详解Java编程中对象的序列化

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。

6.一些高级用法
该说的都在注释中说完了。直接给程序吧。

package test.javaPuzzler.p5;

import java.io.*;
import java.io.ObjectInputStream.GetField;
import java.io.ObjectOutputStream.PutField;

// 一个类实现Serializable来表明自己可以被序列化；
// 有一点需要特别注意的是：
// 如果子类实现了Serializable，而父类没有，则父类不会被序列化；
public class SerializableObject implements Serializable {

 // 生成的序列化版本号会因为编译环境，声明的类名，成员名称和数量的变化而不同；
 // 也就是说这个版本号一定程度上记录着类的定义性的信息，如果类的定义变化了，最好重新生成版本号；
 // 如果新的代码使用了旧的版本号，则在反序列化的时候，可以兼容读取旧类的字节码而不会报错；
 private static final long serialVersionUID = 9038542591452547920L;

 public String name;
 public String password;
 // 如果你不希望某个非静态成员被序列化，可以用transient来修饰它；
 public transient int age;
 // 静态成员不会被序列化，因为序列化保存的是实例的状态信息，而静态成员是类的状态信息；
 public static int version = 1;

 public SerializableObject(String name, String password) {
 this.name = name;
 this.password = password;
 }

 // 每个类可以写一个writeObject方法，这个方法将会负责该类自身的序列化过程；
 // 比如对于敏感信息如password，可以加密之后再序列化；
 // 这个过程需要用到PutField，它可以指定哪些域会被序列化，怎么序列化(比如加密);
 // 如果没有定义这个方法，将会调用ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject；

 // 你可以注释掉readObject方法，然后运行测试用例来测试密码是否被加密；
 private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
 PutField putFields = out.putFields();
 putFields.put("name", name);
 // 模拟加密密码
 putFields.put("password", "thePassword:" + password);
 out.writeFields();
 }

 // 每个类可以写一个readObject方法，该方法负责该类自身的反序列化过程；
 // 比如对序列化时加密后的密码解密；
 // 这个过程需要用到GetField，他可以具体地读取每个域；或执行解密动作等等；
 // 如果没有定义这个方法，将会调用ObjectInputStream 的 defaultReadObject；
 private void readObject(ObjectInputStream in)
  throws ClassNotFoundException, IOException {
 GetField readFields = in.readFields();
 // 读取到成员的值之后，直接赋给该域，即完成该域的反序列化；
 name = (String) readFields.get("name", "defaultName");
 // 模拟解密密码
 String encPassword = (String) readFields.get("password",
  "thePassword:defaultValue");
 password = encPassword.split(":")[1];
 }

 // 序列化
 // 主要用到ObjectOutputStream；
 public void save() throws IOException {
 FileOutputStream fout = new FileOutputStream("e:\\obj");
 ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(fout);
 oout.writeObject(this);
 oout.close();
 fout.close();
 }

 // 反序列化
 // 主要用到ObjectInputStream
 public static SerializableObject load() throws IOException,
  ClassNotFoundException {
 FileInputStream fin = new FileInputStream("e:\\obj");
 ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(fin);
 Object o = oin.readObject();
 return (SerializableObject) o;

 }

 @Override
 public String toString() {
 return "name: " + name + ", password: " + password;
 }

 // 测试用例
 public static void main(String[] args) throws IOException,
  ClassNotFoundException {
 SerializableObject so = new SerializableObject(
  "http://blog.csdn.net/sunxing007", "123456");
 so.save();
 System.out.println(so);
 System.out.println(SerializableObject.load());
 }

}

序列化会对单例模式不利, 因为可以通过反序列化而破坏单例. 这个时候就要请出readResolve这个方法了. 比如下面的程序:

public class Dog extends Exception {
 //private static final long serialVersionUID = -7156412195888553079L;
 public static final Dog INSTANCE = new Dog();
 private Dog() { }
 public String toString() {
 return "Woof";
 }
 // 通过readResolve, 保证反序列化的时候能完全自主地处理返回对象.
 private Object readResolve(){
      return INSTANCE;
    }
 public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException{
 Dog d = Dog.INSTANCE;
 ByteArrayOutputStream bro = new ByteArrayOutputStream();
 ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(bro);
 oout.writeObject(d);
 ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bro.toByteArray()));
 Dog d1 = (Dog)oin.readObject();
 System.out.println(d1==d);
 }
}