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Java 序列化的高级认识  

2011-08-02 21:39:42|  分类: VC C++ MFC JAVA |  标签: |举报 |字号 订阅

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Java 序列的高级认识

杨 硕, 研究生, 东北大学软件学院

杨硕,东北大学信息学院研究生,热爱 Eclipse 以及 Web 技术,熟悉 Web2.0 相关技术。

魏 强, 硕士研究生, 东北大学软件学院

魏强,东北大学软件学院硕士研究生,现在主要从事 Eclipse 插件的开发,同时热爱着 Web 技术,尤其对 Java Web 相关技术,更是情有独钟。他的邮箱是:neuswc20063500@gmail.com

简介: 如果你只知道实现 Serializable 接口的对象,可以序列为本地文件。那你最好再阅读该篇文章,文章对序列进行了更深一步的讨论,用实际的例子代码讲述了序列的高级认识,包括父序列的问题、静态变量问题、transient 关键字的影响、序列 ID 问题。在笔者实际开发过程中,就多次遇到序列的问题,在该文章中也会与读者分享。

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发布日期: 2011 年 3 月 16 日
级别: 中级
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引言

Java 对象序列为二进制文件的 Java 序列技术是 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 序列相关,通过分析情境出现的原因,使读者轻松牢记 Java 序列中的一些高级认识。


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文章结构

本文将逐一的介绍几个情境,顺序如下面的列表。

  • 序列 ID 的问题
  • 静态变量序列
  • 序列与 Transient 关键字
  • 对敏感字段加密
  • 序列存储规则

列表的每一部分讲述了一个单独的情境,读者可以分别查看。


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序列 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 序列为二进制数据再传给 B,B 反序列得到 C。

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

解决:虚拟机是否允许反序列,不仅取决于路径和功能代码是否一致,一个非常重要的一点是两个序列 ID 是否一致(就是 private static final long serialVersionUID = 1L)。清单 1 中,虽然两个的功能代码完全一致,但是序列 ID 不同,他们无法相互序列和反序列

清单 1. 相同功能代码不同序列 ID 的对比

      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 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成功。那么随机生成的序列 ID 有什么作用呢,有些时候,通过改变序列 ID 可以用来限制某些用户的使用。

特性使用案例

读者应该听过 Fa?ade 模式,它是为应用程序提供统一的访问接口,案例程序中的 Client 客户端使用了该模式,案例程序结构图如图 1 所示。

图 1. 案例程序结构
图 1. 案例程序结构

Client 端通过 Fa?ade Object 才可以与业务逻辑对象进行交互。而客户端的 Fa?ade Object 不能直接由 Client 生成,而是需要 Server 端生成,然后序列后通过网络将二进制对象数据传给 Client,Client 负责反序列得到 Fa?ade 对象。该模式可以使得 Client 端程序的使用需要服务器端的许可,同时 Client 端和服务器端的 Fa?ade Object 需要保持一致。当服务器端想要进行版本更新时,只要将服务器端的 Fa?ade Object 序列 ID 再次生成,当 Client 端反序列 Fa?ade Object 就会失败,也就是强制 Client 端从服务器端获取最新程序。


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静态变量序列

情境:查看清单 2 的代码。

清单 2. 静态变量序列问题代码

      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,将对象序列后,修改静态变量的数值,再将序列对象读取出来,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 的原因在于序列时,并不保存静态变量,这其实比较容易理解,序列保存的是对象的状态,静态变量属于的状态,因此 序列并不保存静态变量。


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序列与 Transient 关键字

情境:一个实现了 Serializable 接口,它的父都没有实现 Serializable 接口,序列对象,然后反序列后输出父定义的某变量的数值,该变量数值与序列时的数值不同。

解决:要想将父对象也序列,就需要让父也实现Serializable 接口。如果父不实现的话的,就 需要有默认的无参的构造函数。在父没有实现 Serializable 接口时,虚拟机是不会序列父对象的,而一个 Java 对象的构造必须先有父对象,才有对象,反序列也不例外。所以反序列时,为了构造父对象,只能调用父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,它的值是调用父无参构造函数后的值。如果你考虑到这种序列的情况,在父无参构造函数中对变量进行初始,否则的话,父变量值都是默认声明的值,如 int 型的默认是 0,string 型的默认是 null。

Transient 关键字的作用是控制变量的序列,在变量声明前加上该关键字,可以阻止该变量被序列到文件中,在被反序列后,transient 变量的值被设为初始值,如 int 型的是 0,对象型的是 null。

特性使用案例

我们熟悉使用 Transient 关键字可以使得字段不被序列,那么还有别的方法吗?根据父对象序列的规则,我们可以将不需要被序列的字段抽取出来放到父中,实现 Serializable 接口,父不实现,根据父序列规则,父的字段数据将不被序列,形成图如图 2 所示。

图 2. 案例程序
图 2. 案例程序类图

上图中可以看出,attr1、attr2、attr3、attr5 都不会被序列,放在父中的好处在于当有另外一个 Child 时,attr1、attr2、attr3 依然不会被序列,不用重复抒写 transient,代码简洁。


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对敏感字段加密

情境:服务器端给客户端发送序列对象数据,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时,才可以对密码进行读取,这样可以一定程度保证序列对象的数据安全。

解决:在序列过程中,虚拟机会试图调用对象里的 writeObject 和 readObject 方法,进行用户自定义的序列和反序列,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的过程,比如可以在序列的过程中动态改变序列的数值。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。执行清单 3 后控制台输出如图 3 所示。

图 3. 数据加密演示
图 3. 数据加密演示

特性使用案例

RMI 技术是完全基于 Java 序列技术的,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。


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序列存储规则

情境:问题代码如清单 4 所示。

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 4 所示。

图 4. 示例程序输出
图 4. 示例程序输出

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

查看清单 5 的代码。

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);

清单 4 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。


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小结

本文通过几个具体的情景,介绍了 Java 序列的一些高级知识,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 序列技术,在未来开发之路上遇到序列问题时,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。

参考资料

学习

讨论

作者简介

杨硕,东北大学信息学院研究生,热爱 Eclipse 以及 Web 技术,熟悉 Web2.0 相关技术。

魏强,东北大学软件学院硕士研究生,现在主要从事 Eclipse 插件的开发,同时热爱着 Web 技术,尤其对 Java Web 相关技术,更是情有独钟。他的邮箱是:neuswc20063500@gmail.com

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ArticleTitle=Java 序列的高级认识

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author2-email=neuswc20063500@gmail.com

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