深入理解Java对象序列化

1. 什么是Java对象序列化

Java平台允许我们在内存中创建可复用的Java对象，但一般情况下，只有当JVM处于运行时，这些对象才可能存在，即，这些对象的生命周期不会比JVM的生命周期更长。但在现实应用中，就可能要求在JVM停止运行之后能够保存(持久化)指定的对象，并在将来重新读取被保存的对象。Java对象序列化就能够帮助我们实现该功能。

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。

除了在持久化对象时会用到对象序列化之外，当使用RMI(远程方法调用)，或在网络中传递对象时，都会用到对象序列化。Java序列化API为处理对象序列化提供了一个标准机制，该API简单易用，在本文的后续章节中将会陆续讲到。

2. 简单示例

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。此处将创建一个可序列化的类Person，本文中的所有示例将围绕着该类或其修改版。

Gender类，是一个枚举类型，表示性别

public enum Gender
 {     
  MALE, FEMALE 
   }

如果熟悉Java枚举类型的话，应该知道每个枚举类型都会默认继承类java.lang.Enum，而该类实现了Serializable接口，所以枚举类型对象都是默认可以被序列化的。

Person类，实现了Serializable接口，它包含三个字段：name，String类型；age，Integer类型；gender，Gender类型。另外，还重写该类的toString()方法，以方便打印Person实例中的内容。

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，是一个简单的序列化程序，它先将一个Person对象保存到文件person.out中，然后再从该文件中读出被存储的Person对象，并打印该对象。

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(); // 没有强制转换到Person类型      
                  oin.close();        
               System.out.println(newPerson);      
                     
                     } 
       }

上述程序的输出的结果为：

arg constructor 
 [John, 31, MALE]

此时必须注意的是，当重新读取被保存的Person对象时，并没有调用Person的任何构造器，看起来就像是直接使用字节将Person对象还原出来的。

当Person对象被保存到person.out文件中之后，我们可以在其它地方去读取该文件以还原对象，但必须确保该读取程序的CLASSPATH中包含有Person.class(哪怕在读取Person对象时并没有显示地使用Person类，如上例所示)，否则会抛出ClassNotFoundException。

3. Serializable的作用

为什么一个类实现了Serializable接口，它就可以被序列化呢？在上节的示例中，使用ObjectOutputStream来持久化对象，在该类中有如下代码：

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());   
                       }    
                  }    
      ...  }

从上述代码可知，如果被写对象的类型是String，或数组，或Enum，或Serializable，那么就可以对该对象进行序列化，否则将抛出NotSerializableException。

4. 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，则就是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。

5. 影响序列化

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。

5.1 transient关键字

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。此处将Person类中的age字段声明为transient，如下所示，

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

再执行SimpleSerial应用程序，会有如下输出：

arg constructor 
 [John, null, MALE]

可见，age字段未被序列化。

5.2 writeObject()方法与readObject()方法

对于上述已被声明为transient的字段age，除了将transient关键字去掉之外，是否还有其它方法能使它再次可被序列化？方法之一就是在Person类中添加两个方法：writeObject()与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5.1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。再次执行SimpleSerial应用程序，则又会有如下输出：

arg constructor
  [John, 31, MALE]

必须注意地是，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。详情可以看看ObjectOutputStream中的writeSerialData方法，以及ObjectInputStream中的readSerialData方法。

5.3 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，使用该接口之后，之前基于Serializable接口的序列化机制就将失效。此时将Person类作如下修改，

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 
         {      
         
          }    
          
            ... 
      }

此时再执行SimpleSerial程序之后会得到如下结果：

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

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类的无参构造器。

Externalizable继承于Serializable，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，使用Externalizable进行序列化时，当读取对象时，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。这就是为什么在此次序列化过程中Person类的无参构造器会被调用。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器，且它的访问权限为public。

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

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();      
                  }    
                  
                    ... 
                    
                    
           }

执行SimpleSerial之后会有如下结果：

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

5.4 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 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;     
           }     
         ... 
        }

同时要修改SimpleSerial应用，使得能够保存/获取上述单例对象，并进行对象相等性比较，如下代码所示：

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()); // 保存单例对象         
                          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); // 将获取的对象与Person类中的单例对象进行相等性比较     
             } 
   }

执行上述应用程序后会得到如下结果：

arg constructor 
 [John, 31, MALE]  
 false

值得注意的是，从文件person.out中获取的Person对象与Person类中的单例对象并不相等。为了能在序列化过程仍能保持单例的特性，可以在Person类中添加一个readResolve()方法，在该方法中直接返回Person的单例对象，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;   
           }     
        ...  
        
        }

再次执行本节的SimpleSerial应用后将如下输出：

arg constructor 
 [John, 31, MALE]  
 true

无论是实现Serializable接口，或是Externalizable接口，当从I/O流中读取对象时，readResolve()方法都会被调用到。实际上就是用readResolve()中返回的对象直接替换在反序列化过程中创建的对象。