【Java拾遺】不可不知的 Java 序列化
前言
在程序運行的生命週期中，序列化與反序列化的操作，幾乎無時無刻不在發生着。對於任何一門語言來說，不管它是編譯型還是解釋型，只要它需要通訊或者持久化時，就必然涉及到序列化與反序列化操作。但是，又正因爲序列化與反序列化太過重要，太過普遍，大部分編程語言和框架都對其進行了很好的封裝，又因爲他的潤物細無聲，使得我們很多時候根本沒有意識到，代碼下面其實進行了許許多多序列化相關的操作。今天我們就一起去探尋這位最熟悉的陌生人。
序列化是什麼
百度百科中給序列化的定義是『序列化 (Serialization)是將對象的狀態信息轉換爲可以存儲或傳輸的形式的過程。』。似乎有點抽象，下面用一個例子簡單類比一下。
日常生活中，總少不了人跟人之間的交流與溝通。而溝通的前提是先要把我們大腦中想的內容，通過某種形式表達出來。然後別人再通過我們表達出的內容去理解。
而表達的方式多種多樣，最常見的就是說話，我們通過說一些話，把我們腦海裏想的內容表達出來，對方聽了這些話立刻明白了我們的想法。當然表達也可以是文字，比如你正在看的本文，不也是在與你交流嗎？導演通過電影去表達自己對於世界的理解，畫家通過畫作述說的對美的渴望，音樂家通過樂符描述着對自由的嚮往。凡此種種，不勝枚舉。
所以，這些又跟我們的主題 序列化 有什麼關係呢？
其實人與人之間少不了溝通交流，程序與程序之間，機器與機器之間也少不了溝通交流。只不過通常不會說是溝通，我們會說請求、響應、傳輸、通訊…… 同樣的內容只是換了一種說法。
上文中提到，人與人之間的溝通需要一種表達方式。通過這種表達方式把我們大腦中所想的內容，轉化成他人可以理解的內容。而機器與機器之間的通訊也需要這樣一種表達方式，通過這種表達方式把內存中的內容，轉化成其它機器可以讀取的內容。
所以序列化可以簡單的理解成是 機器內存中信息的表達方式 。
爲什麼需要序列化
通常情況下，我們的語言一方面用於交流，比如聊天，把我腦海中的思想，通過語言表達出來，對方聽到我們的話語，會意我們的想法。
另一方面，我們的語言除了用於溝通交流，還可以用於記錄。有一句話叫做『好記性不如爛筆頭』。說的就是記錄的重要性，因爲話在我們的腦子裏，很容易就忘了，通過記錄下來可以保存更久。
而序列化功能又正好對應這兩點，一個是用來傳輸信息，另一個是用來持久化。序列化用來傳輸的作用，前文已經說過了，關於持久化的作用，也很好理解。首先明確一個問題，序列化的是什麼內容？通常是內存中的內容。而內存有一個特點我們都知道，那就是一重啓就沒了。對於部分內容，我們想在重啓後還存在（比如說 tomcat 中 session 裏面的對象），要怎麼辦呢？答案就是把內存中的對象保存到磁盤上，這樣就不怕重啓了，而持久化就需要用到序列化技術。
如何實現序列化
人與人之間有許許多多的表達方式，而且機器與機器之間也同樣，序列化的方式多種多樣。
Java 原生形式
對於如此普遍的序列化需求，Java 其實早在 JDK 1.1 開始就在語言層面進行了支持。而且使用起來非常方便，下面我們就一起看看具體代碼。
- 首先我們要把想序列化的類實現 Java 自帶的
java.io.Serializable接口
/*
*
* * *
* * * blog.coder4j.cn
* * * Copyright (C) 2016-2020 All Rights Reserved.
* *
*
*/
package cn.coder4j.study.example.serialization;
import java.io.Serializable;
import java.util.StringJoiner;
/**
* @author buhao
* @version HaveSerialization.java, v 0.1 2020-09-17 16:58 buhao
*/
public class HaveSerialization implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = -4504407589319471384L;
private String name;
private Integer age;
/**
* Getter method for property <tt>name</tt>.
*
* @return property value of name
*/
public String getName() {
return name;
}
/**
* Setter method for property <tt>name</tt>.
*
* @param name value to be assigned to property name
*/
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
/**
* Getter method for property <tt>age</tt>.
*
* @return property value of age
*/
public Integer getAge() {
return age;
}
/**
* Setter method for property <tt>age</tt>.
*
* @param age value to be assigned to property age
*/
public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return new StringJoiner(", ", HaveSerialization.class.getSimpleName() + "[", "]")
.add("name='" + name + "'")
.add("age=" + age)
.toString();
}
}
需要注意的是，雖說是實現了 java.io.Serializable 接口，但是我們其實沒有覆蓋任何方法。這是爲什麼呢？我們一起看一下 java.io.Serializable 的源碼。
public interface Serializable {
}
沒錯，是個空接口，除了接口定義部分，啥也沒有。通常遇到這種情況，我們稱之爲標記接口，主要爲了標記某些類，標記的原因是，把它與其它類區別出來，方便我們後面專門處理。而 Serializable 這個標記接口，就是爲了讓我們知道這個類是要進行序列化操作的類，僅此而已。
另外，雖然我們只實現一個空接口，但是細心的你，肯定發現了我們的類中多了一個 serialVersionUID 屬性。那麼這個屬性的作用是什麼呢？
它主要目的就是爲了驗證序列化與反序列化的類是否一致。比如上面 HaveSerialization 這個類現在有業務屬性 name 與 age ，現在因爲業務需要，我們要添加一個 address 的屬性。序列化操作是沒有問題的，但是把序列化信息傳輸給其它機器，其它機器在反序列化的時候，就出現了問題。因爲其它機器的 HaveSerialization 沒有 address 這個屬性。
爲了解決這個問題，JDK 通過使用 serialVersionUID 在作爲該類的版本號，在反序列化時比較傳輸的類的值與要反序列化類的值是否一致，不一致就會報 InvalidCastException 。
當然，出發點是好的，但是直接拋異常會導致業務無法進行下去，通常 serialVersionUID 生成好後，我們不會再更新，序列化如果沒有更新，對應變更的屬性會爲空，我們只要在業務裏做好兼容就好了。
- 序列化對象
好了，我們已經完成了第一步，定義了一個序列化類，下面我們就把他給序列化掉。
/**
* 序列化對象（保存序列化文件）
* @throws IOException
*/
@Test
public void testSaveSerializationObject() throws IOException {
// 創建對象
final HaveSerialization haveSerialization = new HaveSerialization();
haveSerialization.setName("kiwi");
haveSerialization.setAge(18);
// 創建序列化對象保存的文件
final File file = new File("haveSerialization.ser");
// 創建對象輸出流
try (final ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file))) {
// 將對象輸出到序列化文件
objectOutputStream.writeObject(haveSerialization);
}
}
可以看到代碼十分簡單，大體分成如下 4 步：
- 創建要序列化的對象
其實就是你上面的實現java.io.Serializable的類，如果沒有實現，在這裏會報NotSerializableException異常 - 創建一個
File對象，用來保存序列化後的二進制數據。
注意這裏文件名我用的是*.ser，這個 ser 後綴並沒有強制要求，只是方便理解，你可能寫成其它後綴 - 創建對象輸出流
創建一個ObjectOutputStream對象輸出流的對象，並把上面定義的序列化文件對象通過構造函數傳給它。 - 通過輸出流把對象寫到序列化文件裏
注意這裏我用的 JDK 8 的try with resource語法，所以不用手動close
好了，到這裏我們序列化也完成了。
- 反序列化對象
既然有序列化，那肯定也有反序列化。反序列化可以理解成是序列化的逆向操作，既然序列化把內存中的對象轉成一個可以持久化的文件，那麼反序列化要做的就是把這個文件再加載到內存中的對象。話不多說，直接看代碼。
/**
* 反序列化對象（從序列化文件中讀取對象）
* @throws IOException
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Test
public void testLoadSerializationObject() throws IOException, ClassNotFoundException {
// 創建對象輸出流
try (ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(new File("haveSerialization.ser")))) {
// 從輸出流中創建對象
final Object obj = objectInputStream.readObject();
System.out.println(obj);
}
}
是的，反序列化代碼比序列化代碼還少，主要分成如下 2 步：
- 創建對象輸入流
創建一個ObjectInputStream對象，並把序列化文件通過構造函數傳給它 - 從對象輸入流中讀取對象
直接通過readObject方法即可，注意讀取後是Object類型，後續使用需手動強轉一次
到這裏，我們便通過 JDK 原生的方法完成了序列化與反序列化操作，是不是還很簡單。但是日常工作不太推薦直接使用原生的方式實現序列化，一方面它生成的序列化文件較大，一方面也比一些第三方框架生成的慢，但是序列化原理大致類似。下面我們簡單看一下其它方式如何序列化。
通用對象序列化
通常序列化是與語言綁定的，比如說通過上面 JDK 序列化的文件，不可能拿給 PHP 應用反序列化成 PHP 的對象。不過可以通過某些特殊的通用對象結構序列化來實現跨語言使用，比較常見的是 JSON 、XML 。下面我們以 JSON 爲例看一下
/**
* 測試序列化通過json
*/
@Test
public void testSerializationByJSON(){
//-------------序列化操作---------------
// 創建對象
final HaveSerialization haveSerialization = new HaveSerialization();
haveSerialization.setName("kiwi");
haveSerialization.setAge(18);
// 序列化成 JSON 字符串
final String jsonString = JSON.toJSONString(haveSerialization);
System.out.println("JSON:" + jsonString);
//-------------反序列化操作---------------
final HaveSerialization haveSerializationByJSON = JSON.parseObject(jsonString, HaveSerialization.class);
System.out.println(haveSerializationByJSON);
}
運行結果：
JSON:{"age":18,"name":"kiwi"}
HaveSerialization[name='kiwi', age=18]
上述代碼使用的 JSON 框架是 alibaba/fastjson 。但是大部分 JSON 框架使用起來都大同小異。可以按個人喜好去替換。
序列化框架
序列化框架其實有很多，比如 kryo 、 hessian 、 protostuff 。它們各有優缺點，詳細的比較可以看這篇文章 序列化框架 kryo VS hessian VS Protostuff VS java 。大家可以按各自的使用場景選擇使用，下文以 kryo 爲例演示。
- 依賴
<dependency>
<groupId>com.esotericsoftware</groupId>
<artifactId>kryo</artifactId>
<version>5.0.0-RC9</version>
</dependency>
- 具體代碼
/**
* 測試序列化通過kryo
*/
@Test
public void testSerializationByKryo() throws FileNotFoundException {
//-------------序列化操作---------------
// 創建對象
final HaveSerialization haveSerialization = new HaveSerialization();
haveSerialization.setName("kiwi");
haveSerialization.setAge(18);
final Kryo kryo = new Kryo();
// 註冊序列化類
kryo.register(HaveSerialization.class);
// 序列化操作
try (final Output output = new Output(new FileOutputStream("haveSerialization.kryo"))) {
kryo.writeObject(output, haveSerialization);
}
// 反序列化
try (final Input input = new Input(new FileInputStream("haveSerialization.kryo"))) {
final HaveSerialization haveSerializationByKryo = kryo.readObject(input, HaveSerialization.class);
System.out.println(haveSerializationByKryo);
}
}
其實看代碼可以發現跟 JDK 的流程幾乎一樣，其中有幾點需要注意的，kryo 在序列化前，要手動通過 register 註冊序列化的類，有點類似 JDK 實現 java.io.Serializable 接口。然後 Input 、 Output 對象不是 JDK 的。是 kryo 提供的。另外 Kryo 有不少需要注意的地方，可以查看參考鏈接部分的內容學習。
源碼地址
因文章篇幅有限，無法展示所有代碼，已經另外把完整代碼上傳到 github，具體鏈接如下：
https://github.com/kiwiflydream/study-example/tree/master/study-serialization-example
參考鏈接
- 序列化框架 kryo VS hessian VS Protostuff VS java - 知其然，知其所以然 - ITeye博客
- Kryo 使用指南 - hntyzgn - 博客園
- 深入理解 RPC 之序列化篇 --Kryo | 徐靖峯|個人博客
- EsotericSoftware/kryo: Java binary serialization and cloning: fast, efficient, automatic
總結
本文主要介紹了 Java 序列化的相關內容，主要介紹序列化是什麼？與人與人之間溝通的表達方式做類比，得到是 機器內存中信息的表達方式 。而爲什麼需要序列化，我們通過舉例說明了序列化 信息傳輸與持久化 的功能。最後我們一起從 JDK 原生的實現 java.io.Serializable 的方式，再到通用對象序列化的 JSON、XML 方式，最終到第三方框架 kryo 的形式瞭解如何去實現序列化。