java ArrayList的序列化分析

一、绪论

JAVA 序列化就是将 JAVA 对象以一种形式保持，比如存放到硬盘，或是用于传输。反序列化是序列化的一个逆过程。

JAVA 规定被序列化的对象必须实现 java.io.Serializable 这个接口，而我们分析的 ArrayList 同样实现了该接口。

通过对 ArrayList 源码的分析，可以知道 ArrayList 的数据存储依赖于 elementData 数组，它的声明为：
transient Object[] elementData;
注意 transient 修饰着 elementData 这个数组。

先看看 transient 关键字的作用

我们都知道一个对象只要实现了 Serializable 接口，这个对象就可以被序列化，java 的这种序列化模式为开发者提供了很多便利，我们可以不必关系具体序列化的过程，只要这个类实现了 Serializable 接口，这个类的所有属性都会自动序列化。

然而在实际开发过程中，我们常常会遇到这样的问题，类的有些属性需要序列化，有些属性不需要序列化，打个比方，例如用户的敏感信息（如密码，银行卡号等），不希望在网络（主要涉及到序列化操作，本地序列化缓存也适用）中被传输，这些信息对应的变量就可以加上 transient 关键字。

总之，java 的 transient 关键字为我们提供了便利，你只需要实现 Serializable 接口，将不需要序列化的属性前添加关键字 transient，对象序列化的时候，这个属性就不会序列化到指定的目的地中。

既然 elementData 被 transient 修饰，按理来说，它不能被序列化的，那么 ArrayList 又是如何解决序列化这个问题的呢？

二、序列化流程

类通过实现 java.io.Serializable 接口可以启用其序列化功能。要序列化一个对象，必须与一定的对象输出／输入流联系起来，通过对象输出流将对象状态保存下来，再通过对象输入流将对象状态恢复。

在序列化和反序列化过程中需要特殊处理的类，必须严格遵从下面的写法（私有，void返回值类型，函数名，参数）：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream out)

private void readObject(java.io.ObjectInputStream in)

对象序列化步骤

a) 写入

• 首先创建一个 OutputStream 输出流；
• 然后创建一个 ObjectOutputStream 输出流，并传入 OutputStream 输出流对象；
• 最后调用 ObjectOutputStream 对象的 writeObject() 方法将对象状态信息写入 OutputStream。

b) 读取

• 首先创建一个 InputStream 输入流；
• 然后创建一个 ObjectInputStream 输入流，并传入 InputStream 输入流对象；
• 最后调用 ObjectInputStream 对象的 readObject() 方法从 InputStream 中读取对象状态信息。

举例说明：

public class Box implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -3450064362986273896L;
    
    private int width;
    private int height;
    
    public static void main(String[] args) {
        Box myBox = new Box();
        myBox.setWidth(50);
        myBox.setHeight(30);
        try {
            FileOutputStream fs = new FileOutputStream("F:\\foo.ser");
            ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fs);
            os.writeObject(myBox);
            os.close();
            FileInputStream fi = new FileInputStream("F:\\foo.ser");
            ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(fi);
            Box box = (Box)oi.readObject();
            oi.close();
            System.out.println(box.height+","+box.width);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public int getWidth() {
        return width;
    }
    public void setWidth(int width) {
        this.width = width;
    }
    public int getHeight() {
        return height;
    }
    public void setHeight(int height) {
        this.height = height;
    }
}

三、ArrayList解决序列化

1、序列化

从上面序列化的工作流程可以看出，要想序列化对象，使用 ObjectOutputStream 对象输出流的 writeObject() 方法写入对象状态信息，即可使用 readObject() 方法读取信息。

那是不是可以在 ArrayList 中调用 ObjectOutputStream 对象的 writeObject() 方法将 elementData 的值写入输出流呢？

见源码：

    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();
        }
    }

虽然 elementData 被 transient 修饰，不能被序列化，但是我们可以将它的值取出来，然后将该值写入输出流。

2、反序列化

ArrayList 的反序列化处理原理同上，见源码：

    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();
            }
        }
    }

从上面源码又引出另外一个问题，这些方法都定义为 private 的，那什么时候能调用呢？

3、调用

如果一个类不仅实现了 Serializable 接口，而且定义了 readObject(ObjectInputStream in) 和 writeObject(ObjectOutputStream out) 方法，那么将按照如下的方式进行序列化和反序列化：
ObjectOutputStream 会调用这个类的 writeObject 方法进行序列化，ObjectInputStream 会调用相应的 readObject 方法进行反序列化。

事情到底是这样的吗？我们做个小实验，来验明正身。
实验1：

import java.io.*;

public class TestSerialization implements Serializable{
	private static final long serialVersionUID = 5732067711721143635L;
	private transient int num;

	public int getNum(){
		return num;
	}

	public void setNum(int num){
		this.num = num;
	}

	private void writeObject(ObjectOutputStream s){
		try {
			s.defaultWriteObject();
			s.writeObject(num);
			System.out.println("writeObject of "+this.getClass().getName());
		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}

	private void readObject(ObjectInputStream s){
		try {
			s.defaultReadObject();
			num = (Integer) s.readObject();
			System.out.println("readObject of "+this.getClass().getName());
		} catch (ClassNotFoundException | IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException{
		TestSerialization test = new TestSerialization();
		test.setNum(10);
		System.out.println("序列化之前的值："+test.getNum());
		// 写入
		ObjectOutputStream outputStream = new ObjectOutputStream(
				new FileOutputStream("D:\\test.tmp"));
		outputStream.writeObject(test);
		outputStream.close();
		
		// 读取
		ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(
				new FileInputStream("D:\\test.tmp"));
		TestSerialization aTest = (TestSerialization) inputStream.readObject();
		inputStream.close();
		
		System.out.println("读取序列化后的值："+aTest.getNum());
	}
}

输出：
序列化之前的值：10
writeObject of TestSerialization
readObject of TestSerialization
读取序列化后的值：10

实验结果证明，事实确实是如此：
ObjectOutputStream 会调用这个类的 writeObject 方法进行序列化，ObjectInputStream 会调用相应的readObject 方法进行反序列化。
那么 ObjectOutputStream 又是如何知道一个类是否实现了 writeObject 方法呢？又是如何自动调用该类的 writeObject 方法呢？
答案是：通过反射机制实现的。
部分解答：
ObjectOutputStream 的 writeObject 又做了哪些事情。它会根据传进来的 ArrayList 对象得到 Class，然后再包装成 ObjectStreamClass，在 writeSerialData 方法里，会调用 ObjectStreamClass 的 invokeWriteObject 方法，最重要的代码如下：

writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });

实例变量 writeObjectMethod 的赋值方式如下：

writeObjectMethod = getPrivateMethod(cl, "writeObject",
		new Class<?>[] { ObjectOutputStream.class },
		Void.TYPE);

    private static Method getPrivateMethod(Class<?> cl, String name,
                                           Class<?>[] argTypes,
                                           Class<?> returnType)
    {
        try {
            Method meth = cl.getDeclaredMethod(name, argTypes);
            // 通过反射访问对象的 private 方法
            meth.setAccessible(true);
            int mods = meth.getModifiers();
            return ((meth.getReturnType() == returnType) &&
                    ((mods & Modifier.STATIC) == 0) &&
                    ((mods & Modifier.PRIVATE) != 0)) ? meth : null;
        } catch (NoSuchMethodException ex) {
            return null;
        }
    }

在做实验时，我们发现一个问题，那就是为什么需要 s.defaultWriteObject(); 和 s.defaultReadObject(); 语句在 readObject(ObjectInputStream o) 和 writeObject(ObjectOutputStream o) 之前呢？
它们的作用如下：

1. It reads and writes all the non transient fields of the class
   respectively.
2. These methods also helps in backward and future compatibility. If in
   future you add some non-transient field to the class and you are
   trying to deserialize it by the older version of class then the
   defaultReadObject() method will neglect the newly added field,
   similarly if you deserialize the old serialized object by the new
   version then the new non transient field will take default value
   from JVM.

四、为什么使用 transient 修饰 elementData？

既然要将 ArrayList 的字段序列化（即将 elementData 序列化），那为什么又要用 transient 修饰 elementData 呢？

回想 ArrayList 的自动扩容机制，elementData 数组相当于容器，当容器不足时就会再扩充容量，但是容器的容量往往都是大于或者等于 ArrayList 所存元素的个数。

比如，现在实际有了 8 个元素，那么 elementData 数组的容量可能是 8x1.5=12，如果直接序列化 elementData 数组，那么就会浪费 4 个元素的空间，特别是当元素个数非常多时，这种浪费是非常不合算的。

所以 ArrayList 的设计者将 elementData 设计为 transient，然后在 writeObject 方法中手动将其序列化，只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组。

见源码：

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

从源码中，可以观察到循环时是使用 i 参考：
java.io.Serializable浅析
java serializable深入了解
ArrayList源码分析——如何实现Serializable
java序列化和反序列话总结