Java程序员必备：序列化全方位解析

前言

相信大家日常开发中，经常看到 Java 对象“implements Serializable”。那么，它到底有什么用呢？本文从以下几个角度来解析序列这一块知识点~

• 什么是Java序列化？
• 为什么需要序列化？
• 序列化用途
• Java序列化常用API
• 序列化的使用
• 序列化底层
• 日常开发序列化的注意点
• 序列化常见面试题

一、什么是Java序列化？

• 序列化：把Java对象转换为字节序列的过程
• 反序列：把字节序列恢复为Java对象的过程
  

二、为什么需要序列化？

Java对象是运行在JVM的堆内存中的，如果JVM停止后，它的生命也就戛然而止。

如果想在JVM停止后，把这些对象保存到磁盘或者通过网络传输到另一远程机器，怎么办呢？磁盘这些硬件可不认识Java对象，它们只认识二进制这些机器语言，所以我们就要把这些对象转化为字节数组，这个过程就是序列化啦~

打个比喻，作为大城市漂泊的码农，搬家是常态。当我们搬书桌时，桌子太大了就通不过比较小的门，因此我们需要把它拆开再搬过去，这个拆桌子的过程就是序列化。 而我们把书桌复原回来（安装）的过程就是反序列化啦。

三、序列化用途

序列化使得对象可以脱离程序运行而独立存在，它主要有两种用途：

• 1） 序列化机制可以让对象地保存到硬盘上，减轻内存压力的同时，也起了持久化的作用；

比如 Web服务器中的Session对象，当有 10+万用户并发访问的，就有可能出现10万个Session对象，内存可能消化不良，于是Web容器就会把一些seesion先序列化到硬盘中，等要用了，再把保存在硬盘中的对象还原到内存中。

• 2） 序列化机制让Java对象在网络传输不再是天方夜谭。

我们在使用Dubbo远程调用服务框架时，需要把传输的Java对象实现Serializable接口，即让Java对象序列化，因为这样才能让对象在网络上传输。

四、Java序列化常用API

java.io.ObjectOutputStream
java.io.ObjectInputStream
java.io.Serializable
java.io.Externalizable

Serializable 接口

Serializable接口是一个标记接口，没有方法或字段。一旦实现了此接口，就标志该类的对象就是可序列化的。

public interface Serializable {
}

Externalizable 接口

Externalizable继承了Serializable接口，还定义了两个抽象方法：writeExternal()和readExternal()，如果开发人员使用Externalizable来实现序列化和反序列化，需要重写writeExternal()和readExternal()方法

public interface Externalizable extends java.io.Serializable {
    void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException;
    void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException;
}

java.io.ObjectOutputStream类

表示对象输出流，它的writeObject(Object obj)方法可以对指定obj对象参数进行序列化，再把得到的字节序列写到一个目标输出流中。

java.io.ObjectInputStream

表示对象输入流，

它的readObject()方法，从输入流中读取到字节序列，反序列化成为一个对象，最后将其返回。

五、序列化的使用

序列化如何使用？来看一下，序列化的使用的几个关键点吧：

• 声明一个实体类，实现Serializable接口
• 使用ObjectOutputStream类的writeObject方法，实现序列化
• 使用ObjectInputStream类的readObject方法，实现反序列化

声明一个Student类，实现Serializable

public class Student implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;

    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

使用ObjectOutputStream类的writeObject方法，对Student对象实现序列化

把Student对象设置值后，写入一个文件，即序列化，哈哈~

ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream( new FileOutputStream("D:\\text.out"));
Student student = new Student();
student.setAge(25);
student.setName("jayWei");
objectOutputStream.writeObject(student);

objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();

使用ObjectInputStream类的readObject方法，实现反序列化，重新生成student对象

再把test.out文件读取出来，反序列化为Student对象

ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println("name="+student.getName());

六、序列化底层

Serializable底层

Serializable接口，只是一个空的接口，没有方法或字段，为什么这么神奇，实现了它就可以让对象序列化了？

public interface Serializable {
}

为了验证Serializable的作用，把以上demo的Student对象，去掉实现Serializable接口，看序列化过程怎样吧~

序列化过程中抛出异常啦，堆栈信息如下：

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Student
	at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184)
	at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348)
	at com.example.demo.Test.main(Test.java:13)

writeObject（Object）

writeObject直接调用的就是writeObject0（）方法，

public final void writeObject(Object obj) throws IOException {
    ......
    writeObject0(obj, false);
    ......
}

writeObject0 主要实现是对象的不同类型，调用不同的方法写入序列化数据，这里面如果对象实现了Serializable接口，就调用writeOrdinaryObject()方法~

private void writeObject0(Object obj, boolean unshared)
        throws IOException
    {
    ......
   //String类型
    if (obj instanceof String) {
        writeString((String) obj, unshared);
   //数组类型
    } else if (cl.isArray()) {
        writeArray(obj, desc, unshared);
   //枚举类型
    } else if (obj instanceof Enum) {
        writeEnum((Enum<?>) obj, desc, unshared);
   //Serializable实现序列化接口
    } else if (obj instanceof Serializable) {
        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);
    } else{
        //其他情况会抛异常~
        if (extendedDebugInfo) {
            throw new NotSerializableException(
                cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString());
        } else {
            throw new NotSerializableException(cl.getName());
        }
    }
    ......

writeOrdinaryObject()会先调用writeClassDesc(desc)，写入该类的生成信息，然后调用writeSerialData方法,写入序列化数据

private void writeOrdinaryObject(Object obj,
                                     ObjectStreamClass desc,
                                     boolean unshared)
        throws IOException
    {
            ......
            //调用ObjectStreamClass的写入方法
            writeClassDesc(desc, false);
            // 判断是否实现了Externalizable接口
            if (desc.isExternalizable() && !desc.isProxy()) {
                writeExternalData((Externalizable) obj);
            } else {
                //写入序列化数据
                writeSerialData(obj, desc);
            }
            .....
    }

writeSerialData（）实现的就是写入被序列化对象的字段数据

private void writeSerialData(Object obj, ObjectStreamClass desc)
        throws IOException
    {
        for (int i = 0; i < slots.length; i++) {
            if (slotDesc.hasWriteObjectMethod()) {
                   //如果被序列化的对象自定义实现了writeObject()方法，则执行这个代码块
                    slotDesc.invokeWriteObject(obj, this);
            } else {
                // 调用默认的方法写入实例数据
                defaultWriteFields(obj, slotDesc);
            }
        }
    }

defaultWriteFields（）方法，获取类的基本数据类型数据，直接写入底层字节容器；获取类的obj类型数据，循环递归调用writeObject0()方法，写入数据~

private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc)
        throws IOException
    {   
        // 获取类的基本数据类型数据，保存到primVals字节数组
        desc.getPrimFieldValues(obj, primVals);
        //primVals的基本类型数据写到底层字节容器
        bout.write(primVals, 0, primDataSize, false);

        // 获取对应类的所有字段对象
        ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false);
        Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()];
        int numPrimFields = fields.length - objVals.length;
        // 获取类的obj类型数据，保存到objVals字节数组
        desc.getObjFieldValues(obj, objVals);
        //对所有Object类型的字段,循环
        for (int i = 0; i < objVals.length; i++) {
            ......
              //递归调用writeObject0()方法，写入对应的数据
            writeObject0(objVals[i],
                             fields[numPrimFields + i].isUnshared());
            ......
        }
    }

七、日常开发序列化的一些注意点

• static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的
• serialVersionUID问题
• 如果某个序列化类的成员变量是对象类型，则该对象类型的类必须实现序列化
• 子类实现了序列化，父类没有实现序列化，父类中的字段丢失问题

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的,我们来看例子分析一波~ Student类加了一个类变量gender和一个transient修饰的字段specialty

public class Student implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;

    public static String gender = "男";
    transient  String specialty = "计算机专业";

    public String getSpecialty() {
        return specialty;
    }

    public void setSpecialty(String specialty) {
        this.specialty = specialty;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +"age=" + age + ", name='" + name + '\'' + ", gender='" + gender + '\'' + ", specialty='" + specialty + '\'' +
                '}';
    }
    ......

序列化前Student{age=25, name='jayWei', gender='男', specialty='计算机专业'}
序列化后Student{age=25, name='jayWei', gender='女', specialty='null'}

对比结果可以发现：

• 1）序列化前的静态变量性别明明是‘男’，序列化后再在程序中修改，反序列化后却变成‘女’了， what ？显然这个静态属性并没有进行序列化。其实， 静态（static）成员变量是属于类级别的，而序列化是针对对象的~所以不能序列化哦 。
• 2）经过序列化和反序列化过程后，specialty字段变量值由'计算机专业'变为空了，为什么呢？其实是因为transient关键字， 它可以阻止修饰的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型的值会被设置为 0，对象型初始值会被设置为null。

serialVersionUID问题

serialVersionUID 表面意思就是 序列化版本号ID ，其实每一个实现Serializable接口的类，都有一个表示序列化版本标识符的静态变量，或者默认等于1L，或者等于对象的哈希码。

private static final long serialVersionUID = -6384871967268653799L;

serialVersionUID有什么用？

JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时，JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较，如果相同，反序列化成功，如果不相同，就抛出InvalidClassException异常。

接下来，我们来验证一下吧，修改一下Student类，再反序列化操作

Exception in thread "main" java.io.InvalidClassException: com.example.demo.Student;
local class incompatible: stream classdesc serialVersionUID = 3096644667492403394,
local class serialVersionUID = 4429793331949928814
	at java.io.ObjectStreamClass.initNonProxy(ObjectStreamClass.java:687)
	at java.io.ObjectInputStream.readNonProxyDesc(ObjectInputStream.java:1876)
	at java.io.ObjectInputStream.readClassDesc(ObjectInputStream.java:1745)
	at java.io.ObjectInputStream.readOrdinaryObject(ObjectInputStream.java:2033)
	at java.io.ObjectInputStream.readObject0(ObjectInputStream.java:1567)
	at java.io.ObjectInputStream.readObject(ObjectInputStream.java:427)
	at com.example.demo.Test.main(Test.java:20)

从日志堆栈异常信息可以看到，文件流中的class和当前类路径中的class不同了，它们的serialVersionUID不相同，所以反序列化抛出InvalidClassException异常。那么，如果确实需要修改Student类，又想反序列化成功，怎么办呢？可以手动指定serialVersionUID的值，一般可以设置为1L或者，或者让我们的编辑器IDE生成

private static final long serialVersionUID = -6564022808907262054L;

如果某个序列化类的成员变量是对象类型，则该对象类型的类必须实现序列化

给Student类添加一个Teacher类型的成员变量，其中Teacher是没有实现序列化接口的

public class Student implements Serializable {
    
    private Integer age;
    private String name;
    private Teacher teacher;
    ...
}
//Teacher 没有实现
public class Teacher  {
......
}

序列化运行，就报NotSerializableException异常啦

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Teacher
	at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184)
	at java.io.ObjectOutputStream.defaultWriteFields(ObjectOutputStream.java:1548)
	at java.io.ObjectOutputStream.writeSerialData(ObjectOutputStream.java:1509)
	at java.io.ObjectOutputStream.writeOrdinaryObject(ObjectOutputStream.java:1432)
	at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1178)
	at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348)
	at com.example.demo.Test.main(Test.java:16)

子类实现了Serializable，父类没有实现Serializable接口的话，父类不会被序列化。

子类Student实现了Serializable接口，父类User没有实现Serializable接口

//父类实现了Serializable接口
public class Student  extends User implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;
}
//父类没有实现Serializable接口
public class User {
    String userId;
}

Student student = new Student();
student.setAge(25);
student.setName("jayWei");
student.setUserId("1");

ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\text.out"));
objectOutputStream.writeObject(student);

objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();

//反序列化结果
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student1 = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println(student1.getUserId());
//output
/** 
 * null
 */

从反序列化结果，可以发现，父类属性值丢失了。因此子类实现了Serializable接口，父类没有实现Serializable接口的话，父类不会被序列化。

八、序列化常见面试题

• 序列化的底层是怎么实现的？
• 序列化时，如何让某些成员不要序列化？
• 在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别
• serialVersionUID有什么用？
• 是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程？
• 在 Java 序列化期间,哪些变量未序列化？

1.序列化的底层是怎么实现的？

本文第六小节可以回答这个问题，如回答Serializable关键字作用，序列化标志啦，源码中，它的作用啦 _{还有，可以回答writeObject几个核心方法，如直接写入基本类型，获取obj类型数据，循环递归写入，哈哈}

2.序列化时，如何让某些成员不要序列化？

可以用transient关键字修饰，它可以阻止修饰的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型的值会被设置为 0，对象型初始值会被设置为null。

3.在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别

Externalizable继承了Serializable，给我们提供 writeExternal() 和 readExternal() 方法, 让我们可以控制 Java的序列化机制, 不依赖于Java的默认序列化。正确实现 Externalizable 接口可以显著提高应用程序的性能。

4.serialVersionUID有什么用？

可以看回本文第七小节哈，JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时，JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较，如果相同，反序列化成功，如果不相同，就抛出InvalidClassException异常。

5.是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程？

可以的。我们都知道,对于序列化一个对象需调用 ObjectOutputStream.writeObject(saveThisObject), 并用 ObjectInputStream.readObject() 读取对象, 但 Java 虚拟机为你提供的还有一件事, 是定义这两个方法。如果在类中定义这两种方法, 则 JVM 将调用这两种方法, 而不是应用默认序列化机制。同时，可以声明这些方法为私有方法，以避免被继承、重写或重载。

6.在 Java 序列化期间,哪些变量未序列化？

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的。静态（static）成员变量是属于类级别的，而序列化是针对对象的。transient关键字修字段饰，可以阻止该字段被序列化到文件中。

参考与感谢

• Java基础学习总结——Java对象的序列化和反序列化
• 10个艰难的Java面试题与答案

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