Java Serializable：明明就一个空的接口嘛

Posted 2022-01-29 qing-gee

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对于 Java 的序列化，我一直停留在最浅显的认知上——把那个要序列化的类实现 Serializbale 接口就可以了。我不愿意做更深入的研究，因为会用就行了嘛。

但随着时间的推移，见到 Serializbale 的次数越来越多，我便对它产生了浓厚的兴趣。是时候花点时间研究研究了。

01、先来点理论

Java 序列化是 JDK 1.1 时引入的一组开创性的特性，用于将 Java 对象转换为字节数组，便于存储或传输。此后，仍然可以将字节数组转换回 Java 对象原有的状态。

序列化的思想是“冻结”对象状态，然后写到磁盘或者在网络中传输；反序列化的思想是“解冻”对象状态，重新获得可用的 Java 对象。

再来看看序列化 Serializbale 接口的定义：

public interface Serializable 

明明就一个空的接口嘛，竟然能够保证实现了它的“类的对象”被序列化和反序列化？

02、再来点实战

在回答上述问题之前，我们先来创建一个类（只有两个字段，和对应的 getter/setter），用于序列化和反序列化。

class Wanger 
    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;
    

再来创建一个测试类，通过 ObjectOutputStream 将“18 岁的王二”写入到文件当中，实际上就是一种序列化的过程；再通过 ObjectInputStream 将“18 岁的王二”从文件中读出来，实际上就是一种反序列化的过程。

public class Test 

    public static void main(String[] args) 
      // 初始化
        Wanger wanger = new Wanger();
        wanger.setName("王二");
        wanger.setAge(18);
        System.out.println(wanger);

        // 把对象写到文件中
        try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("chenmo"));)
            oos.writeObject(wanger);
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        

        // 从文件中读出对象
        try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("chenmo")));)
            Wanger wanger1 = (Wanger) ois.readObject();
            System.out.println(wanger1);
         catch (IOException | ClassNotFoundException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

不过，由于 Wanger 没有实现 Serializbale 接口，所以在运行测试类的时候会抛出异常，堆栈信息如下：

java.io.NotSerializableException: com.cmower.java_demo.xuliehua.Wanger
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348)
    at com.cmower.java_demo.xuliehua.Test.main(Test.java:21)

顺着堆栈信息，我们来看一下 ObjectOutputStream 的 writeObject0() 方法。其部分源码如下：

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());
    

也就是说，ObjectOutputStream 在序列化的时候，会判断被序列化的对象是哪一种类型，字符串？数组？枚举？还是 Serializable，如果全都不是的话，抛出 NotSerializableException。

假如 Wanger 实现了 Serializable 接口，就可以序列化和反序列化了。

class Wanger implements Serializable
    private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L;

    private String name;
    private int age;

具体怎么序列化呢？

以 ObjectOutputStream 为例吧，它在序列化的时候会依次调用 writeObject()→writeObject0()→writeOrdinaryObject()→writeSerialData()→invokeWriteObject()→defaultWriteFields()。

private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc)
        throws IOException
    
        Class<?> cl = desc.forClass();
        desc.checkDefaultSerialize();

        int primDataSize = desc.getPrimDataSize();
        desc.getPrimFieldValues(obj, primVals);
        bout.write(primVals, 0, primDataSize, false);

        ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false);
        Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()];
        int numPrimFields = fields.length - objVals.length;
        desc.getObjFieldValues(obj, objVals);
        for (int i = 0; i < objVals.length; i++) 

            try 
                writeObject0(objVals[i],
                             fields[numPrimFields + i].isUnshared());
            
        
    

那怎么反序列化呢？

以 ObjectInputStream 为例，它在反序列化的时候会依次调用 readObject()→readObject0()→readOrdinaryObject()→readSerialData()→defaultReadFields()。

private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc)
        throws IOException
    
        Class<?> cl = desc.forClass();
        desc.checkDefaultSerialize();

        int primDataSize = desc.getPrimDataSize();
        desc.getPrimFieldValues(obj, primVals);
        bout.write(primVals, 0, primDataSize, false);

        ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false);
        Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()];
        int numPrimFields = fields.length - objVals.length;
        desc.getObjFieldValues(obj, objVals);
        for (int i = 0; i < objVals.length; i++) 

            try 
                writeObject0(objVals[i],
                             fields[numPrimFields + i].isUnshared());
            
        
    

我想看到这，你应该会恍然大悟的“哦”一声了。Serializable 接口之所以定义为空，是因为它只起到了一个标识的作用，告诉程序实现了它的对象是可以被序列化的，但真正序列化和反序列化的操作并不需要它来完成。

03、再来点注意事项

开门见山的说吧，static 和 transient 修饰的字段是不会被序列化的。

为什么呢？我们先来证明，再来解释原因。

首先，在 Wanger 类中增加两个字段。

class Wanger implements Serializable 
    private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L;

    private String name;
    private int age;

    public static String pre = "沉默";
    transient String meizi = "王三";

    @Override
    public String toString() 
        return "Wanger" + "name=" + name + ",age=" + age + ",pre=" + pre + ",meizi=" + meizi + "";
    

其次，在测试类中打印序列化前和反序列化后的对象，并在序列化后和反序列化前改变 static 字段的值。具体代码如下：

// 初始化
Wanger wanger = new Wanger();
wanger.setName("王二");
wanger.setAge(18);
System.out.println(wanger);

// 把对象写到文件中
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("chenmo"));)
        oos.writeObject(wanger);
     catch (IOException e) 
        e.printStackTrace();
    

    // 改变 static 字段的值
Wanger.pre ="不沉默";

// 从文件中读出对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("chenmo")));)
    Wanger wanger1 = (Wanger) ois.readObject();
    System.out.println(wanger1);
 catch (IOException | ClassNotFoundException e) 
    e.printStackTrace();

// Wangername=王二,age=18,pre=沉默,meizi=王三
// Wangername=王二,age=18,pre=不沉默,meizi=null

从结果的对比当中，我们可以发现：

1）序列化前，pre 的值为“沉默”，序列化后，pre 的值修改为“不沉默”，反序列化后，pre 的值为“不沉默”，而不是序列化前的状态“沉默”。

为什么呢？因为序列化保存的是对象的状态，而 static 修饰的字段属于类的状态，因此可以证明序列化并不保存 static 修饰的字段。

2）序列化前，meizi 的值为“王三”，反序列化后，meizi 的值为 null，而不是序列化前的状态“王三”。

为什么呢？transient 的中文字义为“临时的”（论英语的重要性），它可以阻止字段被序列化到文件中，在被反序列化后，transient 字段的值被设为初始值，比如 int 型的初始值为 0，对象型的初始值为 null。

如果想要深究源码的话，你可以在 ObjectStreamClass 中发现下面这样的代码：

private static ObjectStreamField[] getDefaultSerialFields(Class<?> cl) 
    Field[] clFields = cl.getDeclaredFields();
    ArrayList<ObjectStreamField> list = new ArrayList<>();
    int mask = Modifier.STATIC | Modifier.TRANSIENT;

    int size = list.size();
    return (size == 0) ? NO_FIELDS :
        list.toArray(new ObjectStreamField[size]);

看到 Modifier.STATIC | Modifier.TRANSIENT，是不是感觉更好了呢？

04、再来点干货

除了 Serializable 之外，Java 还提供了一个序列化接口 Externalizable（念起来有点拗口）。

两个接口有什么不一样的吗？试一试就知道了。

首先，把 Wanger 类实现的接口 Serializable 替换为 Externalizable。

class Wanger implements Externalizable 
    private String name;
    private int age;

    public Wanger() 

    

    public String getName() 
        return name;
    


    @Override
    public String toString() 
        return "Wanger" + "name=" + name + ",age=" + age + "";
    

    @Override
    public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException 

    

    @Override
    public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException 

    

实现 Externalizable 接口的 Wanger 类和实现 Serializable 接口的 Wanger 类有一些不同：

1）新增了一个无参的构造方法。

使用 Externalizable 进行反序列化的时候，会调用被序列化类的无参构造方法去创建一个新的对象，然后再将被保存对象的字段值复制过去。否则的话，会抛出以下异常：

java.io.InvalidClassException: com.cmower.java_demo.xuliehua1.Wanger; no valid constructor
    at java.io.ObjectStreamClass$ExceptionInfo.newInvalidClassException(ObjectStreamClass.java:150)
    at java.io.ObjectStreamClass.checkDeserialize(ObjectStreamClass.java:790)
    at java.io.ObjectInputStream.readOrdinaryObject(ObjectInputStream.java:1782)
    at java.io.ObjectInputStream.readObject0(ObjectInputStream.java:1353)
    at java.io.ObjectInputStream.readObject(ObjectInputStream.java:373)
    at com.cmower.java_demo.xuliehua1.Test.main(Test.java:27)

2）新增了两个方法 writeExternal() 和 readExternal()，实现 Externalizable 接口所必须的。

然后，我们再在测试类中打印序列化前和反序列化后的对象。

// 初始化
Wanger wanger = new Wanger();
wanger.setName("王二");
wanger.setAge(18);
System.out.println(wanger);

// 把对象写到文件中
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("chenmo"));) 
    oos.writeObject(wanger);
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();


// 从文件中读出对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("chenmo")));) 
    Wanger wanger1 = (Wanger) ois.readObject();
    System.out.println(wanger1);
 catch (IOException | ClassNotFoundException e) 
    e.printStackTrace();

// Wangername=王二,age=18
// Wangername=null,age=0

从输出的结果看，反序列化后得到的对象字段都变成了默认值，也就是说，序列化之前的对象状态没有被“冻结”下来。

为什么呢？因为我们没有为 Wanger 类重写具体的 writeExternal() 和 readExternal() 方法。那该怎么重写呢？

@Override
public void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException 
    out.writeObject(name);
    out.writeInt(age);


@Override
public void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException 
    name = (String) in.readObject();
    age = in.readInt();

1）调用 ObjectOutput 的 writeObject() 方法将字符串类型的 name 写入到输出流中；

2）调用 ObjectOutput 的 writeInt() 方法将整型的 age 写入到输出流中；

3）调用 ObjectInput 的 readObject() 方法将字符串类型的 name 读入到输入流中；

4）调用 ObjectInput 的 readInt() 方法将字符串类型的 age 读入到输入流中；

再运行一次测试了类，你会发现对象可以正常地序列化和反序列化了。

序列化前：Wangername=王二,age=18
序列化后：Wangername=王二,age=18

05、再来点甜点

让我先问问你吧，你知道 private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L; 这段代码的作用吗？

嗯……

serialVersionUID 被称为序列化 ID，它是决定 Java 对象能否反序列化成功的重要因子。在反序列化时，Java 虚拟机会把字节流中的 serialVersionUID 与被序列化类中的 serialVersionUID 进行比较，如果相同则可以进行反序列化，否则就会抛出序列化版本不一致的异常。

当一个类实现了 Serializable 接口后，IDE 就会提醒该类最好产生一个序列化 ID，就像下面这样：

1）添加一个默认版本的序列化 ID：

private static final long serialVersionUID = 1L。

2）添加一个随机生成的不重复的序列化 ID。

private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L;

3）添加 @SuppressWarnings 注解。

@SuppressWarnings("serial")

怎么选择呢？

首先，我们采用第二种办法，在被序列化类中添加一个随机生成的序列化 ID。

class Wanger implements Serializable 
    private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L;

    private String name;
    private int age;

    // 其他代码忽略

然后，序列化一个 Wanger 对象到文件中。

// 初始化
Wanger wanger = new Wanger();
wanger.setName("王二");
wanger.setAge(18);
System.out.println(wanger);

// 把对象写到文件中
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("chenmo"));) 
    oos.writeObject(wanger);
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

这时候，我们悄悄地把 Wanger 类的序列化 ID 偷梁换柱一下，嘿嘿。

// private static final long serialVersionUID = -2095916884810199532L;
private static final long serialVersionUID = -2095916884810199533L;

好了，准备反序列化吧。

try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("chenmo")));) 
    Wanger wanger = (Wanger) ois.readObject();
    System.out.println(wanger);
 catch (IOException | ClassNotFoundException e) 
    e.printStackTrace();

哎呀，出错了。

java.io.InvalidClassException:  local class incompatible: stream classdesc 
serialVersionUID = -2095916884810199532,
local class serialVersionUID = -2095916884810199533
    at java.io.ObjectInputStream.readClassDesc(ObjectInputStream.java:1521)
    at com.cmower.java_demo.xuliehua1.Test.main(Test.java:27)

异常堆栈信息里面告诉我们，从持久化文件里面读取到的序列化 ID 和本地的序列化 ID 不一致，无法反序列化。

那假如我们采用第三种方法，为 Wanger 类添加个 @SuppressWarnings("serial") 注解呢？

@SuppressWarnings("serial")
class Wanger implements Serializable 
// 省略其他代码

好了，再来一次反序列化吧。可惜依然报错。

java.io.InvalidClassException:  local class incompatible: stream classdesc 
serialVersionUID = -2095916884810199532, 
local class serialVersionUID = -3818877437117647968
    at java.io.ObjectInputStream.readClassDesc(ObjectInputStream.java:1521)
    at com.cmower.java_demo.xuliehua1.Test.main(Test.java:27)

异常堆栈信息里面告诉我们，本地的序列化 ID 为 -3818877437117647968，和持久化文件里面读取到的序列化 ID 仍然不一致，无法反序列化。这说明什么呢？使用 @SuppressWarnings("serial") 注解时，该注解会为被序列化类自动生成一个随机的序列化 ID。

由此可以证明，Java 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，还有一个非常重要的因素就是序列化 ID 是否一致。

也就是说，如果没有特殊需求，采用默认的序列化 ID（1L）就可以，这样可以确保代码一致时反序列化成功。

class Wanger implements Serializable 
    private static final long serialVersionUID = 1L;
// 省略其他代码

06、再来点总结

写这篇文章之前，我真没想到：“空空其身”的Serializable 竟然有这么多可以研究的内容！

写完这篇文章之后，我不由得想起理科状元曹林菁说说过的一句话：“在学习中再小的问题也不放过，每个知识点都要总结”——说得真真真真的对啊！