java基础-----Java 序列化的高级认识

Posted 2021-02-10 chen_hao

将 Java 对象序列化为二进制文件的 Java 序列化技术是 Java 系列技术中一个较为重要的技术点，在大部分情况下，开发人员只需要了解被序列化的类需要实现 Serializable 接口，使用 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 进行对象的读写。然而在有些情况下，光知道这些还远远不够，文章列举了笔者遇到的一些真实情境，它们与 Java 序列化相关，通过分析情境出现的原因，使读者轻松牢记 Java 序列化中的一些高级认识。

序列化 ID 问题

情境：两个客户端 A 和 B 试图通过网络传递对象数据，A 端将对象 C 序列化为二进制数据再传给 B，B 反序列化得到 C。

问题：C 对象的全类路径假设为 com.inout.Test，在 A 和 B 端都有这么一个类文件，功能代码完全一致。也都实现了 Serializable 接口，但是反序列化时总是提示不成功。

解决：虚拟机是否允许反序列化，不仅取决于类路径和功能代码是否一致，一个非常重要的一点是两个类的序列化 ID 是否一致（就是 private static final long serialVersionUID = 1L）。清单 1 中，虽然两个类的功能代码完全一致，但是序列化 ID 不同，他们无法相互序列化和反序列化。
清单 1. 相同功能代码不同序列化 ID 的类对比

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 下提供了两种生成策略，一个是固定的 1L，一个是随机生成一个不重复的 long 类型数据（实际上是使用 JDK 工具生成），在这里有一个建议，如果没有特殊需求，就是用默认的 1L 就可以，这样可以确保代码一致时反序列化成功。那么随机生成的序列化 ID 有什么作用呢，有些时候，通过改变序列化 ID 可以用来限制某些用户的使用。

静态变量序列化

清单 2. 静态变量序列化问题代码

public class Test implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    public static int staticVar = 5;
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //初始时staticVar为5
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
                    new FileOutputStream("result.obj"));
            out.writeObject(new Test());
            out.close();
            //序列化后修改为10
            Test.staticVar = 10;
            ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                    "result.obj"));
            Test t = (Test) oin.readObject();
            oin.close();
            //再读取，通过t.staticVar打印新的值
            System.out.println(t.staticVar);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

清单 2 中的 main 方法，将对象序列化后，修改静态变量的数值，再将序列化对象读取出来，然后通过读取出来的对象获得静态变量的数值并打印出来。依照清单 2，这个 System.out.println(t.staticVar) 语句输出的是 10 还是 5 呢？

最后的输出是 10，对于无法理解的读者认为，打印的 staticVar 是从读取的对象里获得的，应该是保存时的状态才对。之所以打印 10 的原因在于序列化时，并不保存静态变量，这其实比较容易理解，序列化保存的是对象的状态，静态变量属于类的状态，因此 序列化并不保存静态变量。

对敏感字段加密

情境：服务器端给客户端发送序列化对象数据，对象中有一些数据是敏感的，比如密码字符串等，希望对该密码字段在序列化时，进行加密，而客户端如果拥有解密的密钥，只有在客户端进行反序列化时，才可以对密码进行读取，这样可以一定程度保证序列化对象的数据安全。

解决：在序列化过程中，虚拟机会试图调用对象类里的 writeObject 和 readObject 方法，进行用户自定义的序列化和反序列化，如果没有这样的方法，则默认调用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。用户自定义的 writeObject 和 readObject 方法可以允许用户控制序列化的过程，比如可以在序列化的过程中动态改变序列化的数值。基于这个原理，可以在实际应用中得到使用，用于敏感字段的加密工作，清单 3 展示了这个过程。
清单 3. 静态变量序列化问题代码

private static final long serialVersionUID = 1L;
private String password = "pass";
public String getPassword() {
    return password;
}
public void setPassword(String password) {
    this.password = password;
}
private void writeObject(ObjectOutputStream out) {
    try {
        PutField putFields = out.putFields();
        System.out.println("原密码:" + password);
        password = "encryption";//模拟加密
        putFields.put("password", password);
        System.out.println("加密后的密码" + password);
        out.writeFields();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
private void readObject(ObjectInputStream in) {
    try {
        GetField readFields = in.readFields();
        Object object = readFields.get("password", "");
        System.out.println("要解密的字符串:" + object.toString());
        password = "pass";//模拟解密,需要获得本地的密钥
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    try {
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
                new FileOutputStream("result.obj"));
        out.writeObject(new Test());
        out.close();
        ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                "result.obj"));
        Test t = (Test) oin.readObject();
        System.out.println("解密后的字符串:" + t.getPassword());
        oin.close();
    } catch (FileNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

在清单 3 的 writeObject 方法中，对密码进行了加密，在 readObject 中则对 password 进行解密，只有拥有密钥的客户端，才可以正确的解析出密码，确保了数据的安全。执行控制台输出如图所示。

特性使用案例

RMI 技术是完全基于 Java 序列化技术的，服务器端接口调用所需要的参数对象来至于客户端，它们通过网络相互传输。这就涉及 RMI 的安全传输的问题。一些敏感的字段，如用户名密码（用户登录时需要对密码进行传输），我们希望对其进行加密，这时，就可以采用本节介绍的方法在客户端对密码进行加密，服务器端进行解密，确保数据传输的安全性。

序列化存储规则

清单 4. 存储规则问题代码

ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
                new FileOutputStream("result.obj"));
Test test = new Test();
//试图将对象两次写入文件
out.writeObject(test);
out.flush();
System.out.println(new File("result.obj").length());
out.writeObject(test);
out.close();
System.out.println(new File("result.obj").length());
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
        "result.obj"));
//从文件依次读出两个文件
Test t1 = (Test) oin.readObject();
Test t2 = (Test) oin.readObject();
oin.close();
//判断两个引用是否指向同一个对象
System.out.println(t1 == t2);

清单 3 中对同一对象两次写入文件，打印出写入一次对象后的存储大小和写入两次后的存储大小，然后从文件中反序列化出两个对象，比较这两个对象是否为同一对象。一般的思维是，两次写入对象，文件大小会变为两倍的大小，反序列化时，由于从文件读取，生成了两个对象，判断相等时应该是输入 false 才对，但是最后结果输出如图所示。

31
36
true

我们看到，第二次写入对象时文件只增加了 5 字节，并且两个对象是相等的，这是为什么呢？

解答：Java 序列化机制为了节省磁盘空间，具有特定的存储规则，当写入文件的为同一对象时，并不会再将对象的内容进行存储，而只是再次存储一份引用，上面增加的 5 字节的存储空间就是新增引用和一些控制信息的空间。反序列化时，恢复引用关系，使得清单 3 中的 t1 和 t2 指向唯一的对象，二者相等，输出 true。该存储规则极大的节省了存储空间。

特性案例分析

清单 5. 案例代码

ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("result.obj"));
Test test = new Test();
test.i = 1;
out.writeObject(test);
out.flush();
test.i = 2;
out.writeObject(test);
out.close();
ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                    "result.obj"));
Test t1 = (Test) oin.readObject();
Test t2 = (Test) oin.readObject();
System.out.println(t1.i);
System.out.println(t2.i);

本案例的目的是希望将 test 对象两次保存到 result.obj 文件中，写入一次以后修改对象属性值再次保存第二次，然后从 result.obj 中再依次读出两个对象，输出这两个对象的 i 属性值。案例代码的目的原本是希望一次性传输对象修改前后的状态。

结果两个输出的都是 1， 原因就是第一次写入对象以后，第二次再试图写的时候，虚拟机根据引用关系知道已经有一个相同对象已经写入文件，因此只保存第二次写的引用，所以读取时，都是第一次保存的对象。读者在使用一个文件多次 writeObject 需要特别注意这个问题。

小结

本文通过几个具体的情景，介绍了 Java 序列化的一些高级知识，虽说高级，并不是说读者们都不了解，希望用笔者介绍的情景让读者加深印象，能够更加合理的利用 Java 序列化技术，在未来开发之路上遇到序列化问题时，可以及时的解决。由于本人知识水平有限，文章中倘若有错误的地方，欢迎联系我批评指正。