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你真的以為你了解Java的序列化了嗎？

上一篇文章《Java對象的序列化與反序列化》中，簡單介紹了Java中對象的序列化和反序列化的一些基礎知識?？次哪瞧恼潞螅行』锇榱粞哉f：我終于了解了Java的序列化了。我只想說：小伙子，你真的是圖樣圖森破啊 。

通過那篇文章，讀者可以學會如何對Java對象進行序列化和反序列化。但是，還有些原理性知識沒有深入講解。本文，在上一篇文章的基礎上，抽絲剝繭，深入底層原理，主要圍繞以下幾個問題展開：

  • 怎么實現(xiàn)Java的序列化？
  • 為什么實現(xiàn)了java.io.Serializable接口才能被序列化？
  • transient的作用是什么？
  • 如果在序列化中破壞transitent的限制？
  • 怎么自定義序列化策略？
  • 自定義的序列化策略是如何被調用的？
  • ArrayList對序列化的實現(xiàn)有哪些好處？

序列化基礎知識

關于序列化的用法及基礎知識，由于不是本文重點，這里不再詳細介紹了，詳情請參閱Java對象的序列化與反序列化。這里只做簡單回顧。

1、在Java中，只要一個類實現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么它就可以被序列化。

2、通過ObjectOutputStream和ObjectInputStream對對象進行序列化及反序列化。

3、虛擬機是否允許反序列化，不僅取決于類路徑和功能代碼是否一致，一個非常重要的一點是兩個類的序列化 ID 是否一致（就是 private static final long serialVersionUID）

4、序列化并不保存靜態(tài)變量。

5、要想將父類對象也序列化，就需要讓父類也實現(xiàn)Serializable 接口。

6、transient 關鍵字的作用是控制變量的序列化，在變量聲明前加上該關鍵字，可以阻止該變量被序列化到文件中，在被反序列化后，transient 變量的值被設為初始值，如 int 型的是 0，對象型的是 null。

7、服務器端給客戶端發(fā)送序列化對象數(shù)據(jù)，對象中有一些數(shù)據(jù)是敏感的，比如密碼字符串等，希望對該密碼字段在序列化時，進行加密，而客戶端如果擁有解密的密鑰，只有在客戶端進行反序列化時，才可以對密碼進行讀取，這樣可以一定程度保證序列化對象的數(shù)據(jù)安全。

ArrayList的序列化

為了深入的介紹序列化，我們這篇文章準備從Java源碼中的ArrayList類入手?？纯碕ava自身是如何使用序列化的。在介紹ArrayList序列化之前，先來考慮一個問題：

“問：如何自定義的序列化和反序列化策略？”

帶著這個問題，我們來看java.util.ArrayList的源碼

code 1

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public class ArrayList extends AbstractList 
    2. 
  
  
  
  
  2.        implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4.    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L; 
    5. 
  
  
  
  
  5.    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access 
    6. 
  
  
  
  
  6.    private int size; 
    7. 
  
  
  
  
  7. } 
    8.

筆者省略了其他成員變量，從上面的代碼中可以知道ArrayList實現(xiàn)了java.io.Serializable接口，那么我們就可以對它進行序列化及反序列化。因為負責保存元素的elementData是transient的，所以我們認為這個成員變量的內容不會被序列化而保留下來。我們寫一個Demo，驗證一下我們的想法：

code 2

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException { 
    2. 
  
  
  
  
  2.        List stringList = new ArrayList(); 
    3. 
  
  
  
  
  3.        stringList.add("hello"); 
    4. 
  
  
  
  
  4.        stringList.add("world"); 
    5. 
  
  
  
  
  5.        stringList.add("hollis"); 
    6. 
  
  
  
  
  6.        stringList.add("chuang"); 
    7. 
  
  
  
  
  7.        System.out.println("init StringList" + stringList); 
    8. 
  
  
  
  
  8.        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("stringlist")); 
    9. 
  
  
  
  
  9.        objectOutputStream.writeObject(stringList); 
    10. 
  
  
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  
  
  11.        IOUtils.close(objectOutputStream); 
    12. 
  
  
  
  
  12.        File file = new File("stringlist"); 
    13. 
  
  
  
  
  13.        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file)); 
    14. 
  
  
  
  
  14.        List newStringList = (List)objectInputStream.readObject(); 
    15. 
  
  
  
  
  15.        IOUtils.close(objectInputStream); 
    16. 
  
  
  
  
  16.        if(file.exists()){ 
    17. 
  
  
  
  
  17.            file.delete(); 
    18. 
  
  
  
  
  18.        } 
    19. 
  
  
  
  
  19.        System.out.println("new StringList" + newStringList); 
    20. 
  
  
  
  
  20.    } 
    21. 
  
  
  
  
  21. //init StringList[hello, world, hollis, chuang] 
    22. 
  
  
  
  
  22. //new StringList[hello, world, hollis, chuang] 
    23.

了解ArrayList的人都知道，ArrayList底層是通過數(shù)組實現(xiàn)的。那么數(shù)組elementData其實就是用來保存列表中的元素的。通過該屬性的聲明方式，我們認為，他應該是無法通過序列化持久化下來的。

“問：為什么code 2的結果卻通過序列化和反序列化把List中的元素保留下來了呢？”

writeObject和readObject方法

在ArrayList中定義了來個方法： writeObject和readObject。

這里先給出結論:

  • 在序列化過程中，如果被序列化的類中定義了writeObject 和 readObject 方法，虛擬機會試圖調用對象類里的 writeObject 和 readObject 方法，進行用戶自定義的序列化和反序列化。
  • 如果沒有這樣的方法，則默認調用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。

也就述說，用戶自定義的 writeObject 和 readObject 方法可以允許用戶控制序列化的過程，比如可以在序列化的過程中動態(tài)改變序列化的數(shù)值。我們發(fā)現(xiàn)ArrayList中有這兩個方法的實現(xiàn)，那么基本可以確定，elementData能被序列化持久下來，肯定和這兩個方法有關，雖然他被聲明為transitent，那么我們來看一下ArrayList類中這兩個方法的具體實現(xiàn)：

code 3

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) 
    2. 
  
  
  
  
  2.        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { 
    3. 
  
  
  
  
  3.        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; 
    4. 
  
  
  
  
  4.        // Read in size, and any hidden stuff 
    5. 
  
  
  
  
  5.        s.defaultReadObject(); 
    6. 
  
  
  
  
  6.        // Read in capacity 
    7. 
  
  
  
  
  7.        s.readInt(); // ignored 
    8. 
  
  
  
  
  8.        if (size > 0) { 
    9. 
  
  
  
  
  9.            // be like clone(), allocate array based upon size not capacity 
    10. 
  
  
  
  
  10.            ensureCapacityInternal(size); 
    11. 
  
  
  
  
  11.            Object[] a = elementData; 
    12. 
  
  
  
  
  12.            // Read in all elements in the proper order. 
    13. 
  
  
  
  
  13.            for (int i=0; i
  
  
  
  
  14.                a[i] = s.readObject(); 
    15. 
  
  
  
  
  15.            } 
    16. 
  
  
  
  
  16.        } 
    17. 
  
  
  
  
  17.    } 
    18.

code 4

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) 
    2. 
  
  
  
  
  2.        throws java.io.IOException{ 
    3. 
  
  
  
  
  3.        // Write out element count, and any hidden stuff 
    4. 
  
  
  
  
  4.        int expectedModCount = modCount; 
    5. 
  
  
  
  
  5.        s.defaultWriteObject(); 
    6. 
  
  
  
  
  6.        // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone() 
    7. 
  
  
  
  
  7.        s.writeInt(size); 
    8. 
  
  
  
  
  8.        // Write out all elements in the proper order. 
    9. 
  
  
  
  
  9.        for (int i=0; i
  
  
  
  
  10.            s.writeObject(elementData[i]); 
    11. 
  
  
  
  
  11.        } 
    12. 
  
  
  
  
  12.        if (modCount != expectedModCount) { 
    13. 
  
  
  
  
  13.            throw new ConcurrentModificationException(); 
    14. 
  
  
  
  
  14.        } 
    15. 
  
  
  
  
  15.    } 
    16.

通過上面兩段代碼，我們發(fā)現(xiàn)，raedObject方法和writeObjec方法中定義了關于elementData的序列化策略?，F(xiàn)在，我們可以回答剛剛的問題了。

“問：為什么code 2的結果卻通過序列化和反序列化把List中的元素保留下來了呢？

答：ArrayList中定義了raedObject和writeObject方法，這兩個方法中定義了elementData的序列化及反序列化策略?！?/p>

那么，問題又來了。

“問：為什么ArrayList要用這種方式來實現(xiàn)序列化呢？”

why transient

ArrayList實際上是動態(tài)數(shù)組，每次在放滿以后自動增長設定的長度值，如果數(shù)組自動增長長度設為100，而實際只放了一個元素，那就會序列化99個null元素。為了保證在序列化的時候不會將這么多null同時進行序列化，ArrayList把元素數(shù)組設置為transient。

why writeObject and readObject

前面說過，為了防止一個包含大量空對象的數(shù)組被序列化，為了優(yōu)化存儲，所以，ArrayList使用transient來聲明elementData。 但是，作為一個集合，在序列化過程中還必須保證其中的元素可以被持久化下來，所以，通過重寫writeObject 和 readObject方法的方式把其中的元素保留下來。

writeObject方法把elementData數(shù)組中的元素遍歷的保存到輸出流（ObjectOutputStream）中。

readObject方法從輸入流（ObjectInputStream）中讀出對象并保存賦值到elementData數(shù)組中。

至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：

“問：為什么ArrayList要用這種方式來實現(xiàn)序列化呢？

答：避免elementData數(shù)組中過多的無用的null被序列化。

問：如何自定義的序列化和反序列化策略？

答：可以通過在被序列化的類中增加writeObject 和 readObject方法。”

那么問題又來了，雖然ArrayList中寫了writeObject 和 readObject 方法，但是這兩個方法并沒有顯示的被調用啊。

“問：如果一個類中包含writeObject 和 readObject 方法，那么這兩個方法是怎么被調用的呢?”

ObjectOutputStream

從code 4中，我們可以看出，對象的序列化過程通過ObjectOutputStream和ObjectInputputStream來實現(xiàn)的，那么帶著剛剛的問題，我們來分析一下ArrayList中的writeObject 和 readObject 方法到底是如何被調用的呢？

為了節(jié)省篇幅，這里給出ObjectOutputStream的writeObject的調用棧：

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

這里看一下invokeWriteObject：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. void invokeWriteObject(Object obj, ObjectOutputStream out) 
    2. 
  
  
  
  
  2.        throws IOException, UnsupportedOperationException 
    3. 
  
  
  
  
  3.    { 
    4. 
  
  
  
  
  4.        if (writeObjectMethod != null) { 
    5. 
  
  
  
  
  5.            try { 
    6. 
  
  
  
  
  6.                writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out }); 
    7. 
  
  
  
  
  7.            } catch (InvocationTargetException ex) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.                Throwable th = ex.getTargetException(); 
    9. 
  
  
  
  
  9.                if (th instanceof IOException) { 
    10. 
  
  
  
  
  10.                    throw (IOException) th; 
    11. 
  
  
  
  
  11.                } else { 
    12. 
  
  
  
  
  12.                    throwMiscException(th); 
    13. 
  
  
  
  
  13.                } 
    14. 
  
  
  
  
  14.            } catch (IllegalAccessException ex) { 
    15. 
  
  
  
  
  15.                // should not occur, as access checks have been suppressed 
    16. 
  
  
  
  
  16.                throw new InternalError(ex); 
    17. 
  
  
  
  
  17.            } 
    18. 
  
  
  
  
  18.        } else { 
    19. 
  
  
  
  
  19.            throw new UnsupportedOperationException(); 
    20. 
  
  
  
  
  20.        } 
    21. 
  
  
  
  
  21.    } 
    22.

其中writeObjectMethod.invoke();是關鍵，通過反射的方式調用writeObjectMethod方法。官方是這么解釋這個writeObjectMethod的：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. class-defined writeObject method, or null if none 
    2.

在我們的例子中，這個方法就是我們在ArrayList中定義的writeObject方法。通過反射的方式被調用了。

至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：

“問：如果一個類中包含writeObject 和 readObject 方法，那么這兩個方法是怎么被調用的?

答：在使用ObjectOutputStream的writeObject方法和ObjectInputStream的readObject方法時，會通過反射的方式調用?！?/p>

至此，我們已經介紹完了ArrayList的序列化方式。那么，不知道有沒有人提出這樣的疑問：

“問：Serializable明明就是一個空的接口，它是怎么保證只有實現(xiàn)了該接口的方法才能進行序列化與反序列化的呢？”

Serializable接口的定義：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public interface Serializable { 
    2. 
  
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  
  3. } 
    4.

如果嘗試對一個未實現(xiàn)Serializable接口的類進行序列化，會拋出java.io.NotSerializableException。這是為什么呢？Serializable只是一個空接口，如何實現(xiàn)的呢？

其實這個問題也很好回答，我們再回到剛剛ObjectOutputStream的writeObject的調用棧：

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

writeObject0方法中有這么一段代碼：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. if (obj instanceof String) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.        writeString((String) obj, unshared); 
    3. 
  
  
  
  
  3.    } else if (cl.isArray()) { 
    4. 
  
  
  
  
  4.        writeArray(obj, desc, unshared); 
    5. 
  
  
  
  
  5.    } else if (obj instanceof Enum) { 
    6. 
  
  
  
  
  6.        writeEnum((Enum) obj, desc, unshared); 
    7. 
  
  
  
  
  7.    } else if (obj instanceof Serializable) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared); 
    9. 
  
  
  
  
  9.    } else { 
    10. 
  
  
  
  
  10.        if (extendedDebugInfo) { 
    11. 
  
  
  
  
  11.            throw new NotSerializableException( 
    12. 
  
  
  
  
  12.                cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString()); 
    13. 
  
  
  
  
  13.        } else { 
    14. 
  
  
  
  
  14.            throw new NotSerializableException(cl.getName()); 
    15. 
  
  
  
  
  15.        } 
    16. 
  
  
  
  
  16.    } 
    17.

在進行序列化操作時，會判斷要被序列化的類是否是Enum、Array和Serializable類型，如果不是則直接拋出NotSerializableException。

“問：Serializable明明就是一個空的接口，它是怎么保證只有實現(xiàn)了該接口的方法才能進行序列化與反序列化的呢？

答：在類的序列化過程中，會使用instanceof關鍵字判斷一個類是否繼承了Serializable類，如果沒有，則直接拋出NotSerializableException異常?！?/p>

總結

1、如果一個類想被序列化，需要實現(xiàn)Serializable接口。否則將拋出NotSerializableException異常，這是因為，在序列化操作過程中會對類型進行檢查，要求被序列化的類必須屬于Enum、Array和Serializable類型其中的任何一種。

2、在變量聲明前加上該關鍵字，可以阻止該變量被序列化到文件中。

3、在類中增加writeObject 和 readObject 方法可以實現(xiàn)自定義序列化策略。

【本文是專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】


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