Java程序員必備：序列化全方位解析
- 2020 年 4 月 19 日
- 筆記
前言
相信大家日常開發中，經常看到Java對象「implements Serializable」。那麼，它到底有什麼用呢？本文從以下幾個角度來解析序列這一塊知識點~
- 什麼是Java序列化？
- 為什麼需要序列化？
- 序列化用途
- Java序列化常用API
- 序列化的使用
- 序列化底層
- 日常開發序列化的注意點
- 序列化常見面試題
一、什麼是Java序列化？
- 序列化：把Java對象轉換為位元組序列的過程
- 反序列：把位元組序列恢復為Java對象的過程
二、為什麼需要序列化？
Java對象是運行在JVM的堆內存中的，如果JVM停止後，它的生命也就戛然而止。
如果想在JVM停止後，把這些對象保存到磁盤或者通過網絡傳輸到另一遠程機器，怎麼辦呢？磁盤這些硬件可不認識Java對象，它們只認識二進制這些機器語言，所以我們就要把這些對象轉化為位元組數組，這個過程就是序列化啦~
打個比喻，作為大城市漂泊的碼農，搬家是常態。當我們搬書桌時，桌子太大了就通不過比較小的門，因此我們需要把它拆開再搬過去，這個拆桌子的過程就是序列化。 而我們把書桌復原回來（安裝）的過程就是反序列化啦。
三、序列化用途
序列化使得對象可以脫離程序運行而獨立存在，它主要有兩種用途：
- 1） 序列化機制可以讓對象地保存到硬盤上，減輕內存壓力的同時，也起了持久化的作用；
比如 Web服務器中的Session對象，當有 10+萬用戶並發訪問的，就有可能出現10萬個Session對象，內存可能消化不良，於是Web容器就會把一些seesion先序列化到硬盤中，等要用了，再把保存在硬盤中的對象還原到內存中。
- 2） 序列化機制讓Java對象在網絡傳輸不再是天方夜譚。
我們在使用Dubbo遠程調用服務框架時，需要把傳輸的Java對象實現Serializable接口，即讓Java對象序列化，因為這樣才能讓對象在網絡上傳輸。
四、Java序列化常用API
java.io.ObjectOutputStream
java.io.ObjectInputStream
java.io.Serializable
java.io.Externalizable
Serializable 接口
Serializable接口是一個標記接口，沒有方法或字段。一旦實現了此接口，就標誌該類的對象就是可序列化的。
public interface Serializable {
}
Externalizable 接口
Externalizable繼承了Serializable接口，還定義了兩個抽象方法：writeExternal()和readExternal()，如果開發人員使用Externalizable來實現序列化和反序列化，需要重寫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類
表示對象輸出流，它的writeObject(Object obj)方法可以對指定obj對象參數進行序列化，再把得到的位元組序列寫到一個目標輸出流中。
java.io.ObjectInputStream
表示對象輸入流，
它的readObject()方法，從輸入流中讀取到位元組序列，反序列化成為一個對象，最後將其返回。
五、序列化的使用
序列化如何使用？來看一下，序列化的使用的幾個關鍵點吧：
- 聲明一個實體類，實現Serializable接口
- 使用ObjectOutputStream類的writeObject方法，實現序列化
- 使用ObjectInputStream類的readObject方法，實現反序列化
聲明一個Student類，實現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類的writeObject方法，對Student對象實現序列化
把Student對象設置值後，寫入一個文件，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();
看看序列化的可愛模樣吧，test.out文件內容如下（使用UltraEdit打開）：
使用ObjectInputStream類的readObject方法，實現反序列化，重新生成student對象
再把test.out文件讀取出來，反序列化為Student對象
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println("name="+student.getName());
六、序列化底層
Serializable底層
Serializable接口，只是一個空的接口，沒有方法或字段，為什麼這麼神奇，實現了它就可以讓對象序列化了？
public interface Serializable {
}
為了驗證Serializable的作用，把以上demo的Student對象，去掉實現Serializable接口，看序列化過程怎樣吧~
序列化過程中拋出異常啦，堆棧信息如下：
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)
順着堆棧信息看一下，原來有重大發現，如下~
原來底層是這樣：
ObjectOutputStream 在序列化的時候，會判斷被序列化的Object是哪一種類型，String？array？enum？還是 Serializable，如果都不是的話，拋出 NotSerializableException異常。所以呀，Serializable真的只是一個標誌，一個序列化標誌~
writeObject（Object）
序列化的方法就是writeObject，基於以上的demo，我們來分析一波它的核心方法調用鏈吧~（建議大家也去debug看一下這個方法，感興趣的話）
writeObject直接調用的就是writeObject0（）方法，
public final void writeObject(Object obj) throws IOException {
......
writeObject0(obj, false);
......
}
writeObject0 主要實現是對象的不同類型，調用不同的方法寫入序列化數據，這裏面如果對象實現了Serializable接口，就調用writeOrdinaryObject()方法~
private void writeObject0(Object obj, boolean unshared)
throws IOException
{
......
//String類型
if (obj instanceof String) {
writeString((String) obj, unshared);
//數組類型
} else if (cl.isArray()) {
writeArray(obj, desc, unshared);
//枚舉類型
} else if (obj instanceof Enum) {
writeEnum((Enum<?>) obj, desc, unshared);
//Serializable實現序列化接口
} else if (obj instanceof Serializable) {
writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);
} else{
//其他情況會拋異常~
if (extendedDebugInfo) {
throw new NotSerializableException(
cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString());
} else {
throw new NotSerializableException(cl.getName());
}
}
......
writeOrdinaryObject()會先調用writeClassDesc(desc)，寫入該類的生成信息，然後調用writeSerialData方法,寫入序列化數據
private void writeOrdinaryObject(Object obj,
ObjectStreamClass desc,
boolean unshared)
throws IOException
{
......
//調用ObjectStreamClass的寫入方法
writeClassDesc(desc, false);
// 判斷是否實現了Externalizable接口
if (desc.isExternalizable() && !desc.isProxy()) {
writeExternalData((Externalizable) obj);
} else {
//寫入序列化數據
writeSerialData(obj, desc);
}
.....
}
writeSerialData（）實現的就是寫入被序列化對象的字段數據
private void writeSerialData(Object obj, ObjectStreamClass desc)
throws IOException
{
for (int i = 0; i < slots.length; i++) {
if (slotDesc.hasWriteObjectMethod()) {
//如果被序列化的對象自定義實現了writeObject()方法，則執行這個代碼塊
slotDesc.invokeWriteObject(obj, this);
} else {
// 調用默認的方法寫入實例數據
defaultWriteFields(obj, slotDesc);
}
}
}
defaultWriteFields（）方法，獲取類的基本數據類型數據，直接寫入底層位元組容器；獲取類的obj類型數據，循環遞歸調用writeObject0()方法，寫入數據~
private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc)
throws IOException
{
// 獲取類的基本數據類型數據，保存到primVals位元組數組
desc.getPrimFieldValues(obj, primVals);
//primVals的基本類型數據寫到底層位元組容器
bout.write(primVals, 0, primDataSize, false);
// 獲取對應類的所有字段對象
ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false);
Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()];
int numPrimFields = fields.length - objVals.length;
// 獲取類的obj類型數據，保存到objVals位元組數組
desc.getObjFieldValues(obj, objVals);
//對所有Object類型的字段,循環
for (int i = 0; i < objVals.length; i++) {
......
//遞歸調用writeObject0()方法，寫入對應的數據
writeObject0(objVals[i],
fields[numPrimFields + i].isUnshared());
......
}
}
七、日常開發序列化的一些注意點
- static靜態變量和transient 修飾的字段是不會被序列化的
- serialVersionUID問題
- 如果某個序列化類的成員變量是對象類型，則該對象類型的類必須實現序列化
- 子類實現了序列化，父類沒有實現序列化，父類中的字段丟失問題
static靜態變量和transient 修飾的字段是不會被序列化的
static靜態變量和transient 修飾的字段是不會被序列化的,我們來看例子分析一波~ Student類加了一個類變量gender和一個transient修飾的字段specialty
public class Student implements Serializable {
private Integer age;
private String name;
public static String gender = "男";
transient String specialty = "計算機專業";
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 + '\'' +
'}';
}
......
打印學生對象，序列化到文件，接着修改靜態變量的值，再反序列化，輸出反序列化後的對象~
運行結果：
序列化前Student{age=25, name='jayWei', gender='男', specialty='計算機專業'}
序列化後Student{age=25, name='jayWei', gender='女', specialty='null'}
對比結果可以發現：
- 1）序列化前的靜態變量性別明明是『男』，序列化後再在程序中修改，反序列化後卻變成『女』了，what？顯然這個靜態屬性並沒有進行序列化。其實，靜態（static）成員變量是屬於類級別的，而序列化是針對對象的~所以不能序列化哦。
- 2）經過序列化和反序列化過程後，specialty字段變量值由’計算機專業’變為空了，為什麼呢？其實是因為transient關鍵字，它可以阻止修飾的字段被序列化到文件中，在被反序列化後，transient 字段的值被設為初始值，比如int型的值會被設置為 0，對象型初始值會被設置為null。
serialVersionUID問題
serialVersionUID 表面意思就是序列化版本號ID，其實每一個實現Serializable接口的類，都有一個表示序列化版本標識符的靜態變量，或者默認等於1L，或者等於對象的哈希碼。
private static final long serialVersionUID = -6384871967268653799L;
serialVersionUID有什麼用？
JAVA序列化的機制是通過判斷類的serialVersionUID來驗證版本是否一致的。在進行反序列化時，JVM會把傳來的位元組流中的serialVersionUID和本地相應實體類的serialVersionUID進行比較，如果相同，反序列化成功，如果不相同，就拋出InvalidClassException異常。
接下來，我們來驗證一下吧，修改一下Student類，再反序列化操作
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)
從日誌堆棧異常信息可以看到，文件流中的class和當前類路徑中的class不同了，它們的serialVersionUID不相同，所以反序列化拋出InvalidClassException異常。那麼，如果確實需要修改Student類，又想反序列化成功，怎麼辦呢？可以手動指定serialVersionUID的值，一般可以設置為1L或者，或者讓我們的編輯器IDE生成
private static final long serialVersionUID = -6564022808907262054L;
實際上，阿里開發手冊，強制要求序列化類新增屬性時，不能修改serialVersionUID字段~
如果某個序列化類的成員變量是對象類型，則該對象類型的類必須實現序列化
給Student類添加一個Teacher類型的成員變量，其中Teacher是沒有實現序列化接口的
public class Student implements Serializable {
private Integer age;
private String name;
private Teacher teacher;
...
}
//Teacher 沒有實現
public class Teacher {
......
}
序列化運行，就報NotSerializableException異常啦
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)
其實這個可以在上小節的底層源碼分析找到答案，一個對象序列化過程，會循環調用它的Object類型字段，遞歸調用序列化的，也就是說，序列化Student類的時候，會對Teacher類進行序列化，但是對Teacher沒有實現序列化接口，因此拋出NotSerializableException異常。所以如果某個實例化類的成員變量是對象類型，則該對象類型的類必須實現序列化
子類實現了Serializable，父類沒有實現Serializable接口的話，父類不會被序列化。
子類Student實現了Serializable接口，父類User沒有實現Serializable接口
//父類實現了Serializable接口
public class Student extends User implements Serializable {
private Integer age;
private String name;
}
//父類沒有實現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();
//反序列化結果
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student1 = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println(student1.getUserId());
//output
/**
* null
*/
從反序列化結果，可以發現，父類屬性值丟失了。因此子類實現了Serializable接口，父類沒有實現Serializable接口的話，父類不會被序列化。
八、序列化常見面試題
- 序列化的底層是怎麼實現的？
- 序列化時，如何讓某些成員不要序列化？
- 在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什麼區別
- serialVersionUID有什麼用？
- 是否可以自定義序列化過程, 或者是否可以覆蓋 Java 中的默認序列化過程？
- 在 Java 序列化期間,哪些變量未序列化？
1.序列化的底層是怎麼實現的？
本文第六小節可以回答這個問題，如回答Serializable關鍵字作用，序列化標誌啦，源碼中，它的作用啦還有，可以回答writeObject幾個核心方法，如直接寫入基本類型，獲取obj類型數據，循環遞歸寫入，哈哈
2.序列化時，如何讓某些成員不要序列化？
可以用transient關鍵字修飾，它可以阻止修飾的字段被序列化到文件中，在被反序列化後，transient 字段的值被設為初始值，比如int型的值會被設置為 0，對象型初始值會被設置為null。
3.在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什麼區別
Externalizable繼承了Serializable，給我們提供 writeExternal() 和 readExternal() 方法, 讓我們可以控制 Java的序列化機制, 不依賴於Java的默認序列化。正確實現 Externalizable 接口可以顯著提高應用程序的性能。
4.serialVersionUID有什麼用？
可以看回本文第七小節哈，JAVA序列化的機制是通過判斷類的serialVersionUID來驗證版本是否一致的。在進行反序列化時，JVM會把傳來的位元組流中的serialVersionUID和本地相應實體類的serialVersionUID進行比較，如果相同，反序列化成功，如果不相同，就拋出InvalidClassException異常。
5.是否可以自定義序列化過程, 或者是否可以覆蓋 Java 中的默認序列化過程？
可以的。我們都知道,對於序列化一個對象需調用 ObjectOutputStream.writeObject(saveThisObject), 並用 ObjectInputStream.readObject() 讀取對象, 但 Java 虛擬機為你提供的還有一件事, 是定義這兩個方法。如果在類中定義這兩種方法, 則 JVM 將調用這兩種方法, 而不是應用默認序列化機制。同時，可以聲明這些方法為私有方法，以避免被繼承、重寫或重載。
6.在 Java 序列化期間,哪些變量未序列化？
static靜態變量和transient 修飾的字段是不會被序列化的。靜態（static）成員變量是屬於類級別的，而序列化是針對對象的。transient關鍵字修字段飾，可以阻止該字段被序列化到文件中。
參考與感謝
個人公眾號
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- 同時非常期待小夥伴們能夠關注我公眾號，後面慢慢推出更好的乾貨~嘻嘻
