理解Java对象序列化

关于Java序列化的文章早已是汗牛充栋了，本文是对我个人过往学习，理解及应用Java序列化的一个总结。此文内容涉及Java序列化的基本原理，以及多种方法对序列化形式进行定制。在撰写本文时，既参考了Thinking in Java, Effective Java，JavaWorld，developerWorks中的相关文章和其它网络资料，也加入了自己的实践经验与理解，文、码并茂，希望对大家有所帮助。(2012.02.14最后更新)

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transitive的字段age，除了将transitive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。详情可见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类修改成如下，

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，若使用Externalizable进行序列化，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类作进一步的修改，使其能够对name与age字段进行序列化，但要忽略掉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，那么情况可能会略有不同。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应用后将有如下输出：

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，而被创建的对象则会被垃圾回收掉。