在Java中,我們可以通過多種方式來創(chuàng)建對象,并且只要對象沒有被回收我們都可以復用該對象。但是,我們創(chuàng)建出來的這些Java對象都是存在于JVM的堆內(nèi)存中的。只有JVM處于運行狀態(tài)的時候,這些對象才可能存在。一旦JVM停止運行,這些對象的狀態(tài)也就隨之而丟失了。
但是在真實的應用場景中,我們需要將這些對象持久化下來,并且能夠在需要的時候把對象重新讀取出來。Java的對象序列化可以幫助我們實現(xiàn)該功能。
對象序列化機制(object serialization)是Java語言內(nèi)建的一種對象持久化方式,通過對象序列化,可以把對象的狀態(tài)保存為字節(jié)數(shù)組,并且可以在有需要的時候將這個字節(jié)數(shù)組通過反序列化的方式再轉換成對象。對象序列化可以很容易的在JVM中的活動對象和字節(jié)數(shù)組(流)之間進行轉換。
在Java中,對象的序列化與反序列化被廣泛應用到RMI(遠程方法調用)及網(wǎng)絡傳輸中。
相關接口及類
Java為了方便開發(fā)人員將Java對象進行序列化及反序列化提供了一套方便的API來支持。其中包括以下接口和類:
java.io.Serializable
java.io.Externalizable
ObjectOutput
ObjectInput
ObjectOutputStream
ObjectInputStream
Serializable 接口
類通過實現(xiàn) java.io.Serializable 接口以啟用其序列化功能。未實現(xiàn)此接口的類將無法使其任何狀態(tài)序列化或反序列化。可序列化類的所有子類型本身都是可序列化的。序列化接口沒有方法或字段,僅用于標識可序列化的語義。
當試圖對一個對象進行序列化的時候,如果遇到不支持 Serializable 接口的對象。在此情況下,將拋出 NotSerializableException。
如果要序列化的類有父類,要想同時將在父類中定義過的變量持久化下來,那么父類也應該繼承java.io.Serializable接口。
Externalizable接口
除了Serializable 之外,java中還提供了另一個序列化接口Externalizable
public class User implements Externalizable {
private String name;
private int age;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
out.writeObject(name);
out.writeInt(age);
}
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {
name = (String) in.readObject();
age = in.readInt();
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
Externalizable繼承了Serializable,該接口中定義了兩個抽象方法:writeExternal()與readExternal()。當使用Externalizable接口來進行序列化與反序列化的時候需要開發(fā)人員重寫writeExternal()與readExternal()方法。如果沒有在這兩個方法中定義序列化實現(xiàn)細節(jié),輸出的內(nèi)容為空,反序列化出來的對象中的屬性將會是默認值。還有一點值得注意:在使用Externalizable進行序列化的時候,在讀取對象時,會調用被序列化類的無參構造器去創(chuàng)建一個新的對象,然后再將被保存對象的字段的值分別填充到新對象中。所以,實現(xiàn)Externalizable接口的類必須要提供一個public的無參的構造器,如果沒有無參數(shù)的構造函數(shù),在運行時會拋出異常:java.io.InvalidClassException。
ObjectOutput和ObjectInput 接口
ObjectInput接口 擴展自 DataInput 接口以包含對象的讀操作。
DataInput 接口用于從二進制流中讀取字節(jié),并根據(jù)所有 Java 基本類型數(shù)據(jù)進行重構。同時還提供根據(jù) UTF-8 修改版格式的數(shù)據(jù)重構 String 的工具。
對于此接口中的所有數(shù)據(jù)讀取例程來說,如果在讀取所需字節(jié)數(shù)之前已經(jīng)到達文件末尾 (end of file),則將拋出 EOFException(IOException 的一種)。如果因為到達文件末尾以外的其他原因無法讀取字節(jié),則將拋出 IOException 而不是 EOFException。尤其是,在輸入流已關閉的情況下,將拋出 IOException。
ObjectOutput 擴展 DataOutput 接口以包含對象的寫入操作。
DataOutput 接口用于將數(shù)據(jù)從任意 Java 基本類型轉換為一系列字節(jié),并將這些字節(jié)寫入二進制流。同時還提供了一個將 String 轉換成 UTF-8 修改版格式并寫入所得到的系列字節(jié)的工具。
對于此接口中寫入字節(jié)的所有方法,如果由于某種原因無法寫入某個字節(jié),則拋出 IOException。
ObjectOutputStream類和ObjectInputStream類
通過前面的代碼片段中我們也能知道,我們一般使用ObjectOutputStream的writeObject方法把一個對象進行持久化。再使用ObjectInputStream的readObject從持久化存儲中把對象讀取出來。
父類的序列化與Transient 關鍵字
要想將父類對象也序列化,就需要讓父類也實現(xiàn)Serializable 接口。如果父類不實現(xiàn)的話的,就需要有默認的無參的構造函數(shù)。在父類沒有實現(xiàn) Serializable 接口時,虛擬機是不會序列化父對象的,而一個 Java 對象的構造必須先有父對象,才有子對象,反序列化也不例外。所以反序列化時,為了構造父對象,只能調用父類的無參構造函數(shù)作為默認的父對象。因此當我們?nèi)「笇ο蟮淖兞恐禃r,它的值是調用父類無參構造函數(shù)后的值。如果你考慮到這種序列化的情況,在父類無參構造函數(shù)中對變量進行初始化,否則的話,父類變量值都是默認聲明的值,如 int 型的默認是 0,string 型的默認是 null。
Transient 關鍵字的作用是控制變量的序列化,在變量聲明前加上該關鍵字,可以阻止該變量被序列化到文件中,在被反序列化后,transient 變量的值被設為初始值,如 int 型的是 0,對象型的是 null。
序列化ID
虛擬機是否允許反序列化,不僅取決于類路徑和功能代碼是否一致,一個非常重要的一點是兩個類的序列化 ID 是否一致(就是 private static final long serialVersionUID)
下面這段代碼中,雖然兩個類的功能代碼完全一致,但是序列化 ID 不同,他們無法相互序列化和反序列化。
package com.inout;
import java.io.Serializable;
public class A implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private String name;
public String getName()
{
return name;
}
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
}
package com.inout;
import java.io.Serializable;
public class A implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 2L;
private String name;
public String getName()
{
return name;
}
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
}
序列化 ID 在 Eclipse 下提供了兩種生成策略,一個是固定的 1L,一個是隨機生成一個不重復的 long 類型數(shù)據(jù)(實際上是使用 JDK 工具生成),在這里有一個建議,如果沒有特殊需求,就是用默認的 1L 就可以,這樣可以確保代碼一致時反序列化成功。那么隨機生成的序列化 ID 有什么作用呢,有些時候,通過改變序列化 ID 可以用來限制某些用戶的使用。
Java對象的序列化
Java平臺允許我們在內(nèi)存中創(chuàng)建可復用的Java對象,但一般情況下,只有當JVM處于運行時,這些對象才可能存在,即,這些對象的生命周期不會比JVM的生命周期更長。但在現(xiàn)實應用中,就可能要求在JVM停止運行之后能夠保存(持久化)指定的對象,并在將來重新讀取被保存的對象。Java對象序列化就能夠幫助我們實現(xiàn)該功能。
使用Java對象序列化,在保存對象時,會把其狀態(tài)保存為一組字節(jié),在未來,再將這些字節(jié)組裝成對象。必須注意地是,對象序列化保存的是對象的”狀態(tài)”,即它的成員變量。由此可知,對象序列化不會關注類中的靜態(tài)變量。
ArrayList的序列化
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
private int size;
}
筆者省略了其他成員變量,從上面的代碼中可以知道ArrayList實現(xiàn)了java.io.Serializable接口,那么我們就可以對它進行序列化及反序列化。因為elementData是transient的,所以我們認為這個成員變量不會被序列化而保留下來。我們寫一個Demo,驗證一下我們的想法:
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
List<String> stringList = new ArrayList<String>();
stringList.add("hello");
stringList.add("world");
stringList.add("hollis");
stringList.add("chuang");
System.out.println("init StringList" + stringList);
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("stringlist"));
objectOutputStream.writeObject(stringList);
IOUtils.close(objectOutputStream);
File file = new File("stringlist");
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
List<String> newStringList = (List<String>)objectInputStream.readObject();
IOUtils.close(objectInputStream);
if(file.exists()){
file.delete();
}
System.out.println("new StringList" + newStringList);
}
//init StringList[hello, world, hollis, chuang]
//new StringList[hello, world, hollis, chuang]
了解ArrayList的人都知道,ArrayList底層是通過數(shù)組實現(xiàn)的。那么數(shù)組elementData其實就是用來保存列表中的元素的。通過該屬性的聲明方式我們知道,他是無法通過序列化持久化下來的。那么為什么結果卻通過序列化和反序列化把List中的元素保留下來了呢?
writeObject和readObject方法
在ArrayList中定義了2個方法: writeObject和readObject。
這里先給出結論:
在序列化過程中,如果被序列化的類中定義了writeObject 和 readObject 方法,虛擬機會試圖調用對象類里的 writeObject 和 readObject 方法,進行用戶自定義的序列化和反序列化。
如果沒有這樣的方法,則默認調用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。
用戶自定義的 writeObject 和 readObject 方法可以允許用戶控制序列化的過程,比如可以在序列化的過程中動態(tài)改變序列化的數(shù)值。
來看一下這兩個方法的具體實現(xiàn):
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[I]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
那么為什么ArrayList要用這種方式來實現(xiàn)序列化呢?
why transient
ArrayList實際上是動態(tài)數(shù)組,每次在放滿以后自動增長設定的長度值,如果數(shù)組自動增長長度設為100,而實際只放了一個元素,那就會序列化99個null元素。為了保證在序列化的時候不會將這么多null同時進行序列化,ArrayList把元素數(shù)組設置為transient。
why writeObject and readObject
前面說過,為了防止一個包含大量空對象的數(shù)組被序列化,為了優(yōu)化存儲,所以,ArrayList使用transient來聲明elementData。 但是,作為一個集合,在序列化過程中還必須保證其中的元素可以被持久化下來,所以,通過重寫writeObject 和 readObject方法的方式把其中的元素保留下來。
writeObject方法把elementData數(shù)組中的元素遍歷的保存到輸出流(ObjectOutputStream)中。
readObject方法從輸入流(ObjectInputStream)中讀出對象并保存賦值到elementData數(shù)組中。
由此可見,可以通過在被序列化的類中增加writeObject 和 readObject方法來自定義序列化和反序列化策略。
雖然ArrayList中寫了writeObject 和 readObject 方法,但是這兩個方法并沒有顯示的被調用啊。
那么如果一個類中包含writeObject 和 readObject 方法,那么這兩個方法是怎么被調用的呢?
對象的序列化過程通過ObjectOutputStream和ObjectInputputStream來實現(xiàn)的,那么帶著這個問題,我們來分析一下ArrayList中的writeObject 和 readObject 方法到底是如何被調用的呢?
為了節(jié)省篇幅,這里給出ObjectOutputStream的writeObject的調用棧:
writeObject ---> writeObject0 --->writeOrdinaryObject--->writeSerialData--->invokeWriteObject
這里看一下invokeWriteObject:
void invokeWriteObject(Object obj, ObjectOutputStream out)
throws IOException, UnsupportedOperationException {
if (writeObjectMethod != null) {
try {
writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });
} catch (InvocationTargetException ex) {
Throwable th = ex.getTargetException();
if (th instanceof IOException) {
throw (IOException) th;
} else {
throwMiscException(th);
}
} catch (IllegalAccessException ex) {
// should not occur, as access checks have been suppressed
throw new InternalError(ex);
}
} else {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
其中writeObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ out });是關鍵,通過反射的方式調用writeObjectMethod方法。官方是這么解釋這個writeObjectMethod的:
class-defined writeObject method, or null if none
這個方法就是我們在ArrayList中定義的writeObject方法。通過反射的方式被調用了。
如果一個類中包含writeObject 和 readObject 方法,那么這兩個方法是在使用ObjectOutputStream的writeObject方法和ObjectInputStream的readObject方法時,會通過反射的方式調用。
Serializable明明就是一個空的接口,它是怎么保證只有實現(xiàn)了該接口的方法才能進行序列化與反序列化的呢?
其實這個問題也很好回答,我們再回到剛剛ObjectOutputStream的writeObject的調用棧:
writeObject ---> writeObject0 --->writeOrdinaryObject--->writeSerialData--->invokeWriteObject
writeObject0方法中有這么一段代碼:
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());
}
}
在進行序列化操作時,會判斷要被序列化的類是否是Enum、Array和Serializable類型,如果不是則直接拋出NotSerializableException。
序列化對單例的破壞
通過對Singleton的序列化與反序列化得到的對象是一個新的對象,這就破壞了Singleton的單例性。
對象的序列化過程通過ObjectOutputStream和ObjectInputputStream來實現(xiàn)的,那么帶著剛剛的問題,分析一下ObjectInputputStream 的readObject 方法執(zhí)行情況到底是怎樣的。
為了節(jié)省篇幅,這里給出ObjectInputStream的readObject的調用棧:

這里看一下重點代碼,readOrdinaryObject方法的代碼片段:
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
throws IOException {
//此處省略部分代碼
Object obj;
try {
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
} catch (Exception ex) {
throw (IOException) new InvalidClassException(
desc.forClass().getName(),
"unable to create instance").initCause(ex);
}
//此處省略部分代碼
if (obj != null &&
handles.lookupException(passHandle) == null &&
desc.hasReadResolveMethod())
{
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
rep = cloneArray(rep);
}
if (rep != obj) {
handles.setObject(passHandle, obj = rep);
}
}
return obj;
}
主要貼出兩部分代碼。先分析第一部分:
Object obj;
try {
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
} catch (Exception ex) {
throw (IOException) new InvalidClassException(desc.forClass().getName(),"unable to create instance").initCause(ex);
}
這里創(chuàng)建的這個obj對象,就是本方法要返回的對象,也可以暫時理解為是ObjectInputStream的readObject返回的對象。

isInstantiable:如果一個serializable/externalizable的類可以在運行時被實例化,那么該方法就返回true。針對serializable和externalizable我會在其他文章中介紹。
desc.newInstance:該方法通過反射的方式調用無參構造方法新建一個對象。
所以。到目前為止,也就可以解釋,為什么序列化可以破壞單例了?
答:序列化會通過反射調用無參數(shù)的構造方法創(chuàng)建一個新的對象。
那么,接下來我們再看剛開始留下的問題,如何防止序列化/反序列化破壞單例模式。
防止序列化破壞單例模式
先給出解決方案,然后再具體分析原理:
只要在Singleton類中定義readResolve就可以解決該問題:
/**
* 使用雙重校驗鎖方式實現(xiàn)單例
*/
public class Singleton implements Serializable{
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
private Object readResolve() {
return singleton;
}
}
還是運行以下測試類:
public class SerializableDemo {
//為了便于理解,忽略關閉流操作及刪除文件操作。真正編碼時千萬不要忘記
//Exception直接拋出
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
//Write Obj to file
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
oos.writeObject(Singleton.getSingleton());
//Read Obj from file
File file = new File("tempFile");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
//判斷是否是同一個對象
System.out.println(newInstance == Singleton.getSingleton());
}
}
//true
本次輸出結果為true。具體原理,我們回過頭繼續(xù)分析code 3中的第二段代碼:
if (obj != null &&
handles.lookupException(passHandle) == null &&
desc.hasReadResolveMethod()) {
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
rep = cloneArray(rep);
}
if (rep != obj) {
handles.setObject(passHandle, obj = rep);
}
}
hasReadResolveMethod:如果實現(xiàn)了serializable 或者 externalizable接口的類中包含readResolve則返回true
invokeReadResolve:通過反射的方式調用要被反序列化的類的readResolve方法。
所以,原理也就清楚了,主要在Singleton中定義readResolve方法,并在該方法中指定要返回的對象的生成策略,就可以防止單例被破壞。
無論是實現(xiàn)Serializable接口,或是Externalizable接口,當從I/O流中讀取對象時,readResolve()方法都會被調用到。實際上就是用readResolve()中返回的對象直接替換在反序列化過程中創(chuàng)建的對象,而被創(chuàng)建的對象則會被垃圾回收掉。
總結
1、如果一個類想被序列化,需要實現(xiàn)Serializable接口。否則將拋出NotSerializableException異常,這是因為,在序列化操作過程中會對類型進行檢查,要求被序列化的類必須屬于Enum、Array和Serializable類型其中的任何一種。
2、在變量聲明前加上該關鍵字,可以阻止該變量被序列化到文件中。
3、在類中增加writeObject 和 readObject 方法可以實現(xiàn)自定義序列化策略
自己的疑問
- 既然通過writeObject、readObject可以自定義序列化策略,通過
Externalizable#writeExternal、Externalizable#readExternal也能實現(xiàn)自定序列化策略,那么這2者有什么區(qū)別呢?
答:如果通過Serializable 接口使用默認序列化或通過writeObject、readObject方法來自定義序列化,當在反序列化不會調用類的構造方法,直接就能根據(jù)二進制創(chuàng)建出對象;而使用Externalizable接口則在反序列化時會調用類的默認構造方法。
- 如果writeObject、readObject和
Externalizable接口同時實現(xiàn),這時時怎么序列化與反序列化的呢?
答:只會執(zhí)行Externalizable中的writeExternal、readExternal方法,writeObject、readObject不會執(zhí)行。示例代碼:
public class User implements Externalizable {
private String name;
private transient String password;
// 必須要有無參構造器
public User() {
System.out.println("constructor");
}
// 序列化User對象
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {
System.out.println("writeExternal");
out.writeObject(name);
out.writeObject(password);
}
// 反序列化User對象
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException,
ClassNotFoundException {
System.out.println("readExternal");
name = (String) in.readObject();
password = (String) in.readObject();
}
// 不會被執(zhí)行
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
System.out.println("writeObject");
}
// 不會被執(zhí)行
private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException {
System.out.println("readObject");
}
// 在writeExternal之前執(zhí)行,只是為了說明執(zhí)行順序,實際不需要寫。
private Object writeReplace() throws ObjectStreamException {
this.setName("kobe");
System.out.println("writeReplace");
return this;
}
// 在readExternal之后執(zhí)行,只是為了說明執(zhí)行順序,實際不需要寫。
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
this.setName("kobe");
System.out.println("readresolve");
return this;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getPassword() {
return password;
}
public void setPassword(String password) {
this.password = password;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
", name='" + name + '/'' +
", password='" + password + '/'' +
'}';
}
}
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