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Java程序员必备:序列化全方位解析

前言

Java程序员必备:序列化全方位解析

相信大家日常开发中,经常看到Java对象“implements Serializable”。那么,它到底有什么用呢?本文从以下几个角度来解析序列这一块知识点~

  • 什么是Java序列化?
  • 为什么需要序列化?
  • 序列化用途
  • Java序列化常用API
  • 序列化的使用
  • 序列化底层
  • 日常开发序列化的注意点
  • 序列化常见面试题

一、什么是Java序列化?

  • 序列化:把Java对象转换为字节序列的过程
  • 反序列:把字节序列恢复为Java对象的过程
Java程序员必备:序列化全方位解析

二、为什么需要序列化?

Java对象是运行在JVM的堆内存中的,如果JVM停止后,它的生命也就戛然而止。

Java程序员必备:序列化全方位解析

如果想在JVM停止后,把这些对象保存到磁盘或者通过网络传输到另一远程机器,怎么办呢?磁盘这些硬件可不认识Java对象,它们只认识二进制这些机器语言,所以我们就要把这些对象转化为字节数组,这个过程就是序列化啦~

打个比喻,作为大城市漂泊的码农,搬家是常态。当我们搬书桌时,桌子太大了就通不过比较小的门,因此我们需要把它拆开再搬过去,这个拆桌子的过程就是序列化。而我们把书桌复原回来(安装)的过程就是反序列化啦。

三、序列化用途

序列化使得对象可以脱离程序运行而独立存在,它主要有两种用途:

Java程序员必备:序列化全方位解析

(1)序列化机制可以让对象地保存到硬盘上,减轻内存压力的同时,也起了持久化的作用;

比如 Web服务器中的Session对象,当有 10+万用户并发访问的,就有可能出现10万个Session对象,内存可能消化不良,于是Web容器就会把一些seesion先序列化到硬盘中,等要用了,再把保存在硬盘中的对象还原到内存中。

(2)序列化机制让Java对象在网络传输不再是天方夜谭。

我们在使用Dubbo远程调用服务框架时,需要把传输的Java对象实现Serializable接口,即让Java对象序列化,因为这样才能让对象在网络上传输。

四、Java序列化常用API

java.io.ObjectOutputStream 
 
java.io.ObjectInputStream 
 
java.io.Serializable 
 
java.io.Externalizable 

Serializable 接口

Serializable接口是一个标记接口,没有方法或字段。一旦实现了此接口,就标志该类的对象就是可序列化的。

public interface Serializable { 
 
} 

Externalizable 接口

Externalizable继承了Serializable接口,还定义了两个抽象方法:writeExternal()和readExternal(),如果开发人员使用Externalizable来实现序列化和反序列化,需要重写writeExternal()和readExternal()方法

 public interface Externalizable extends java.io.Serializable { 
    void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException; 
    void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException; 
 } 

java.io.ObjectOutputStream类

表示对象输出流,它的writeObject(Object obj)方法可以对指定obj对象参数进行序列化,再把得到的字节序列写到一个目标输出流中。

java.io.ObjectInputStream

表示对象输入流,它的readObject()方法,从输入流中读取到字节序列,反序列化成为一个对象,最后将其返回。

五、序列化的使用

序列化如何使用?来看一下,序列化的使用的几个关键点吧:

  • 声明一个实体类,实现Serializable接口
  • 使用ObjectOutputStream类的writeObject方法,实现序列化
  • 使用ObjectInputStream类的readObject方法,实现反序列化

声明一个Student类,实现Serializable

  public class Student implements Serializable { 
   
      private Integer age; 
      private String name; 
   
     public Integer getAge() { 
          return age; 
      } 
      public void setAge(Integer age) { 
         this.age = age; 
     } 
     public String getName() { 
         return name; 
     } 
     public void setName(String name) { 
         this.name = name; 
     } 
 } 

使用ObjectOutputStream类的writeObject方法,对Student对象实现序列化

把Student对象设置值后,写入一个文件,即序列化,哈哈

ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream( new FileOutputStream("D:text.out")); 
Student student = new Student(); 
student.setAge(25); 
student.setName("jayWei"); 
objectOutputStream.writeObject(student); 
 
objectOutputStream.flush(); 
objectOutputStream.close(); 

看看序列化的可爱模样吧,test.out文件内容如下(使用UltraEdit打开):

Java程序员必备:序列化全方位解析

使用ObjectInputStream类的readObject方法,实现反序列化,重新生成student对象

再把test.out文件读取出来,反序列化为Student对象

ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:text.out")); 
Student student = (Student) objectInputStream.readObject(); 
System.out.println("name="+student.getName()); 
Java程序员必备:序列化全方位解析

六、序列化底层

Serializable底层

Serializable接口,只是一个空的接口,没有方法或字段,为什么这么神奇,实现了它就可以让对象序列化了?

public interface Serializable { 
 
} 

为了验证Serializable的作用,把以上demo的Student对象,去掉实现Serializable接口,看序列化过程怎样吧。

Java程序员必备:序列化全方位解析

序列化过程中抛出异常啦,堆栈信息如下:

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Student 
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184) 
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348) 
    at com.example.demo.Test.main(Test.java:13) 

顺着堆栈信息看一下,原来有重大发现,如下:

Java程序员必备:序列化全方位解析

原来底层是这样:ObjectOutputStream 在序列化的时候,会判断被序列化的Object是哪一种类型,String?array?enum?还是 Serializable,如果都不是的话,抛出 NotSerializableException异常。所以呀,Serializable真的只是一个标志,一个序列化标志。

writeObject(Object)

序列化的方法就是writeObject,基于以上的demo,我们来分析一波它的核心方法调用链吧~(建议大家也去debug看一下这个方法,感兴趣的话)

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writeObject直接调用的就是writeObject0()方法,

public final void writeObject(Object obj) throws IOException { 
    ...... 
    writeObject0(obj, false); 
    ...... 
} 

writeObject0 主要实现是对象的不同类型,调用不同的方法写入序列化数据,这里面如果对象实现了Serializable接口,就调用writeOrdinaryObject()方法。

private void writeObject0(Object obj, boolean unshared) 
        throws IOException 
    { 
    ...... 
   //String类型 
    if (obj instanceof String) { 
        writeString((String) obj, unshared); 
   //数组类型 
    } else if (cl.isArray()) { 
        writeArray(obj, desc, unshared); 
   //枚举类型 
    } else if (obj instanceof Enum) { 
        writeEnum((Enum<?>) obj, desc, unshared); 
   //Serializable实现序列化接口 
    } else if (obj instanceof Serializable) { 
        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared); 
    } else{ 
        //其他情况会抛异常~ 
        if (extendedDebugInfo) { 
            throw new NotSerializableException( 
                cl.getName() + "n" + debugInfoStack.toString()); 
        } else { 
            throw new NotSerializableException(cl.getName()); 
        } 
    } 
    ...... 

writeOrdinaryObject()会先调用writeClassDesc(desc),写入该类的生成信息,然后调用writeSerialData方法,写入序列化数据。

private void writeSerialData(Object obj, ObjectStreamClass desc) 
        throws IOException 
    { 
        for (int i = 0; i < slots.length; i++) { 
            if (slotDesc.hasWriteObjectMethod()) { 
                   //如果被序列化的对象自定义实现了writeObject()方法,则执行这个代码块 
                    slotDesc.invokeWriteObject(obj, this); 
            } else { 
                // 调用默认的方法写入实例数据 
                defaultWriteFields(obj, slotDesc); 
            } 
        } 
    } 

writeSerialData()实现的就是写入被序列化对象的字段数据,它会调用defaultWriteFields方法。

private void writeSerialData(Object obj, ObjectStreamClass desc) 
        throws IOException 
    { 
        for (int i = 0; i < slots.length; i++) { 
            if (slotDesc.hasWriteObjectMethod()) { 
                   //如果被序列化的对象自定义实现了writeObject()方法,则执行这个代码块 
                    slotDesc.invokeWriteObject(obj, this); 
            } else { 
                // 调用默认的方法写入实例数据 
                defaultWriteFields(obj, slotDesc); 
             } 
        } 
    } 

defaultWriteFields()方法,获取类的基本数据类型数据,直接写入底层字节容器;获取类的obj类型数据,循环递归调用writeObject0()方法,写入数据。

  private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc) 
            throws IOException 
        {    
            // 获取类的基本数据类型数据,保存到primVals字节数组 
            desc.getPrimFieldValues(obj, primVals); 
            //primVals的基本类型数据写到底层字节容器 
            bout.write(primVals, 0, primDataSize, false); 
     
            // 获取对应类的所有字段对象 
            ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false); 
            Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()]; 
            int numPrimFields = fields.length - objVals.length; 
            // 获取类的obj类型数据,保存到objVals字节数组 
            desc.getObjFieldValues(obj, objVals); 
            //对所有Object类型的字段,循环 
            for (int i = 0; i < objVals.length; i++) { 
                ...... 
                  //递归调用writeObject0()方法,写入对应的数据 
                writeObject0(objVals[i], 
                                 fields[numPrimFields + i].isUnshared()); 
                ...... 
            } 
        } 

七、日常开发序列化的一些注意点

  • static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的
  • serialVersionUID问题
  • 如果某个序列化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化
  • 子类实现了序列化,父类没有实现序列化,父类中的字段会丢失~

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的,我们来看例子分析一波~ Student类加了一个类变量gender和一个transient修饰的字段specialty

public class Student implements Serializable { 
 
    private Integer age; 
    private String name; 
 
    public static String gender = "男"; 
    transient  String specialty = "计算机专业"; 
 
    public String getSpecialty() { 
        return specialty; 
    } 
 
    public void setSpecialty(String specialty) { 
        this.specialty = specialty; 
    } 
 
    @Override 
    public String toString() { 
        return "Student{" +"age=" + age + ", name='" + name + ''' + ", gender='" + gender + ''' + ", specialty='" + specialty + ''' + 
                '}'; 
    } 
    ...... 

打印学生对象,序列化到文件,接着修改静态变量的值,再反序列化,输出反序列化后的对象~

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运行结果:

序列化前Student{age=25, name='jayWei', gender='男', specialty='计算机专业'}  
序列化后Student{age=25, name='jayWei', gender='女', specialty='null'} 

对比结果可以发现:

(1)序列化前的静态变量性别明明是‘男’,序列化后再在程序中修改,反序列化后却变成‘女’了,what?显然这个静态属性并没有进行序列化。其实,静态(static)成员变量是属于类级别的,而序列化是针对对象的~所以不能序列化哦。

(2)经过序列化和反序列化过程后,specialty字段变量值由’计算机专业’变为空了,为什么呢?其实是因为transient关键字,它可以阻止修饰的字段被序列化到文件中,在被反序列化后,transient 字段的值被设为初始值,比如int型的值会被设置为 0,对象型初始值会被设置为null。

serialVersionUID问题

serialVersionUID 表面意思就是序列化版本号ID,其实每一个实现Serializable接口的类,都有一个表示序列化版本标识符的静态变量,或者默认等于1L,或者等于对象的哈希码。

private static final long serialVersionUID = -6384871967268653799L; 

serialVersionUID有什么用?

JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时,JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较,如果相同,反序列化成功,如果不相同,就抛出InvalidClassException异常。

接下来,我们来验证一下吧,修改一下Student类,再反序列化操作:

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  Exception in thread "main" java.io.InvalidClassException: com.example.demo.Student; 
  local class incompatible: stream classdesc serialVersionUID = 3096644667492403394, 
  local class serialVersionUID = 4429793331949928814 
      at java.io.ObjectStreamClass.initNonProxy(ObjectStreamClass.java:687) 
      at java.io.ObjectInputStream.readNonProxyDesc(ObjectInputStream.java:1876) 
      at java.io.ObjectInputStream.readClassDesc(ObjectInputStream.java:1745) 
      at java.io.ObjectInputStream.readOrdinaryObject(ObjectInputStream.java:2033) 
      at java.io.ObjectInputStream.readObject0(ObjectInputStream.java:1567) 
      at java.io.ObjectInputStream.readObject(ObjectInputStream.java:427) 
     at com.example.demo.Test.main(Test.java:20) 

从日志堆栈异常信息可以看到,文件流中的class和当前类路径中的class不同了,它们的serialVersionUID不相同,所以反序列化抛出InvalidClassException异常。那么,如果确实需要修改Student类,又想反序列化成功,怎么办呢?可以手动指定serialVersionUID的值,一般可以设置为1L,或者让我们的编辑器IDE生成。

private static final long serialVersionUID = -6564022808907262054L; 

实际上,阿里开发手册,强制要求序列化类新增属性时,不能修改serialVersionUID字段。

Java程序员必备:序列化全方位解析

如果某个序列化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化。

给Student类添加一个Teacher类型的成员变量,其中Teacher是没有实现序列化接口的。

 public class Student implements Serializable { 
   
      private Integer age; 
      private String name; 
      private Teacher teacher; 
      ... 
 } 
  //Teacher 没有实现 
  public class Teacher  { 
 ...... 
 } 

序列化运行,就报NotSerializableException异常啦。

  Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Teacher 
      at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184) 
      at java.io.ObjectOutputStream.defaultWriteFields(ObjectOutputStream.java:1548) 
      at java.io.ObjectOutputStream.writeSerialData(ObjectOutputStream.java:1509) 
      at java.io.ObjectOutputStream.writeOrdinaryObject(ObjectOutputStream.java:1432) 
      at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1178) 
      at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348) 
      at com.example.demo.Test.main(Test.java:16) 

其实这个可以在上小节的底层源码分析找到答案,一个对象序列化过程,会循环调用它的Object类型字段,递归调用序列化的,也就是说,序列化Student类的时候,会对Teacher类进行序列化,但是对Teacher没有实现序列化接口,因此抛出NotSerializableException异常。所以如果某个序列化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化。

Java程序员必备:序列化全方位解析

子类实现了Serializable,父类没有实现Serializable接口的话,父类不会被序列化。

子类Student实现了Serializable接口,父类User没有实现Serializable接口。

  //父类实现了Serializable接口 
  public class Student  extends User implements Serializable { 
   
      private Integer age; 
      private String name; 
  } 
  //父类没有实现Serializable接口 
  public class User { 
      String userId; 
 } 
  
 Student student = new Student(); 
 student.setAge(25); 
 student.setName("jayWei"); 
 student.setUserId("1"); 
  
 ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:text.out")); 
 objectOutputStream.writeObject(student); 
 
 objectOutputStream.flush(); 
 objectOutputStream.close(); 
  
 //反序列化结果 
 ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:text.out")); 
 Student student1 = (Student) objectInputStream.readObject(); 
 System.out.println(student1.getUserId()); 
 //output 
 /** 
  * null 
  */ 

从反序列化结果,可以发现,父类属性值丢失了。因此子类实现了Serializable接口,父类没有实现Serializable接口的话,父类不会被序列化。

八、序列化常见面试题

  • 序列化的底层是怎么实现的?
  • 序列化时,如何让某些成员不要序列化?
  • 在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别
  • serialVersionUID有什么用?
  • 是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程?
  • 在 Java 序列化期间,哪些变量未序列化?

1.序列化的底层是怎么实现的?

本文第六小节可以回答这个问题,如回答Serializable关键字作用,序列化标志啦,源码中,它的作用啦~还有,可以回答writeObject几个核心方法,如直接写入基本类型,获取obj类型数据,循环递归写入,哈哈~

2.序列化时,如何让某些成员不要序列化?

可以用transient关键字修饰,它可以阻止修饰的字段被序列化到文件中,在被反序列化后,transient 字段的值被设为初始值,比如int型的值会被设置为 0,对象型初始值会被设置为null。

3.在Java中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别

Externalizable继承了Serializable,给我们提供 writeExternal() 和 readExternal() 方法, 让我们可以控制 Java的序列化机制, 不依赖于Java的默认序列化。正确实现 Externalizable 接口可以显著提高应用程序的性能。

4.serialVersionUID有什么用?

可以看回本文第七小节哈,JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时,JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较,如果相同,反序列化成功,如果不相同,就抛出InvalidClassException异常。

5.是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程?

可以的。我们都知道,对于序列化一个对象需调用 ObjectOutputStream.writeObject(saveThisObject), 并用 ObjectInputStream.readObject() 读取对象, 但 Java 虚拟机为你提供的还有一件事, 是定义这两个方法。如果在类中定义这两种方法, 则 JVM 将调用这两种方法, 而不是应用默认序列化机制。同时,可以声明这些方法为私有方法,以避免被继承、重写或重载。

6.在Java序列化期间,哪些变量未序列化?

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的。静态(static)成员变量是属于类级别的,而序列化是针对对象的。transient关键字修饰字段,可以阻止该字段被序列化到文件中。

本文由 @飞哥 发布于 职涯宝 ,未经作者许可,禁止转载,欢迎您分享文章

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