复习盘点-Java序列化方式（2）JAVA原生序列化以及Protostuff序列化

Java中的RPC（远程服务调用）可以通过Serializable的方式进行。

序（序列化和反序列化）

是什么？为啥用？怎么用？——灵魂三连

  1. 序列化和反序列化是什么？

    • 序列化：把对象转变为字节序列的过程称为对象的序列化。

    • 反序列化：把字节序列恢复为对象的过程称为对象的反序列化。

  2. 对象序列化的用途

    • 将内存中对象的字节持久化到硬盘中的时候；
    • 当使用Socket在网络上传输对象的时候；
    • 当使用RMI（远程方法调用）传输对象的时候；

1. Serializable序列化

类的序列化是实现java.io.Serializable接口启动的，不实现此接口的类将不会有任何状态的序列化和反序列化。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识序列化的语义。

1.1 Serializable序列化的注意事项

1.1.1 序列化ID问题

Intellij IDEA生成serialVersionUID

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，还取决于两个类序列化ID是否一致（ANY-ACCESS-MODIFIER static final long serialVersionUID = 42L;）。

如果可序列化类没有显示声明SerialVersionUID，则序列化运行时将根据Java对象序列化规范中所述的类的各方面计算该类的默认SerialVersionUID。但是强烈建议所有可序列化的类都明确声明serialVersionUID值。因为默认得UID计算对类详细信息非常敏感，这可能因编译器实现而异，可能会导致反序列化InvalidClassException。

序列化和反序列化代码详见JAVA BIO体系——ObjectInputStream/ObjectOutputStream对象流的使用

1. 反序列化不同的类路径导致ClassCastException异常

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: 
com.JsonSerializer.User cannot be cast to com.IODemo.BIODemo.User
    at com.IODemo.BIODemo.ObjectOut.main(ObjectOut.java:12)

2. 反序列化不同的UID导致InvalidClassException异常

java.io.InvalidClassException: com.JsonSerializer.User; local class incompatible:
 stream classdesc serialVersionUID = 4731277808546534921,
 local class serialVersionUID = 4731277808546534920

序列化ID一般有两种生成规则，一种是固定的1L，一种是随机生成一个不重复long类型数据。

  • 如果是没有特殊需求，就用默认的1L就可以，这样就可以确保代码一致时反序列化成功；

  • 随机生成的序列化ID有什么用呢？有些时候，通过改变序列ID可以用来限制某些用户的使用；

1.1.2 特殊变量序列化

1. 静态变量的序列化
序列化并不保存静态变量，序列化保存的是对象的状态，而静态变量是类的状态。
2. Transient关键字
transient（[ˈtrænziənt]临时态）关键字的作用就是控制变量的序列化，在变量声明前加上该关键字，可以阻止该变量序列化到文件中，在反序列化后，transient变量会被设为初始值，如int型的为0，对象型的为null。
3. 父类的序列化特性
如果子类实现了Serializable接口而父类没有实现，那么父类不会被序列化，但是父类必须有默认的无参构造方法，否则会抛出InvalidClassException异常。如下图所示

序列化异常

解决方案：想要将父类对象也序列化，就需要让父类也实现Serializable接口；如果父类不实现的话，就需要有默认的无参构造函数，并且父类的变量值都是默认声明的值。

在父类没有实现Serializable接口时，虚拟机不会序列化父对象，而一个Java对象的初始化必须先初始化父对象，再初始化子对象，反序列化也不例外。所以在反序列化时，为了构造父对象，只能调用父类对象的无参构造函数作为默认的父对象。因此当我们取父对象的变量值时，它的值是调用父类无参构造函数后的值。

使用Transient关键字可以使得字段不被序列化，还有别的方法吗？

根据父类对象序列化的规则，可以将不需要被序列化的字段抽取出来放到父类中，子类实现Serializable接口，父类不实现，根据父类序列化规则，父类的字段数据将不会被序列化。

抽象模型

4. 定制序列化方法

在序列化过程中，虚拟机会试图调用对象类中的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defaultWriteObject方法以及defaultReadObject方法。用户自定义的writeObject和readObject方法运允许用户控制序列化过程。比如可以在序列化过程中动态的改变序列化的数值。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。

ObjectOutputStream使用getPrivateMethod

方法writeObject可以自定义用户的序列化过程，如果声明了private void writeObject()，它将会被ObjectOutputStream调用。尽管它们被外部类调用但是他们实际上是private的方法。

writeObject和readObject既不存在于java.lang.Object中，也没有在Serializable中声明，那么ObjectOutputStream如何调用他们的？

ObjectOutputStream使用了反射寻找是否声明了这两个方法。并且ObjectOutputStream使用getPrivateMethod，所以这些方法必须声明为private以至于可以被ObjectOutputStream调用。

为什么需要声明为private类型

在两个方法的开始处，你会发现调用了defaultWriteObject()和defaultReadObject()。它们的作用就是默认序列化进程，就像写/读所有的no-transient和non-static字段。通常来说，所有我们需要处理的字段都应该声明为transient，这样的话，defaultWriteObject/defaultReadObject便可以专注于其余字段，而我们则为特定的字段定制序列化。但是使用默认序列化方法并不是强制的。

需要注意的是：序列化和反序列化的writeXXX()和readXXX()的顺序需要对应。比如有多个字段都用writeInt()——序列化，那么readInt()需要按照顺序将其赋值。

4.1. 使用transient和defaultWriteObject()定制序列化

public class EncryptUser implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String userName;
    transient private String password;  //不进行序列化，需要自己手动处理的
    transient private String sex;
    
  //为节省篇幅 省略get/set/toString()方法

    private void writeObject(ObjectOutputStream oos) throws IOException {
        oos.defaultWriteObject();
        String password = this.password + ":加密";
        oos.writeUTF(password);  //将密码手动处理加密后序列化
        System.out.println("EntryUser序列化成功：" + toString());
    }

    private void readObject(ObjectInputStream ios) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ios.defaultReadObject();
        password = ios.readUTF() + "解密";
        System.out.println("EntryUser反序列化成功：" + toString());
    }
}

4.2. ObjectOutputStream.PutField定制序列化

public class EncryptUser implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String userName;
    private String password;  //不进行序列化，需要自己手动处理的

  //为节省篇幅 省略get/set/toString()方法

    private void writeObject(ObjectOutputStream oos) throws IOException {
        ObjectOutputStream.PutField putField = oos.putFields();//检索写入流的字段
        password = "加密：" + password;  //模拟加密
        //设置写入流的字段
        putField.put("password", password);
        //将字段写入流
        oos.writeFields();
    }

    private void readObject(ObjectInputStream ios) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ObjectInputStream.GetField getField = ios.readFields();
        Object encryptPassword = getField.get("password", "");
        System.out.println("加密的字符串：" + encryptPassword);
        password = encryptPassword + "解密";
    }
}

4.3. 测试方法

 private static void writeObject() {
        try {
//            检索用于缓冲要写入流的持久性字段的对象。 当调用writeFields方法时，字段将被写入流。
            EncryptUser encryptUser = new EncryptUser();
            encryptUser.setUserName("tom");
            encryptUser.setPassword("tom245");
            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("./EncryptUser.txt"));
            objectOutputStream.writeObject(encryptUser);
            objectOutputStream.flush();
            ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream("./EncryptUser.txt"));
            EncryptUser readObject = (EncryptUser)objectInputStream.readObject();
            System.out.println(readObject);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

注：因为JDK1.7之后ObjectOutputStream实现了AutoCloseable接口，会在try方法结束之后，自动关闭资源。

5. 对象属性序列化

如果一个类有引用类型的实例变量，那么这个引用也要实现Serializable接口，否则会出现：

引用属性未实现序列化

可以使用transient关键字阻止该变量的序列化。

1.1.3 序列化的存储

Java序列化机制为了节省磁盘空间，具有特定的存储规则：当写入文件为同一个对象时，并不会将对象的内容进行存储，而是再次存储一份引用。反序列化时，恢复引用关系。

序列化同一对象

public class RuleSerializable {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("user.inf"));
            User user = new User();
            user.setName("tom");
            oos.writeObject(user);
            oos.flush();
            System.out.println("第一次读取的长度：" + new File("user.inf").length());
            //第二次序列化后修改数据
            user.setName("lili");
            oos.writeObject(user);
            oos.flush();
            System.out.println("第二次读取的长度：" + new File("user.inf").length());

            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("user.inf"));
            //反序列化
            User user1 = (User) objectInputStream.readObject();
            User user2 = (User) objectInputStream.readObject();
            System.out.println("两个对象是否相等：" + (user1 == user2));
            System.out.println("反序列化的用户名："+user1.getName());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

我们看到最后的结果是输出tom，原因是第一次写入对象以后，第二次在试图写入的时候，虚拟机根据引用关系知道已经有一个对象内容写入文件，因此只保存第二次写的引用。所以在读取时，获取的是第一次保存的对象。

序列化同一对象

2. Protostuff序列化

我们看到Java内置的序列化API Serializable，但是效率不是很高的。Google提供了一个效率很高的序列化API Protobuf，但是使用过于复杂。开源社区在Protobuf的基础上封装出Protostuff，在不丢失效率的前提上，使用更加简单。一般情况下，protostuff序列化后的数据大小是Serializable的1/10之一，速度更是两个量级以上。

2.1 protostuff序列化简单使用

MAVEN依赖

    <dependency>
            <groupId>io.protostuff</groupId>
            <artifactId>protostuff-runtime</artifactId>
            <version>1.6.0</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>io.protostuff</groupId>
            <artifactId>protostuff-core</artifactId>
            <version>1.6.0</version>
        </dependency>

序列化：

public static <T> byte[] serializer(T obj) {
        Class<T> clazz = (Class<T>) obj.getClass();
        //本质上是一个数组对象
        LinkedBuffer buffer = LinkedBuffer.allocate(LinkedBuffer.DEFAULT_BUFFER_SIZE);
        try {
            //获取模板
            Schema<T> schema = RuntimeSchema.getSchema(clazz);
            //将Object对象装换按照schema对象，转化成byte[]对象
            byte[] bytes = ProtostuffIOUtil.toByteArray(obj, schema, buffer);
            return bytes;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("序列化失败...");
        } finally {
            buffer.clear();
        }
    }
  1. 获取传入对象的class对象；
  2. 获取一个byte[]缓冲数组LinkBuffer；
  3. 根据class对象获取Schema对象
  4. 将Object对象序列化成byte[]数组；

反序列化：

public static <T> T deserializer(byte[] data, Class<T> clazz) {
        if (data == null || data.length == 0) {
            throw new RuntimeException("反序列化失败，byte[]不能为空");
        }
        T obj = null;
        try {
            obj = clazz.newInstance();
            Schema<T> schema = RuntimeSchema.getSchema(clazz);
            ProtostuffIOUtil.mergeFrom(data, obj, schema);
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }
  1. 传入byte[]数组和class对象；
  2. 通过反射初始化class对象；
  3. 获取Schema<T>对象；
  4. 将byte[]数组反序列化为Object对象；

注：RuntimeSchema.getSchema(clazz);实际上会将Schema<T>对象缓存。

2.2 protostuff定制开发

  1. 使用transient修饰就不用进行序列化；
  2. 定制序列化时，即用户判断什么情况下才进行序列化，可以使用自定义Schema进行实现。

1. 定义Java Bean类

此处使用了lombok插件，@Data标签即实现get()和set()方法；@Builder标签实现了建造者设计模式，即静态内部类实现建造者角色，客户端进行导演者角色。

//地址类
@Builder(toBuilder = true)
@Data
public class Address {
    private String address;
    private String phone;
}
//用户类
@Data
@Builder
public class Person {
    private String name;
    private Integer age;
    //表明该字段不进行序列化
    private transient String password;
    private List<Address> addressList;
}

2. 自定义Address的Schema

用户定制化的开发，此处实现简单，当address为null时，不进行序列化。

//自定义序列化模板
public class AddressSchema implements Schema<Address> {
    @Override
    public String getFieldName(int number) {
        String ret = "";
        switch (number) {
            case 1:
                ret = "address";
                break;
            case 2:
                ret = "phone";
                break;
            default:
                break;
        }

        return ret;
    }

    @Override
    public int getFieldNumber(String name) {
        if ("address".equals(name)) {
            return 1;
        } else if ("phone".equals(name)) {
            return 2;
        }
        return 0;
    }

    //若是地址为null的话，不允许序列化
    @Override
    public boolean isInitialized(Address message) {
        if (message == null) {
            return false;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public Address newMessage() {
        return Address.builder().build();
    }

    @Override
    public String messageName() {
        return Address.class.getSimpleName();
    }

    @Override
    public String messageFullName() {
        return Address.class.getName();
    }

    @Override
    public Class<? super Address> typeClass() {
        return Address.class;
    }

    //反序列化（输入流中读取数据，写入到message中）
    @Override
    public void mergeFrom(Input input, Address message) throws IOException {
        //在流中读取数据（while循环）
        while (true) {
            int number = input.readFieldNumber(this);//传入的是模板文件
            switch (number) {
                case 0:
                    return;
                case 1:
                    message.setAddress(input.readString());  //设置address值
                    break;
                case 2:
                    message.setPhone(input.readString());  //设置phone值
                    break;
                default:
                    input.handleUnknownField(number, this);
            }
        }
    }

    //序列化(将对象设置到序列化的输出流中)
    @Override
    public void writeTo(Output output, Address message) throws IOException {
        if (message.getAddress() == null) {
            throw new UninitializedMessageException(message, this);
        }
        //属性序号、属性内容，是否允许重复
        output.writeString(1, message.getAddress(), false);
        if (null != message.getPhone()) {
            output.writeString(2, message.getPhone(), false);
        }
    }
}

3. 编写测试代码
当序列化bjAddress时，因为address字段为null，禁止其序列化。

public class ProtoTest {
    public static void main(String[] args) {
        Address shAddress = Address.builder().address("上海").phone("123123").build();
        Address bjAddress = Address.builder().phone("XXX").build();
        Person person = Person.builder().name("yxr").password("123").age(25).
                addressList(Arrays.asList(shAddress, bjAddress)).build();
        //序列化
        Schema<Person> schema = RuntimeSchema.createFrom(Person.class);
        //创建缓冲区
        LinkedBuffer buffer = LinkedBuffer.allocate(1024);
        //直接序列化数组
        byte[] bytes = ProtostuffIOUtil.toByteArray(person, schema, buffer);
        System.out.println("序列化：" + Arrays.toString(bytes));
        //反序列化
        Schema<Person> newSchema = RuntimeSchema.getSchema(Person.class);
        Person newPerson = newSchema.newMessage();  //创建了一个person对象
        ProtostuffIOUtil.mergeFrom(bytes, newPerson, newSchema);
        System.out.println("反序列化：" + newPerson);
        buffer.clear();  //释放资源
        //创建自定义的Schema对象
        Schema<Address> addressSchema = new AddressSchema();
        byte[] bjArray = ProtostuffIOUtil.toByteArray(bjAddress, addressSchema, buffer);
        System.out.println("Address序列化：" + bjAddress);
        buffer.clear();
        byte[] shArray = ProtostuffIOUtil.toByteArray(shAddress, addressSchema, buffer);
        System.out.println(shAddress);
        Address newAddress = addressSchema.newMessage();
        ProtostuffIOUtil.mergeFrom(shArray, newAddress, addressSchema);
        System.out.println("Address反序列化：" + newAddress);
        buffer.clear();
    }
}

推荐参考：

什么是writeObject 和readObject？可定制的Serializable序列化过程

Protostuff定制Schema开发

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