你真的以為你了解Java的序列化了嗎？
上一篇文章《Java對象的序列化與反序列化》中，簡單介紹了Java中對象的序列化和反序列化的一些基礎知識。看文那篇文章后，有小伙伴留言說：我終于了解了Java的序列化了。我只想說：小伙子，你真的是圖樣圖森破啊 。
通過那篇文章，讀者可以學會如何對Java對象進行序列化和反序列化。但是，還有些原理性知識沒有深入講解。本文，在上一篇文章的基礎上，抽絲剝繭，深入底層原理，主要圍繞以下幾個問題展開：
- 怎么實現Java的序列化？
- 為什么實現了java.io.Serializable接口才能被序列化？
- transient的作用是什么？
- 如果在序列化中破壞transitent的限制？
- 怎么自定義序列化策略？
- 自定義的序列化策略是如何被調用的？
- ArrayList對序列化的實現有哪些好處？
序列化基礎知識
關于序列化的用法及基礎知識，由于不是本文重點，這里不再詳細介紹了，詳情請參閱Java對象的序列化與反序列化。這里只做簡單回顧。
1、在Java中，只要一個類實現了java.io.Serializable接口，那么它就可以被序列化。
2、通過ObjectOutputStream和ObjectInputStream對對象進行序列化及反序列化。
3、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）
4、序列化并不保存靜態變量。
5、要想將父類對象也序列化，就需要讓父類也實現Serializable 接口。
6、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。
7、服務器端給客戶端發送序列化對象數據，對象中有一些數據是敏感的，比如密碼字符串等，希望對該密碼字段在序列化時，進行加密，而客戶端如果擁有解密的密鑰，只有在客戶端進行反序列化時，才可以對密碼進行讀取，這樣可以一定程度保證序列化對象的數據安全。
ArrayList的序列化
為了深入的介紹序列化，我們這篇文章準備從Java源碼中的ArrayList類入手。看看Java自身是如何使用序列化的。在介紹ArrayList序列化之前，先來考慮一個問題：
“問：如何自定義的序列化和反序列化策略？”
帶著這個問題，我們來看java.util.ArrayList的源碼
code 1
- 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。因為負責保存元素的elementData是transient的，所以我們認為這個成員變量的內容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：
code 2
- 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底層是通過數組實現的。那么數組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，我們認為，他應該是無法通過序列化持久化下來的。
“問：為什么code 2的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中定義了來個方法： 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。
也就述說，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改變序列化的數值。我們發現ArrayList中有這兩個方法的實現，那么基本可以確定，elementData能被序列化持久下來，肯定和這兩個方法有關，雖然他被聲明為transitent，那么我們來看一下ArrayList類中這兩個方法的具體實現：
code 3
- 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();
- }
- }
- }
code 4
- 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();
- }
- }
通過上面兩段代碼，我們發現，raedObject方法和writeObjec方法中定義了關于elementData的序列化策略。現在，我們可以回答剛剛的問題了。
“問：為什么code 2的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？
答：ArrayList中定義了raedObject和writeObject方法，這兩個方法中定義了elementData的序列化及反序列化策略。”
那么，問題又來了。
“問：為什么ArrayList要用這種方式來實現序列化呢？”
why transient
ArrayList實際上是動態數組，每次在放滿以后自動增長設定的長度值，如果數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組被序列化，為了優化存儲，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數組中。
至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：
“問：為什么ArrayList要用這種方式來實現序列化呢？
答：避免elementData數組中過多的無用的null被序列化。
問：如何自定義的序列化和反序列化策略？
答：可以通過在被序列化的類中增加writeObject 和 readObject方法。”
那么問題又來了，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。
“問：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?”
ObjectOutputStream
從code 4中，我們可以看出，對象的序列化過程通過ObjectOutputStream和ObjectInputputStream來實現的，那么帶著剛剛的問題，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();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
在我們的例子中，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。
至此，我們先試著來回答剛剛提出的問題：
“問：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?
答：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。”
至此，我們已經介紹完了ArrayList的序列化方式。那么，不知道有沒有人提出這樣的疑問：
“問：Serializable明明就是一個空的接口，它是怎么保證只有實現了該接口的方法才能進行序列化與反序列化的呢？”
Serializable接口的定義：
- public interface Serializable {
- }
如果嘗試對一個未實現Serializable接口的類進行序列化，會拋出java.io.NotSerializableException。這是為什么呢？Serializable只是一個空接口，如何實現的呢？
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。
“問：Serializable明明就是一個空的接口，它是怎么保證只有實現了該接口的方法才能進行序列化與反序列化的呢？
答：在類的序列化過程中，會使用instanceof關鍵字判斷一個類是否繼承了Serializable類，如果沒有，則直接拋出NotSerializableException異常。”
總結
1、如果一個類想被序列化，需要實現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 方法可以實現自定義序列化策略。
【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】
