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JAVA序列化機制的深入研究

阿新 • • 發佈：2019-01-06

1、java序列化簡介

序列化就是指物件通過寫出描述自己狀態的數值來記錄自己的過程，即將物件表示成一系列有序位元組，java提供了將物件寫入流和從流中恢復物件的方法。物件能包含其它的物件，而其它的物件又可以包含另外的物件。JAVA序列化能夠自動的處理巢狀的物件。對於一個物件的簡單域，writeObject()直接將其值寫入流中。當遇到一個物件域時，writeObject()被再次呼叫，如果這個物件內嵌另一個物件，那麼，writeObject()又被呼叫，直到物件能被直接寫入流為止。程式設計師所需要做的是將物件傳入ObjectOutputStream的writeObject()方法，剩下的將有系統自動完成。

要實現序列化的類必須實現的java.io.Serializable或java.io.Externalizable介面，否則將產生一個NotSerializableException。該介面內部並沒有任何方法，它只是一個"tagging interface"，僅僅"tags"它自己的物件是一個特殊的型別。類通過實現 java.io.Serializable介面以啟用其序列化功能。未實現此介面的類將無法使其任何狀態序列化或反序列化。可序列化類的所有子型別本身都是可序列化的。序列化介面沒有方法或欄位，僅用於標識可序列化的語義。Java的"物件序列化"能讓你將一個實現了Serializable

介面的物件轉換成一組byte，這樣日後要用這個物件時候，你就能把這些byte資料恢復出來，並據此重新構建那個物件了。

序列化圖示


反序列化圖示


在序列化的時候，writeObject與readObject之間是有先後順序的。readObject將最先write的object read出來。用資料結構的術語來講就稱之為先進先出！

2、序列化的必要性及目的

Java中，一切都是物件，在分散式環境中經常需要將Object從這一端網路或裝置傳遞到另一端。這就需要有一種可以在兩端傳輸資料的協議。Java序列化機制就是為了解決這個問題而產生。

Java序列化支援的兩種主要特性：

  • Java 的RMI使本來存在於其他機器的物件可以表現出就象本地機器上的行為。
  • 將訊息發給遠端物件時，需要通過物件序列化來傳輸引數和返回值.

Java序列化的目的：

  • 支援執行在不同虛擬機器上不同版本類之間的雙向通訊；
  • 定義允許JAVA類讀取用相同類較老版本寫入的資料流的機制；
  • 定義允許JAVA類寫用相同類較老版本讀取的資料流的機制；
  • 提供對永續性和RMI的序列化；
  • 產生壓縮流且執行良好以使RMI能序列化；
  • 辨別寫入的是否是本地流；
  • 保持非版本化類的低負載；

3、序列化異常

序列化物件期間可能丟擲6種異常：

  • InvalidClassException 通常在重序列化流無法確定型別時或返回的類無法在取得物件的系統中表示時丟擲此異常。異常也在恢復的類不宣告為public時或沒有public預設（無變元）構造器時丟擲。
  • NotSerializableException 通常由具體化物件（負責自身的重序列化）探測到輸入流錯誤時丟擲。錯誤通常由意外不變數值指示，或者表示要序列化的物件不可序列化。
  • StreamCorruptedException 在存放物件的頭或控制資料無效時丟擲。
  • OptionalDataException 流中應包含物件但實際只包含原型資料時丟擲。
  • ClassNotFoundException 流的讀取端找不到反序列化物件的類時丟擲。
  • IOException  要讀取或寫入的物件發生與流有關的錯誤時丟擲。

4、序列化一個物件

序列化一個物件，以及對序列化後的物件進行操作，需要遵循以下3點：

1、 一個物件能夠序列化的前提是實現Serializable介面或Externalizable介面，Serializable介面沒有方法，更像是個標記。有了這個標記的Class就能被序列化機制處理。

2、 寫個程式將物件序列化並輸出。ObjectOutputStream能把Object輸出成Byte流。

3、 要從持久的檔案中讀取Bytes重建物件，我們可以使用ObjectInputStream。 

在序列化時，有幾點要注意的：

  •  當一個物件被序列化時，只序列化物件的非靜態成員變數，不能序列化任何成員方法和靜態成員變數。
  •  如果一個物件的成員變數是一個物件，那麼這個物件的資料成員也會被儲存。
  • 如果一個可序列化的物件包含對某個不可序列化的物件的引用，那麼整個序列化操作將會失敗，並且會丟擲一個NotSerializableException。可以通過將這個引用標記為transient，那麼物件仍然可以序列化。對於一些比較敏感的不想序列化的資料，也可以採用該標識進行修飾。

5、物件的序列化格式

5.1 簡單物件的序列化介紹

[java] view plaincopyprint?
  1. package com.asc.alibaba.base;  
  2. import java.io.FileInputStream;  
  3. import java.io.FileOutputStream;  
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.io.ObjectOutputStream;  
  6. import java.io.Serializable;  
  7. publicclassTestSerialimplements Serializable{  
  8.     publicbyteversion = 100;  
  9.     publicbytecount = 0;  
  10.     publicstaticvoid main(String[] args)throws IOException, ClassNotFoundException {  
  11.         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("temp.out");  
  12.         ObjectOutputStream oos =new ObjectOutputStream(fos);  
  13.         TestSerialize testSerialize =new TestSerialize();  
  14.         oos.writeObject(testSerialize);  
  15.         oos.flush();  
  16.         oos.close();  
  17.         }  
  18.     }  
  19. }  

將一個物件序列化後是什麼樣子呢？開啟剛才將物件序列化輸出的temp.out檔案，以16進位制方式顯示。內容應該如下：

AC ED 00 05 73 72 00 0A 53 65 72 69 61 6C 54 65
73 74 A0 0C 34 00 FE B1 DD F9 02 00 02 42 00 05
63 6F 75 6E 74 42 00 07 76 65 72 73 69 6F 6E 78
70 00 64
 
這一堆位元組就是用來描述序列化以後的TestSerial物件的，我們注意到TestSerial類中只有兩個域：

public byte version = 100;

public byte count = 0;

且都是byte型，理論上儲存這兩個域只需要2個byte，但是實際上temp.out佔據空間為51bytes，也就是說除了資料以外，還包括了對序列化物件的其他描述。

開頭部分，見顏色：

²  AC ED: STREAM_MAGIC. 宣告使用了序列化協議.

²  00 05: STREAM_VERSION. 序列化協議版本.

²  0x73: TC_OBJECT. 宣告這是一個新的物件.  

輸出TestSerial類的描述。見顏色：

²  0x72: TC_CLASSDESC. 宣告這裡開始一個新Class。

²  00 0A: Class名字的長度.

²  53 65 72 69 61 6c 54 65 73 74: TestSerial,Class類名.

²  05 52 81 5A AC 66 02 F6: SerialVersionUID, 序列化ID，如果沒有指定，
則會由演算法隨機生成一個8byte的ID.

²  0x02: 標記號. 該值宣告該物件支援序列化。

²  00 02: 該類所包含的域個數。

輸出域的資訊，見顏色：

²  0x42: 域型別. 42 代表"B", 也就是byte；

²  00 05: 域名字的長度；

²  636F 75 6E 74: count,域名字描述count；

²  0x42: 域型別. 42 代表"B", 也就是byte；

²  00 07: 域名字的長度；

²  76 65 72 73 69 6F 6E 78 70: version,域名字描述version；
塊的結束標記：見顏色：
0x78: TC_ENDBLOCKDATA,物件塊結束的標誌。

0x70:TC_NULL，沒有超類了。

輸出域的值資訊，見顏色：
²  00: 域值為00；
²  64: 域值為100；

5.2 複雜物件的序列化介紹

[java] view plaincopyprint?
  1. package com.asc.alibaba.base;  
  2. import java.io.FileInputStream;  
  3. import java.io.FileOutputStream;  
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.io.ObjectOutputStream;  
  6. import java.io.Serializable;  
  7. classContain implements Serializable {  
  8.     publicintcontainVersion = 11;  
  9. }  
  10. classParent implements Serializable {  
  11.     publicintparentVersion = 10;  
  12. }  
  13. publicclassSerialTest extends Parent implements Serializable {  
  14.     publicint      version   = 66;  
  15.     public Containcon = new Contain();  
  16.     publicint getVersion() {  
  17.         returnversion;  
  18.     }  
  19.     publicstaticvoid main(String[] args)throws IOException {  
  20.         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("temp1.out");  
  21.         ObjectOutputStream oos =new ObjectOutputStream(fos);  
  22.         SerialTest testSerialize =new SerialTest();  
  23.         oos.writeObject(testSerialize);  
  24.         oos.flush();  
  25.         oos.close();  
  26.         FileInputStream fis = new FileInputStream("temp1.out");  
  27.         byte[] bb =newbyte[200];  
  28.         while (fis.read(bb) != -1) {  
  29.             for (byte b : bb) {               System.out.print(Integer.toHexString(b));  
  30.                 System.out.print(" ");  
  31.             }  
  32.         }  
  33.     }  
  34. }  

AC ED 00 05 73 72 00 0A 53 65 72 69 61 6C 54 65 73 74 05 52 81 5A AC 66 02 F6 02 00 02 49 00 07 76 65 72 73 69 6F 6E 4C 00 03 63 6F 6E 74 00 09 4C 63 6F 6E 74 61 69 6E 3B 78 72 00 06 70 61 72 65 6E 74 0E DB D2 BD 85 EE 63 7A 02 00 01 49 00 0D 70 61 72 65 6E 74 56 65 72 73 69 6F 6E 78 7000 00 00 0A 00 00 00 42 73 72 00 07 63 6F 6E 74 61 69 6E FC BB E6 0E FB CB 60 C7 02 00 01 49 00 0E 63 6F 6E 74 61 69 6E 56 65 72 73 69 6F 6E 78 70 00 00 00 0B

開頭部分，見顏色：

²  ACED: STREAM_MAGIC. 宣告使用了序列化協議；

²  0005: STREAM_VERSION. 序列化協議版本；

²  0x73: TC_OBJECT. 宣告這是一個新的物件；

輸出TestSerial類的描述。見顏色：

²  0x72: TC_CLASSDESC. 宣告這裡開始一個新Class；

²  000A: Class名字的長度；

²  5365 72 69 61 6c 54 65 73 74: SerialTest,Class類名；

²  0552 81 5A AC 66 02 F6: SerialVersionUID, 序列化ID，如果沒有指定，則會由演算法隨機生成一個8byte的ID；

²  0x02: 標記號. 該值宣告該物件支援序列化；

²  0002: 該類所包含的域個數；

輸出域的資訊，見顏色：

²  0x49: 域型別. 49 代表"I", 也就是Int.

²  00 07: 域名字的長度.

²  76 65 72 73 69 6F 6E: version,域名字描述.

演算法輸出下一個域，contain con = new contain();這個有點特殊，是個物件。描述物件型別引用時需要使用JVM的標準物件簽名表示法，見顏色：

²  0x4C: 域的型別；

²  0003: 域名字長度；

²  636F 6E: 域名字描述，con；

²  0x74: TC_STRING. 代表一個new String.用String來引用物件；

²  0009: 該String長度；

²  4C63 6F 6E 74 61 69 6E 3B: Lcontain;,JVM的標準物件簽名表示法；

²  0x78: TC_ENDBLOCKDATA,物件資料塊結束的標誌；

演算法就會輸出超類也就是Parent類描述了，見顏色：

²  0x72: TC_CLASSDESC. 宣告這個是個新類；

²  00 06: 類名長度；

²  70 6172 65 6E 74: parent,類名描述；

²  0E DBD2 BD 85 EE 63 7A: SerialVersionUID, 序列化ID；

²  0x02: 標記號. 該值宣告該物件支援序列化；

²  00 01: 類中域的個數；

輸出parent類的域描述，int parentVersion=100;見顏色：

²  0x49: 域型別. 49 代表"I", 也就是Int；

²  00 0D: 域名字長度；

²  70 6172 65 6E 74 56 65 72 73 69 6F 6E: parentVersion，域名字描述；

²  0x78: TC_ENDBLOCKDATA,物件塊結束的標誌；

²  0x70: TC_NULL, 說明沒有其他超類的標誌；

到此為止，演算法已經對所有的類的描述都做了輸出。下一步就是把例項物件的實際值輸出了。這時候是從parent Class的域開始的，見顏色：

²  00 00 00 0A: 10, parentVersion域的值.

²  還有SerialTest類的域：

²  00 00 00 42: 66, version域的值.

再往後的bytes比較有意思，演算法需要描述contain類的資訊，要記住，
現在還沒有對contain類進行過描述，見顏色：

²  0x73: TC_OBJECT, 宣告這是一個新的物件；

²  0x72: TC_CLASSDESC宣告這裡開始一個新Class；

²  0007: 類名的長度；

²  636F 6E 74 61 69 6E:contain,類名描述；

²  FCBB E6 0E FB CB 60 C7: SerialVersionUID, 序列化ID；

²  0x02: Various flags. 標記號. 該值宣告該物件支援序列化；

²  0001: 類內的域個數；

輸出contain的唯一的域描述，int containVersion=11：

²  0x49: 域型別. 49 代表"I", 也就是Int；

²  000E: 域名字長度；

²  636F 6E 74 61 69 6E 56 65 72 73 69 6F 6E: containVersion, 域名字描述；

²  0x78: TC_ENDBLOCKDATA物件塊結束的標誌；

這時，序列化演算法會檢查contain是否有超類，如果有的話會接著輸出；

²  0x70:TC_NULL，沒有超類了；

最後，將contain類實際域值輸出：

²  00 00 00 0B: 11, containVersion的值。

6、Java的序列化演算法

序列化演算法一般會按步驟做如下事情：

◆ 將物件例項相關的類元資料輸出。

◆ 遞迴地輸出類的超類描述直到不再有超類。

◆ 類元資料完了以後，開始從最頂層的超類開始輸出物件例項的實際資料值。

◆ 從上至下遞迴輸出例項的資料

7、序列化例項介紹

7.1 定製資料格式的序列化

驗證怎樣用writeObject和readObject方法編碼一個定製資料格式。當有大量永續性資料時，資料應該以簡潔、精簡的格式存放。此例子用一個矩形對稱陣列，只對其一半資料序列化，即只寫/讀一半資料再恢復成完整陣列。

[java] view plaincopyprint?
  1. package com.asc.alibaba.base;  
  2. import java.io.*;  

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