则默认调用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。

用户自定义的 writeObject 和 readObject 方法可以允许用户控制序列化的过程，比如可以在序列化的过程中动态改变序列化的数值。

以下为这两个方法的具体实现：

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private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // Read in capacity
        s.readInt(); // ignored

        if (size > 0) {
            // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
            ensureCapacityInternal(size);

            Object[] a = elementData;
            // Read in all elements in the proper order.
            for (int i=0; i<size; i++) {
                a[i] = s.readObject();
            }
        }
    }
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private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();

        // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }

        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

ArrayList实际上是动态数组，每次在放满以后自动增长设定的长度值，如果数组自动增长长度设为100，而实际只放了一个元素，那就会序列化99个null元素。为了保证在序列化的时候不会将这么多null同时进行序列化，ArrayList把元素数组设置为transient。

前面说过，为了防止一个包含大量空对象的数组被序列化，为了优化存储，所以，ArrayList使用transient来声明elementData。 但是，作为一个集合，在序列化过程中还必须保证其中的元素可以被持久化下来，所以，通过重写writeObject 和 readObject方法的方式把其中的元素保留下来。

writeObject方法把elementData数组中的元素遍历的保存到输出流（ObjectOutputStream）中。

readObject方法从输入流（ObjectInputStream）中读出对象并保存赋值到elementData数组中。

如果一个类中包含writeObject 和 readObject 方法，那么这两个方法是怎么被调用的呢?

通过上面的源码我们可以看出，对象的序列化过程通过ObjectOutputStream和ObjectInputputStream来实现的，那么带着刚刚的问题，我们来分析一下ArrayList中的writeObject 和 readObject 方法到底是如何被调用的呢？

这里给出ObjectOutputStream的writeObject的调用栈：

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writeObject ---> writeObject0 --->writeOrdinaryObject--->writeSerialData--->invokeWriteObject

这里是invokeWriteObject的源码：

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void invokeWriteObject(Object obj, ObjectOutputStream out)
        throws IOException, UnsupportedOperationException
    {
        if (writeObjectMethod != null) {
            try {
                writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });
            } catch (InvocationTargetException ex) {
                Throwable th = ex.getTargetException();
                if (th instanceof IOException) {
                    throw (IOException) th;
                } else {
                    throwMiscException(th);
                }
            } catch (IllegalAccessException ex) {
                // should not occur, as access checks have been suppressed
                throw new InternalError(ex);
            }
        } else {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }

其中writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });是关键，通过反射的方式调用writeObjectMethod方法。官方是这么解释这个writeObjectMethod的：

class-defined writeObject method, or null if none

在我们的例子中，这个方法就是我们在ArrayList中定义的writeObject方法。通过反射的方式被调用了。

至此，我们先试着来回答刚刚提出的问题：

如果一个类中包含writeObject 和 readObject 方法，那么这两个方法是怎么被调用的?

答：在使用ObjectOutputStream的writeObject方法和ObjectInputStream的readObject方法时，会通过反射的方式调用。

serializable是怎么保证只有实现了该接口的方法才能进行序列化与反序列化的呢？

writeObject0方法中有这么一段代码：

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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());
                }
            }

在进行序列化操作时，会判断要被序列化的类是否是Enum、Array和Serializable类型，如果不是则直接抛出NotSerializableException。

序列化对单例的破坏

破坏示例

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public class Singleton implements Serializable{
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
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public class SerializableDemo1 {
    //为了便于理解，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //Exception直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        oos.writeObject(Singleton.getSingleton());
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
        //判断是否是同一个对象
        System.out.println(newInstance == Singleton.getSingleton());
    }
}
//false

通过对Singleton的序列化与反序列化得到的对象是一个新的对象，这就破坏了Singleton的单例性。

ObjectInputStream

对象的序列化过程通过ObjectOutputStream和ObjectInputputStream来实现的，那么带着刚刚的问题，分析一下ObjectInputputStream 的readObject 方法执行情况到底是怎样的。

这里给出ObjectInputStream的readObject的调用栈：

下面为readOrdinaryObject方法源码：

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private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        //此处省略部分代码
		// 这里创建的这个obj对象，就是本方法要返回的对象，也可以暂时理解为是ObjectInputStream的readObject返回的对象。
        Object obj;
        try {
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        //此处省略部分代码

        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

        return obj;
    }

isInstantiable:如果一个serializable/externalizable的类可以在运行时被实例化，那么该方法就返回true。

desc.newInstance:该方法通过反射的方式调用无参构造方法新建一个对象。

所以，序列化破坏单例的原因是：序列化会通过反射调用无参数的构造方法创建一个新的对象。

如何防止？

只要在Singleton类中定义readResolve就可以解决该问题：

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public class Singleton implements Serializable{
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

    private Object readResolve() {
        return singleton;
    }
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public class SerializableDemo1 {
    //为了便于理解，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //Exception直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        oos.writeObject(Singleton.getSingleton());
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
        //判断是否是同一个对象
        System.out.println(newInstance == Singleton.getSingleton());
    }
}
//true

我们可以看readOrdinaryObject方法源码第二段：

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if (obj != null &&
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            desc.hasReadResolveMethod())
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

hasReadResolveMethod:如果实现了serializable 或者 externalizable接口的类中包含readResolve则返回true

invokeReadResolve:通过反射的方式调用要被反序列化的类的readResolve方法。

所以，原理也就清楚了，主要在Singleton中定义readResolve方法，并在该方法中指定要返回的对象的生成策略，就可以防止单例被破坏。

protobuf简介

Protocol Buffer (简称Protobuf) 是Google出品的性能优异、跨语言、跨平台的序列化库。

2001年初，Protobuf首先在Google内部创建， 我们把它称之为 proto1，一直以来在Google的内部使用，其中也不断的演化，根据使用者的需求也添加很多新的功能，一些内部库依赖它。几乎每个Google的开发者都会使用到它。

Google开始开源它的内部项目时，因为依赖的关系，他们决定首先把Protobuf开源出去。

目前Protobuf的稳定版本是3.9.2，于2019年9月23日发布。由于很多公司很早的就采用了Protobuf，很多项目还在使用proto2协议，目前是proto2和proto3同时在使用的状态。

博客内容遵循 署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际 (CC BY-NC-SA 4.0) 协议

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更新于：2022年10月31日

java

序列化

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